Programmcode im Auto

(2009 Veröffentlichung)



Es sind viele Mikroprozessoren erforderlich, um 100 Millionen Codezeilen zu verarbeiten, um ein Premium-Auto zu betreiben ( 2009 ). Und es wird bald noch schwieriger.

Das Avioniksystem im F-22 Raptor, einem Kampfflugzeug der US Air Force, besteht aus ungefähr 1,7 Millionen Codezeilen. Der im Jahr 2010 eingeführte Joint Strike Fighter F-35 benötigt rund 5,7 Millionen Codezeilen für Bordsysteme. Der neue Boeing 787 Dreamliner benötigt rund 6,5 Millionen Programmcodezeilen, um elektronische Geräte an Bord zu betreiben.

Beeindruckend, nicht wahr? Wenn Sie kürzlich ein Premiumauto gekauft haben, enthält es wahrscheinlich etwa 100 Millionen Codezeilen. So sagt Manfred Broy, Professor für Informatik an der Technischen Universität München, ein führender Experte für Automotive-Software. All diese Software läuft auf 70-100 mikroprozessorbasierten elektronischen Steuergeräten ( ECUs ), die im gesamten Fahrzeug verteilt sind.

Alfred Katzenbach, Leiter Informationstechnologiemanagement bei Daimler, sagte, das aktuelle Navigationssystem der aktuellen Mercedes-Benz S-Klasse benötige mehr als 20 Millionen Codezeilen. Das Auto enthält fast so viele Steuergeräte wie der neue Airbus A380 (ohne das Entertainment-System an Bord). Software in Autos wird nicht nur quantitativ wachsen. Die Komplexität der Software nimmt von Mal zu Mal zu. Ende letzten Jahres rechnete das Forschungsunternehmen Frost & Sullivan damit, dass für Maschinen in naher Zukunft 200 bis 300 Millionen Zeilen Programmcode benötigt würden.

Selbst in Budgetautos sind jetzt 30 bis 50 ECUs in die Karosserie, Türen, das Armaturenbrett, das Dach, den Kofferraum und die Sitze eingebaut. Sie können fast überall gefunden werden. Alles hängt von der Vorstellungskraft der Autodesigner ab. Dies bedeutet, dass die meisten Neuwagen zig Millionen Zeilen Programmcode verarbeiten und dabei alles von den Bremsen bis zur Lautstärke des Radios steuern.



„Autos sind nicht länger nur eine Batterie, ein Verteiler oder eine Lichtmaschine und ein Vergaser. Sie sind äußerst modern in ihrer Komplexität “, sagt Thomas Little, Professor für Elektrotechnik an der Boston University of Massachusetts. Thomas entwickelt intelligente Verkehrssysteme. „Mit dem Ziel, Energie zu sparen, Emissionen zu reduzieren und die Sicherheit zu verbessern, haben wir uns auch die Einführung der Elektronik einfallen lassen.“

Ich habe diese Schwierigkeit kürzlich an mir selbst erlebt. Letztes Jahr habe ich ein neues Auto gekauft und war erstaunt, als ich die Bedienungsanleitung aufschlug. Es hatte 500 Seiten. Weitere 200 Seiten erläuterten die Funktionsweise von GPS- und Funksystemen. Eine der neuen Funktionen, für die wir geworben haben, war die Vergrößerung des Handschuhbereichs, aber die Größen wurden wahrscheinlich irgendwo in der Endlosanleitung angegeben.

Mein neues Auto kommt mit Front- und Seitenairbags. Dutzende von Sensoren liefern elektronische Airbag-Steuerungsdaten. Diese Sensoren sollten bei jeder Temperatur jahrelang funktionieren - sowohl bei starkem Frost in Minnesota als auch unter der heißen Sommersonne in Arizona.

Meistens überwacht das Airbagsystem lediglich den Zustand des Fahrzeugs. Aber manchmal werden Airbags ausgelöst, zum Beispiel aufgrund einer Kollision mehrerer Fahrzeuge. In diesem Fall hat die Software im Steuergerät, die ihre Auslösung steuert, 15 bis 40 Millisekunden Zeit, um zu bestimmen, welche Airbags in welcher Reihenfolge aktiviert werden, sagt Broy.

Laut Broy werden Airbag-Kontrollsysteme in naher Zukunft nicht nur Informationen über die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes verwenden. Zum Beispiel hat BMW 2009 viele Modelle mit BMW Assist ausgestattet. Dieses System berechnet das "Risiko schwerer Verletzungen" auf der Grundlage von Informationen, die vom Airbag-Steuergerät des Fahrzeugs und seinen anderen Steuergeräten empfangen werden. Rettungsdienste erhalten Informationen nicht nur über den Unfallort, sondern auch über die Wahrscheinlichkeit schwerer Verletzungen der Fahrgäste.

