System testing in the avionics domain [Elektronische Ressource] / von Aliki Ott

Aliki Ott

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• Publié par: universitat_bremen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 87
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

SystemTestingintheAvionicsDomain
vonAlikiOtt
Dissertation
zurErlangungdesGradeseinerDoktorinder
Ingenieurwissenschaften
–Dr.-Ing. –
VorgelegtimFachbereich3(Mathematik&Informatik)
derUniversitat¨ Bremen
imOktober2007DatumdesPromotionskolloquiums: 18.12.2007
Gutachter: Prof.Dr.JanPeleska(Universitat¨ Bremen)
Prof.Dr.BerndKrieg-Bruckner¨ (Universitat¨ Bremen)Zusammenfassung
In der Vergangenheit bestanden Flugzeugsysteme aus (weitgehend) unabhangigen¨ Steuerelemen-
tenunddazugehorigen¨ AktuatorenundSensoren,diejeweilsfur¨ ihrespezifischeAufgabeimSys-
tem entwickelt wurden. Um bei neuen Flugzeugentwicklungen den gestiegenen Anforderungen
und dem erweiterten Funktionsumfang gerecht werden zu konnen,¨ basieren moderne Flugzeug-
systeme auf dem Architekturrahmenwerk Integrated Modular Electronics, das eine Kombination
aus verschiedenen Komponenten zulasst:¨ fur¨ den nicht sicherheitskritischen Bereich konnen¨ vor-
handene,nichtfur¨ dieLuftfahrtindustrieentwickelteKomponentenverwendetwerden;fur¨ sicher-
heitskritische Flugzeugfunktionen wird Integrated Modular Avionics (IMA)-Technologie einge-
setzt. Um die IMA-Architektur modular, offen und sehr flexibel zu halten, basiert sie auf gemein-
sam nutzbaren, standardisierten Plattformen (den IMA-Modulen) und standardisierten Netztech-
nologien, die beide speziell fur¨ die Anforderungen in der Luftfahrtelektronik – aber unabhangig¨
vondenAufgabeninspezifischenFlugzeugsystemen–entwickeltwurden.Fur¨ dasjeweiligeFlug-
zeugsystem bedeutet dies, dass vormals aufgabenspezifische Steuerelemente durch mit anderen
Systemen gemeinsam genutzte IMA-Module ersetzt werden. Da diese Veranderungen¨ auch Aus-
wirkungen auf den gesamten Entwicklungs- und Prufprozess¨ haben, mussen¨ neue Ablaufe¨ defi-
niertundpassendeMethodenundWerkzeugeentwickeltwerden.
Die vorliegende Arbeit betrachtet die oben skizzierte Entwicklung aus zwei Blickwinkeln: Zum
¨einengibtderSystems-Engineering-TeileineUbersichtuber¨ dieAblaufe¨ undMethodenimAllge-
meinen, wie sie bei der Entwicklung und dem Testen von Flugzeugsystemen Anwendung finden,
undbeschreibtzudem,wiesichdieTechnologienunddieProzesse–speziellimBereichSystem-
testen von Flugzeugen – verandert¨ haben. Zum anderen vertiefen zwei Fallstudien die zuvor be-
schriebenenTestaktivitaten¨ inzweineuidentifiziertenTestbereichen.
Im Systems-Engineering-Teil dieser Arbeit wird beschrieben, wie heutige Flugzeugsysteme ent-
wickeltwerdenundwiesichdiesmitderEntwicklunghinzuIMA-Technologieverandert¨ hat.Da-
beiwerdenjeweilszweiPerspektiven(die Systemsicht“ unddie Prozesssicht“)gewahlt,¨ umeine
” ”
umfassende Betrachtung des Themas Systemtesten in Flugzeugen zu ermoglichen¨ und außerdem
die konzeptuelle Basis fur¨ die Fallstudien zu liefern. Fur¨ die Systemsicht“ fasst die vorliegen-
”
de Arbeit das Wissen uber¨ Flugzeugsysteme bezuglich¨ Architekturmodelle, Redundanzkonzepte,
verwendeteTypenvonPlattformenundNetztechnologienzusammenundbeschreibt,wiesichdie-
¨severandert haben.Der SchwerpunktliegtdabeiaufIMA-basiertenSystemenunddenspeziellen
EigenschaftenvonIMA-Modulen.Fur¨ die Prozesssicht“ werdendieEntwicklungs-undTestakti-
”
vitaten¨ aufallenEbenen(voneinzelnenKomponentenbishinzumFlugzeugalsGanzes)betrachtet
unddieUnterschiedeaufgezeigt,diesichausderVerwendungvonunterschiedlichenArchitektur-
modellen oder der Nutzung verschiedenen Plattform ergeben. Fur¨ IMA-basierte Systeme werden
dabei zwei neue Testbereiche diskutiert, die beide unabhangig¨ von spezifischen Flugzeugsyste-
mensind:dasTestenvoneinzelnenIMA-PlattformenunddasTestendesKommunikationsflusses
ineinemNetzausIMA-Modulen.
Die Fallstudien im zweiten Teil dieser Arbeit vertiefen jeweils einen moglichen¨ Ansatz fur¨
diese beiden Testbereiche. Die erste Fallstudie beschreibt eine Testsuite fur¨ das automatisier-
te Testen von einzelnen IMA-Modulen ohne Anwendungssoftware. Die Testsuite ermoglicht¨ es,
konfigurations- und anwendungsunabhangig¨ die Einhaltung des in der ARINC 653-Spezifikation
erlaubten Verhaltens zu prufen¨ und die Konfigurierbarkeit des IMA-Betriebssystems zu verifizie-
ren.BesonderseingegangenwirdindervorliegendenArbeitaufdieVerwendungvongenerischen
Vorlagen fur¨ Testspezifikationen, die nach der Instantiierung fur¨ verschiedene (Test-)Konfigura-
