Qualitätsgetriebener und flexibler Entwurfsablauf gewährleistet Sicherheit cyber-physischer Systeme

Um den extrem gestiegenen Anforderungen an die Qualität und Sicherheit moderner Systeme gerecht zu werden, hat der Forschungsbereich Cyber-Physical Systems (CPS) des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) im Projekt SPECifIC einen innovativen Entwurfsablauf entwickelt. Dieser ermöglicht die durchgängige formale Modellierung des Systems, wodurch Fehler im Design bereits frühzeitig erkannt werden können. Das Projekt wurde nun vom Wissenschaftlichen Beirat (Scientific Advisory Board) des DFKI als signifikanter Beitrag zum Fortschritt in der Systementwicklung bewertet.




In den letzten Jahrzehnten wurden enorme Fortschritte in der Computertechnik erzielt. Ergebnis dieser Entwicklung sind höchst komplexe eingebettete und cyber-physische Systeme, die heute in Form von Mikrochips in nahezu allen Bereichen unseres täglichen Lebens zum Einsatz kommen – in Smartphones, Kaffeemaschinen und elektrischen Zahnbürsten genauso wie in sicherheitskritischen Anwendungen, etwa in Zügen, Flugzeugen oder medizinischen Implantaten. Vor der Produkteinführung müssen diese Systeme in unzähligenTests auf ihre Korrekheit überprüft werden, was aufgrund ihrer Komplexität inzwischen bis zu 40 Prozent der gesamten Entwicklungszeit ausmachen kann. Um bereits in der Entwurfsphase die korrekte Funktionalität der Systeme sicherstellen zu können, haben die Wissenschaftler des DFKI-Forschungsbereichs Cyber-Physical Systems unter Leitung von Prof. Dr. Rolf Drechsler im Projekt SPECifIC einen qualitätsgetriebenen und flexiblen Entwurfsablauf samt passender Werkzeugunterstützung entwickelt. Dieser ist insbesondere für die Chipindustrie von Interesse, da sich auf diese Weise Zeit und Kosten bei der Chipentwicklung sparen lassen.

Der SPECifIC-Entwurfsablauf setzt dafür auf mehreren Ebenen an: Auf der ersten Entwurfsebene werden die Anforderungen an das System in natürlicher Sprache formuliert. So können alle Beteiligten – Entwickler, Projektleiter, Kunden etc. –  zu einem gemeinsamen Verständnis des zu entwickelnden Produkts kommen. Zwischen den natürlichsprachlichen Anforderungen und deren Realisierung auf einem Chip oder in einem Programm klafft jedoch eine große Lücke in puncto Ausdrucksstärke und Genauigkeit. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Implementation die gewünschten Anforderungen letztlich nicht erfüllt. Die CPS-Wissenschaftler haben daher Verfahren entwickelt, um diesen fehlerträchtigen Schritt – von der Anforderungsformulierung bis hin zur Implementierung – in handhabbare Teilschritte aufzuteilen. Diese Verfahren basieren auf dem Konzept einer formalen Spezifikationsebene, welche durch die Einführung modellbasierter Anforderungsspezifikationen die jeweils nützlichen Eigenschaften der natürlichen Sprache und der Implementierung kombiniert. Die formale Spezifikationsebene erlaubt dabei zum einen die abstrakte Beschreibung des Systems. Zum anderen ist sie hinreichend formalisiert und präzise, so dass bereits frühzeitig im Entwurf die Eigenschaften der Modelle untersucht, Fehler gefunden und notfalls behoben werden können. Um nicht bei jeder Korrektur an den Anforderungen oder Modellen den gesamten Entwurf neu prüfen zu müssen, haben die Wissenschaftler zudem ein funktionales Änderungsmanagement entwickelt, das die Auswirkung von Änderungen untersucht und eingrenzt. Dadurch wird der Entwurfsablauf deutlich flexibler, ohne dass die garantierte Korrektheit darunter leidet.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte SPECifIC mit rund 1,6 Millionen Euro über eine Laufzeit von insgesamt drei Jahren. Am 13. und 14. Februar 2017 wurde das Projekt und der darin entwickelte Entwurfsablauf dem Wissenschaftlichen Beirat (Scientific Advisory Board) des DFKI präsentiert, und erhielt eine positive Bewertung. Der Wissenschaftliche Beirat setzt sich aus international renommierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zusammen. Er evaluiert in regelmäßigen Abständen den Fortschritt und Erfolg der vom BMBF geförderten Projekte des DFKI. 

Weitere Informationen unter:

www.dfki.de/cps/research/projects/SPECifIC

Kontakt:
Prof. Dr. Christoph Lüth
Cyber-Physical Systems
Tel.: 0421 218 59830
E-Mail: Christoph.Lueth@dfki.de

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