Die Menge an Software in Autos ist heutzutage erstaunlich.
Die erste serielle ECU eines Automobil-Mikrocomputers war eine Einzelfunktionssteuerung. Es wurde 1977 bei General Motors in einem Oldsmobile Toronado zur elektronischen Zündung eingesetzt. 1978 bot GM an, seinen Cadillac Trip Computer auf den Cadillac Sevilla zu setzen. Der Computer war ein modifizierter Mikroprozessor-Chip von Motorola 6802. Er zeigte Informationen über Geschwindigkeit, Kraftstoff, Fahrt und Motor an. Der Chip hatte jedoch eine andere Funktion: GM testete damit, wie gut der Mikroprozessor verschiedene Funktionen steuern kann, wie z. B. die Kraftstoffeinspritzung, den elektronischen Zündzeitpunkt und die Geschwindigkeitsregelung.

Bis 1981 verwendete GM eine Motorsteuerung auf Mikroprozessorbasis in der Pkw-Fertigung. Sie verarbeiteten ungefähr 50.000 Codezeilen. Andere Autohersteller folgten schnell.

Jonas Bereisa, ein GM-Ingenieur, schrieb 1983 in einem IEEE-Transaktionsartikel über Industrieelektronik, dass "die Softwareentwicklung der wichtigste Faktor bei der Entwicklung neuer Produkte sein wird". Er hatte verdammt recht. Broy schätzt, dass mehr als 80 Prozent der automobilen Innovationen auf Computersystemen beruhen. Software ist zur wichtigsten Wertquelle im Automobil geworden, einschließlich der Preisliste. Das Verhältnis der Kosten für Elektronik und für Fahrzeuge in Prozent stieg von 5 Prozent Ende der 1970er Jahre auf 15 Prozent im Jahr 2005 (ohne die Kosten für die Endmontage).
Hybride haben die Menge an Software, die für nur eine Motorsteuerung benötigt wird, fast doppelt so viel wie ein Standardauto. Das Verhältnis der Kosten für Elektronik und der Kosten für Fahrzeuge in ihnen nähert sich 45 Prozent. Nach Ansicht einiger Experten wird sich der Prozentsatz der Elektronikkosten für ein Fahrzeug innerhalb von 10 Jahren auf 50 Prozent für normale Fahrzeuge und auf 80 Prozent für Hybride erhöhen.

Bei modernen Premiumautos können „die Kosten für Software und Elektronik 35 bis 40 Prozent der Kosten eines Autos betragen“, sagt Broy. Die Softwareentwicklung macht etwa 13-15 Prozent dieser Kosten aus. Er sagt, wenn jede Linie von entwickelter Software 10 US-Dollar kostet - was sehr klein ist - für ein Premiumauto, ist seine Software allein eine Investition im Wert von ungefähr einer Milliarde US-Dollar.

John Voelcker, Herausgeber von IEEE Spectrum, schrieb im April 2007 über das GMC-Yukon-Hybridauto und sein Dual-Mode-Automatikgetriebe. Voelcker sagte, dass "von allen Arbeitsstunden, die für die Herstellung eines Dual-Mode-Getriebes aufgewendet wurden ... ungefähr 70 Prozent ... für die Entwicklung von Management-Software aufgewendet wurden".

Laut Voelcker analysiert die Logik der Steuerungssoftware alle 10 Millisekunden Hunderte von Eingabedaten, einschließlich der Fahrzeuglast, der Motorleistung, der Batterieparameter und der Temperatur in elektrischen Hochspannungskomponenten.

Aufgrund der Komplexität des Codes treten Zuverlässigkeitsprobleme auf. IBM behauptet, dass derzeit rund 50 Prozent der Kosten für die Kfz-Garantie auf Elektronik und deren eingebettete Software entfallen. Nach Angaben von 2005 kosten die Autohersteller in den USA etwa 350 US-Dollar pro Auto und die europäischen Autohersteller 250 US-Dollar.

Im Jahr 2005 zog Toyota 160.000 seiner 2004er Prius-Hybride zurück und einige Modelle begannen im Jahr 2005 aufgrund eines Softwareproblems - Autos kamen zum Stillstand oder hielten plötzlich an. Der Zeitaufwand für die Reparatur der Software wurde auf ungefähr 90 Minuten pro Fahrzeug geschätzt - ungefähr 240.000 Arbeitsstunden. Es hat sie viel gekostet.

Erst im vergangenen Jahr gab es mehrere Autoüberprüfungen im Zusammenhang mit Softwareproblemen. Zum Beispiel zog Chrysler im Mai 2008 24.535 seiner Jeep Commanders aus dem Jahr 2006 wegen eines Problems in der Automatikgetriebesoftware zurück. Dann zog Volkswagen im Juni etwa 4.000 seiner Passats und Passat Wagons sowie etwa 2.500 Tiguans wegen eines Problems in der Software des Motorsteuergeräts zurück. Dieses Problem kann zu einem unerwarteten Anstieg der Motordrehzahl führen, wenn die Klimaanlage eingeschaltet wird. Im November rief GM 12.662 seiner 2009er Cadillac CTS-Fahrzeuge aufgrund eines Softwareproblems im Insassenerkennungssystem zurück, das den vor ihm sitzenden Beifahrerairbag deaktivieren oder aktivieren konnte, wenn er ausgeschaltet werden sollte . Dennoch lohnt es sich, den Entwicklern von Automotive-Software zu danken, da es aufgrund von Software nicht so viele Auto-Reviews gibt.

