Diagnosis and maintenance in an integrated time-triggered architecture

Abstract

Der Einsatz von Elektronik in der Automobil- und Flugzeugindustrie hat zu zahlreichen Innovationen im Bereich der Sicherheit, der Antriebstechnik, des Passagierkomforts sowie zu einer Reduktion der Systemkosten geführt. In den letzten Jahren hat allerdings die Entwicklung effizienter on-board Diagnosesysteme dem technischen Fortschritt auf anderen Gebieten nicht Stand gehalten. Mit dem Anstieg von transienten Fehlerraten von IC's aufgrund der höheren Integration hat diese Entwicklung zu einer signifikanten Erhöhung von nicht reproduzierbaren Fehlern mit weit reichenden wirtschaftlichen Konsequenzen geführt.<br />In Rahmen dieser Arbeit wird Diagnose im Kontext von integrierten Architekturen untersucht, da integrierte Architekturen, wie bereits teilweise in der Flugzeugindustrie eingesetzt, massive Kosteneinsparungen durch das Multiplexen von Hardware Ressourcen zwischen den verschiedenen Applikationssubsystemen erlauben. Weiters ermöglicht die Reduktion von Steckern und Kabelverbindungen eine erhebliche Verbesserung in Hinblick auf die Zuverlässigkeit des Systems.<br />Aus diesem Grund gewinnen integrierte Systemarchitekturen auch in der Automobilindustrie immer mehr an Bedeutung, insbesondere um das vorherrschende "eine Funktion - ein Knoten" Problem zu lösen.<br />Um den industriellen Diagnoseanforderungen zu genügen, wird als Teil dieser Arbeit eine Rahmenumgebung vorgestellt, welche die online Fehlererkennung und Identifikation der im Feld austauschbaren Systemkomponenten unterstützt. Es werden generische Diagnoseservices zur Verfügung gestellt, die nach den Anforderungen der Entwickler parametrisiert werden können. So wird ein aufwendiges und kostenintensives Re-design von individuellen Diagnoselösungen auf Applikationsebene vermieden. Ein zentrales Element der Arbeit ist die Definition eines wartungsorientierten Fehlermodells. Dieses Fehlermodell berücksichtigt die typische Komponentenstruktur heutiger verteilter eingebetteter Systeme. Nach diesem Modell wird jeder aufgetretene Fehler nach den austauschbaren Einheiten des Systems klassifiziert. Damit wird die Rekursion der "Fault-Error-Failure" Kette auf einer für die Wartung passenden Ebene gestoppt. Die Schlüsselstrategie der vorgestellten Diagnosearchitektur ist die Operation auf dem verteilten Zustand des Systems. Um die Charakteristik von fehlerinduzierten Zustandsänderungen in Wert, Zeit, und Raum einzufangen, wird das Konzept der Out-of-Norm Assertions eingeführt, um zwischen den verschiedenen Fehlerklassen zu unterscheiden. Für die Spezifikation der Diagnosemechanismen werden Zeit-Automaten benutzt.<br />Zum Transport der Diagnosenachrichten wird ein der Diagnose a priori zugeordnetes virtuelles Netzwerk verwendet. Der Hauptvorteil eines solchen gekapselten Netzwerkes besteht darin, dass andere Echtzeitnachrichten nicht beeinflusst werden und somit kein "Probe Effekt" entstehen kann. Die Diagnoseinformationen werden anschließend nach dem wartungsorientierten Fehlermodell verarbeitet, um den Zustand der austauschbaren Systemkomponenten festzustellen. Das Resultat des Analyseprozesses dient dem Wartungstechniker im Entscheidungsprozess, ob eine Systemkomponente getauscht werden muss.<br />Die entwickelten Methoden wurden im Rahmen eines Prototyps der integrierten zeitgesteuerten Architektur implementiert und evaluiert. In diesem Prototypenaufbau wurde die Durchführbarkeit der vorgeschlagenen Architektur untersucht. Weiters wurden Fehlereinstreuungsexperimente ausgeführt, um die Effekte von Fehlern auf den verteilten Zustand des unterliegenden zeitgesteuerten Systems zu analysieren und Behauptungen der Diagnosearchitektur zu validieren.<br />

The use of electronics in automotive and avionic industry accounts for numerous improvements with respect to system safety, fuel economy, passenger comfort, and system costs. In last years, however, the development of effective diagnostic systems stayed behind the recent increase of electronic systems in modern means of transportation. In combination with shrinking geometries this issue has lead to a dramatic increase of transient system failures that cannot be traced. This so called trouble-not-identified phenomenon is a significant problem with major economic implications due to false maintenance actions resulting in increased warranty costs and decreased customer satisfaction.<br />In this thesis we look at diagnosis in the context of integrated architectures, since integrated architectures, as already partly deployed in avionics, promise massive cost savings due to the multiplexing of hardware resources among different application subsystems. Furthermore, the resulting reduction of wiring and connectors results in dependability improvements. For this reason, integrated architectures are gaining more and more momentum also in the automotive domain in order to resolve the pending "one function - one control unit" problem. In order to cope with industry demands on diagnosis, as part of this thesis a framework is introduced for error detection and subsequent identification of the field replaceable units causing system malfunction. Such a framework provides generic diagnostic services to be parameterized according to the developer's needs and thus avoids costly redesign of individual diagnostic solutions at application level. Based on industrial requirements, a maintenance-oriented fault model is presented. This fault model takes the component-based nature of today's distributed embedded systems into account. According to this model each experienced failure is classified with respect to the field replaceable units of the system and stops the recursion of the fault-error-failure chain at a level suitable for maintenance. The pivotal strategy of the diagnostic architecture is the establishment of a holistic view on the system by operating on the distributed state established via the underlying core services. To capture the characteristics of the fault-induced distributed state changes in the value, space, and time domain, we introduce the concept of out-of-norm assertions in order to discriminate between different types of faults that are affecting the operation of the distributed system. In the introduced framework, for the specification of the diagnostic mechanisms timed automata are used.<br />For the transport of diagnostic information a dedicated virtual network is established. The key advantage of such an encapsulated network dedicated to diagnosis is the fact that real-time traffic is not compromised in any way and no probe effects can be introduced. Based on the maintenance-oriented fault model this diagnostic information is then processed to determine the health status of the field replaceable units of the system. The result supports the service technician in the decision process whether a field replaceable unit remains in the system or will be replaced.<br />The proposed methods are implemented and evaluated in a prototype setup of the integrated time-triggered architecture. In this prototype setup the feasibility of the proposed architecture is investigated.<br />Furthermore, fault injection campaigns have been carried out, to analyze the effects of faults on the distributed state of state time-triggered core network and to validate claims of the diagnostic architecture.<br />