Szenariobasierte Systems-Engineering-Methodik zur System- und Testfallspezifikation für automatisierte Fahrfunktionen

Meyer, Max-Arno; Andert, Jakob Lukas; Pischinger, Stefan

doi:44544

Szenariobasierte Systems-Engineering-Methodik zur System- und Testfallspezifikation für automatisierte Fahrfunktionen = Scenario-based systems engineering methodology for system and test case specification for automated driving functions

Meyer, Max-Arno^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Max-Arno Meyer

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Andert, Jakob Lukas (Thesis advisor)^RWTH* ; Pischinger, Stefan (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-06527
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1015688/files/1015688.pdf

Einrichtungen

Juniorprofessur für Mechatronische Systeme am Verbrennungsmotor (412330)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MBSE (frei) ; Szenario basierte Entwicklung (frei) ; Testspezifikation (frei) ; automatisiertes Fahren (frei) ; systems engineering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Einführung höhergradig automatisierter Fahrzeuge stellt die Automobilindustrie vor große technische und methodische Herausforderungen. So erfordert die Gewährleistung der SOTIF (von engl. Safety of the Intended Functionality) die Bewertung des Systemverhaltens in einem hochdimensionalen, unendlich diversen Raum möglicher Fahrszenarien. Verglichen mit Testmethoden unterschiedlicher Virtualisierungsgrade zur Szenarioexploration sind die szenariobasierte System- und Testspezifikation bis dato weniger umfassend erforscht. Insbesondere bestehen Forschungslücken bei der Integration und Rückverfolgbarkeit von Systemspezifikation, Szenariobeschreibung und Argumentation der SOTIF sowie bei der Testspezifikation. Während modellbasiertes Systems Engineering (MBSE) ein etabliertes Mittel für die Bewältigung von Komplexität und Erhöhung von Rückverfolgbarkeit und Automatisierungspotenzial ist, unterstützen existierende Verfahren keine szenariobasierte Spezifikation oder Analyse der SOTIF. Aktuelle Testfallspezifikationen für automatisierte Fahrfunktionen (ADF von engl. Automated Driving Function) sind häufig werkzeug- und projektspezifisch, nicht maschinenlesbar und mit hohem Erstellungsaufwand verbunden, was den Austausch, die Wiederverwendung und die Automatisierung von Testfällen über alle Testmethoden hinweg behindert. In dieser Arbeit wird eine szenariobasierte Systems-Engineering-Methodik zur Spezifikation von ADF entwickelt. Ein zentraler Aspekt ist die Erweiterung des MBSE-Verfahrens Compositional Unified System-Based Engineering um die Szenariodefinition und -detaillierung sowie die Modellierung von deren Abläufen und Parameterräumen, zugehörigen Variationspunkten im Systemverhalten und Beweisketten für die SOTIF-Argumentation. Ein weiterer Aspekt ist die Entwicklung eines Testfallspezifikationsformats für szenariobasiertes Testen, welches erstmals die Verwendung standardisierter Szenariodaten in Vorbedingungen, Testsequenzen und Pass/Fail-Kriterien mit einer ISO/IEC/IEEE-29119-konformen, werkzeugunabhängigen Datenstruktur für Testfälle kombiniert. Beide Aspekte werden durch die Generierung szenariobasierter Testfälle aus dem MBSE-Modell verknüpft. Die Anwendung dieser Methodik, einschließlich MBSE, Testfallableitung im entwickelten Format sowie weiterführender Testfallimplementierung und -ausführung mittels simulationsbasierter Szenariovariation, wird am Beispiel einer ADF-Teilfunktion für autonomes Auffahren auf Autobahnen in einer prototypischen Einsatzumgebung demonstriert. Anhand dessen werden die mit dem neuen MBSE-Verfahren erzielte Rückverfolgbarkeit zwischen System-, Szenario- und Testfallspezifikation, die resultierende Testraumeingrenzung sowie die Werkzeugunabhängigkeit und das Automatisierungspotenzial durch das entwickelte Testfallspezifikationsformat gezeigt. Die neuartige Systems-Engineering-Methodik adressiert damit identifizierte Forschungslücken und verbessert die Qualitätssicherung und Effizienz bei der szenariobasierten ADF-Entwicklung.

The introduction of vehicles featuring higher degrees of automation presents the automotive industry with major technical and methodological challenges. For example, ensuring SOTIF (Safety of the Intended Functionality) requires the evaluation of system behavior in a high-dimensional, infinitely diverse space of possible driving scenarios. In comparison with test methods of varying degrees of virtualization for scenario exploration, scenario-based system and test specification have been less comprehensively researched to date. In particular, there are research gaps in the integration and traceability of system specification, scenario description and SOTIF argument as well as test specification. While model-based systems engineering (MBSE) is an established means of managing complexity and increasing traceability and automation potential, existing methods do not support scenario-based specification or SOTIF analysis. Current test case specifications for automated driving functions (ADF) are often tool- and project-specific, not machine-readable and require a lot of manual effort to create, which hinders the exchange, reuse and automation of test cases across all test methods. In this thesis, a scenario-based systems engineering methodology for the specification of ADF is developed. A central aspect is the extension of the MBSE procedure Compositional Unified System-Based Engineering by scenario definition and detailing as well as the modeling of scenario sequences and parameter spaces, associated variation points in system behavior and chains of evidence for SOTIF argumentation. Another aspect is the development of a test case specification format for scenario-based testing, which for the first time combines the use of standardized scenario data in preconditions, test sequences and pass/fail criteria with an ISO/IEC/IEEE-29119-compliant, tool-independent data structure for test cases. Both aspects are linked by generating scenario-based test cases from the MBSE model. The application of this methodology including MBSE, test case derivation in the developed format as well as subsequent test case implementation and execution by means of simulation-based scenario variation is demonstrated using the example of an ADF sub-function for autonomous highway access in a prototype operational environment. This demonstrates the traceability achieved with the new MBSE method between the system, scenario and test case specification, the resulting test space restriction as well as the tool independence and automation potential of the developed test case specification format. The novel systems engineering methodology thus addresses identified research gaps and improves quality assurance and efficiency in the scenario-based ADF development.

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