tionen als separate Testfalle¨ ausgefuhrt¨ werden konnen.¨ Außerdem werden weitere Details zur
iiiiv
praktischen Umsetzung diskutiert. Die Anwendung der Testsuite im Forschungsprojekt VICTO-
RIAsowiedieinderArbeitvorgenommenenUntersuchungenbestatigen,¨ dassdasinderTestsuite
¨umgesetzteVorgehengutfurautomatisierteHardware-in-the-loop-TestsvonIMA-Plattformenge-
eignetistundzudemsignifikantdazubeitragt,¨ eine–imVergleichzummanuellenTesten–hohere¨
Testabdeckungzuermoglichen;¨ einErgebnisvondeminsbesondereauchbeiRegressionstestspro-
fitiertwerdenkann.
Die zweite Fallstudie stellt einen Ansatz zum Testen des Kommunikationsflusses in einem Netz
aus konfigurierten IMA-Plattformen vor, der es gestattet, alle moglichen¨ Anwendungsinteraktio-
nen zu testen, die von der Spezifikation des IMA-Moduls sowie der Netzkonfiguration (d.h. ei-
ner bestimmten Kombination von Modulkonfigurationen) erlaubt werden. Im Rahmen dieser Ar-
beit wird dabei insbesondere ein Algorithmus entwickelt, der all diese Testfalle¨ generieren kann.
Es wird weiterhin untersucht, wie diese Testfalle¨ (nach vorgegebenen Kriterien) priorisiert wer-
den konnen,¨ so dass die zur Verfugung¨ stehende Testausfuhrungszeit¨ fur¨ die wichtigen Testfalle¨
verwendet werden kann. Die in der Arbeit dargelegte Bewertung dieses Ansatzes bestatigt¨ die
NotwendigkeiteinesautomatisierbarenGenerierungsalgorithmusundzeigtdabeiauch,dassnoch
effektivere Priorisierungsfunktionen erforderlich sind – insbesondere fur¨ realistische (d.h. recht
komplexe)Netzkonfigurationen–,fur¨ derenAusgestaltungsieHinweisegibt.Abstract
Traditionally, avionics systems consisted of several independent or loosely coupled special-to-
purpose controllers which were each developed by the respective system supplier. To deal with
themoredemandingrequirementsandadditionalfeaturerequestsfornewaircrafts,currentavion-
ics systems are based on the framework of integrated modular electronics which allows to use
commercial-of-the-shelf products for less critical functions and uses integrated modular avionics
(IMA) technology for safety-critical avionics functions. This integrated avionics architecture is
modular, open and highly-flexible. It isbasedoncommonstandardizedplatforms(theIMAmod-
ules) and standardized aircraft networking technology. For the avionics systems, this means that
most special-to-purpose controllers are replaced by shared IMA platforms which are developed
independently of the respective systems. Since this evolution affects the entire development, new
processes and means for the development and the verification and validation of avionics systems
arerequired.
Thisthesisaddressesthisevolutionfromtwoangles: Firstly,asystemsengineeringpartintroduces
the general processes and approaches to be considered when developing and testing avionics sys-
tems and describes how the technology and the development processes have evolved, particularly
with respect to system testing in avionics. Secondly, two case studies detail the described general
testingactivitiesduringsystemintegrationfortwonewlyidentifiedtestingareas.
Inthesystemsengineeringpart,thisthesisdescribeshowavionicssystemsarecurrentlydeveloped
and discusses the effects of evolving towards integrated modular avionics. To provide an encom-
passing reflection of system testing in avionics and deliver the conceptual foundation for the case
studies, both are addressed from a “system point of view” and a “process point of view”. For the
former, this thesis assembles the knowledge about avionics systems with respect to architecture
models,redundancyconcepts,usedplatformtypes,andcommonaircraftnetworkingtechnologies
and describes how these have evolved. The focus is on IMA-based systems and the specific char-
acteristics of IMA platforms. For the latter, this thesis introduces the development and testing
activities from aircraft level to equipment level and elaborates on the differences arising from the
chosen avionics architecture model and the used platform types. For IMA-based systems, it re-
veals two new testing areas which are both independent of specific avionics systems: Testing of
singleIMAplatformsandtestingthecommunicationflowinanetworkofIMAplatforms.
Onepossibleapproachforeachofthesetwotestingareasisaddressedbycasestudiesinthesecond
part of this thesis. The first case study describes a test suite for automated testing of bare IMA
platformswhichallowstoverifythebehavioralcompliancewiththeARINC653specificationand
withtheconfigurabilityoftheIMAmodule’soperatin