Intelligente Analyse von Software-Traces für zuverlässige eingebettete Systeme.

Auf der Embedded World, der weltweit größten Fachmesse für eingebettete Systeme in Nürnberg, konnte ein aktuelles Forschungsprojekt des Instituts für Technik und Informatik unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Bienhaus gemeinsam mit dem Industriepartner Schmidt Embedded Systems GmbH präsentiert werden.

Im Mittelpunkt des Projekts steht die automatische Analyse von Softwareverhalten in eingebetteten Systemen. Ziel ist es, das Laufzeitverhalten von Software anhand formaler Systemspezifikationen zu überprüfen und so Fehler frühzeitig sichtbar zu machen.

Dazu werden sogenannte Software-Traces – detaillierte Ablaufprotokolle aus einem laufenden System – erfasst und in eine Cloud übertragen. Dort werden die Daten automatisiert mit formalen Spezifikationen verglichen. Auf diese Weise kann analysiert werden, ob sich das System während der Ausführung korrekt verhält oder unerwartete Zustände erreicht.

Im Unterschied zu klassischen Softwaretests, bei denen meist nur einzelne Testfälle untersucht werden, bewertet dieser Ansatz das tatsächliche Laufzeitverhalten eines Systems kontinuierlich. Dadurch lassen sich insbesondere sporadische Fehler in Echtzeitsystemen erkennen – also Probleme, die nur selten auftreten und mit herkömmlichen Tests oft schwer reproduzierbar sind.

Demonstration mit Robotersystem

Um die Funktionsweise anschaulich zu demonstrieren, wurde auf der Messe ein Robotersystem mit Förderbandeingesetzt. Dieses System sortierte kleine Pakete auf einem Fließband.

Die Steuerungssoftware konnte dabei gezielt in verschiedenen Varianten betrieben werden:

• korrekt arbeitende Steuerung

• leicht fehlerhafte Steuerung

• stark fehlerhafte Steuerung

Während das System lief, wurden kontinuierlich Traces aufgezeichnet und automatisch analysiert. Bei Fehlverhalten ließ sich unmittelbar nachvollziehen, welche internen Systemzustände und Abläufe zu dem Problem geführt haben.

Im Demonstrationsszenario führte ein Fehler dazu, dass ein Paket an die falsche Stelle geschoben wurde. Das Beispiel verdeutlichte, wie sich selbst selten auftretende Fehler im Systemverhalten sichtbar machen lassen.

Relevanz für sicherheitskritische Systeme

Während ein falsch sortiertes Paket im Demonstrationsaufbau harmlos ist, können vergleichbare Softwarefehler in realen Anwendungen gravierende Folgen haben. In sicherheitskritischen Systemen – etwa in der Automobiltechnik oder Medizintechnik – kann ein Softwarefehler lebensbedrohliche Auswirkungen haben. Ein Beispiel wäre das Auslösen eines Airbags zum falschen Zeitpunkt.

Durch die kontinuierliche Analyse von Systemverhalten können solche Probleme bereits während der Entwicklung erkannt werden. Entwicklerinnen und Entwickler erhalten damit ein Werkzeug, um komplexe eingebettete Systeme transparenter, sicherer und zuverlässiger zu gestalten.

Forschung, Industrie und Studium

Die Präsentation auf der Embedded World zeigt die enge Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie. Studierende profitieren direkt von solchen Projekten: Sie erhalten Einblicke in aktuelle Methoden der Entwicklung eingebetteter Systeme, der Cloud-basierten Analyse sowie der formalen Spezifikation von Software.

Solche Projekte verbinden Forschung, industrielle Praxis und Lehre und bieten Studierenden die Möglichkeit, an modernen Technologien für die Entwicklung zuverlässiger Software mitzuwirken.

Dank an Projektpartner und Förderung

Das Projekt wurde durch das Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) gefördert.

Ein besonderer Dank gilt unserem Projektpartner Schmidt Embedded Systems GmbH für die enge Zusammenarbeit sowie für die Möglichkeit, das Projekt auf der Embedded World gemeinsam zu präsentieren. Vor Ort wurde das Projekt von David Schmidt vertreten und zahlreichen Messebesucherinnen und -besuchern vorgestellt.