Der breitere Einsatz von Software wirkte sich nicht nur auf die Kosten der Fahrzeuggarantie aus, sondern erschwerte auch die Reparatur von Fahrzeugen. Für Versicherungsunternehmen ist es einfacher, den Totalverlust eines bei einem Unfall beschädigten Fahrzeugs zu melden, als es zu reparieren.

Es ist leicht zu verstehen, warum. "Das Premium-Auto verfügt über 2.000 bis 3.000 einzigartige Software-Funktionen", sagt Broy. Anschließend werden sie zu 250-300 Funktionen kombiniert, mit denen Fahrer und Fahrgäste die Fahrzeugsysteme steuern.

Die meisten Verkehrsflugzeuge verfügen über Firewalls zwischen geschäftskritischen Bordsystemen und Bordunterhaltungssystemen. In Autos findet im Gegensatz zu Flugzeugen eine komplexere Informationsübertragung zwischen den elektronischen Systemen zur Steuerung des Autos und den Systemen zur Unterhaltung des Fahrers und der Passagiere statt. Ein Artikel wurde an der Wharton Business School unter der Überschrift "Automobile Problems: Sollte die US-Automobilindustrie widerrufen werden?" Veröffentlicht. Vor einigen Jahren stellten einige Mercedes-Fahrer fest, dass sich der Fahrersitz verschob, als sie einen bestimmten Knopf drückten. Das Problem war, dass der Knopf das Navigationssystem steuern sollte.

Laut einem ehemaligen Automobilingenieur, mit dem ich gesprochen habe, ist etwa ein Drittel aller Software im Automobil nur für die Diagnose bestimmt. Aber trotz all dieser Diagnoseinformationen kann die Kfz-Mechanik die genaue Ursache des Problems oft nicht ermitteln.

Broy sagte mir, dass mehr als 50 Prozent der Steuergeräte, die Mechaniker in Autos ersetzen, technisch fehlerfrei sind: Sie haben weder Probleme mit der Hardware noch mit der Software. Mechaniker tauschen das Steuergerät einfach aus, weil sie das Auto sonst nicht reparieren können.

"Auto-Service-Mitarbeiter und Auto-Liebhaber in der Garage sind wirklich in einer Realität, in der die Reparatur von Autos zu kompliziert und zu teuer ist", sagt Broy. Ferndiagnose und Reparaturen können Mechaniker für viele Aufgaben überflüssig machen.

Laut Broy werden Sie in nicht allzu ferner Zukunft, wenn Sie Probleme mit dem Computersystem im Auto haben, in die Garage gehen, wo Ihr Auto mit dem Netzwerk verbunden wird. OEMs von Drittanbietern können die Daten herunterladen, die Analyse durchführen und dann den Software-Patch herunterladen.

Laut Voelcker würde es ihn nicht überraschen, wenn On-Board-Systeme wie BMW Assist, Ford Sync und GM OnStar regelmäßig Betriebsdatenparameter an zentralisierte Systeme zurücksenden, die von den Automobilherstellern gesteuert werden. Die Hersteller analysieren wiederum die Daten für Teile, die über die Spezifikation hinausgehen, oder für Software, die aktualisiert werden muss. Der Fahrer wird automatisch darüber informiert, dass das Fahrzeug zur Reparatur gebracht werden muss.

Zusätzlich zur Überwachung des Zustands ihrer inneren Teile beginnen Autos, die Welt um sie herum zu analysieren. „Wir befinden uns in einer Ära, in der wir nicht nur wissen, was im Auto vor sich geht, sondern auch mithilfe von Radargeräten die Anwesenheit externer Objekte erkennen, mithilfe von Lasern die Entfernung am Tempomat messen und mithilfe von Video und Ultraschall Objekte im Hintergrund erkennen Sie, sagt Little. „Der Trend wird sein, Informationen abzurufen, die für Ihr Auto und andere Fahrzeuge gelten. Diese Informationen werden dann zur Erhöhung der Sicherheit verwendet. Zum Beispiel teilen die Autos vor Ihnen Ihrem Auto mit, ob sich Eis auf der Autobahn befindet oder ob ein Unfall aufgetreten ist.

Little sagt: „Wir geben kleine Teile der Kontrolle gegen Sicherheit auf. Wann werden Sie und ich bereit sein zu sagen: „Gut. Ich werde kein Auto fahren, lass es mich fahren.

Über den Autor

Robert N. Charette ist ein IEEE Spectrum Editor, ein selbsternannter „Risikoökologe“, der die Auswirkungen eines sich ändernden Risikokonzepts auf Technologie und Gesellschaft untersucht. Charette schreibt auch den The Risk Factor von IEEE Spectrum Online.

Wir gehen weiter

Manfred Broy und Kollegen schrieben im Februar 2007 einen ausführlichen Artikel für die Februar-Ausgabe des Proceedings of the IEEE mit dem Titel Engineering Automotive Software . Es ist wahrscheinlich eines der besten Reviews zur Entwicklung und Verwendung von Auto-Software.

Für eine gute frühgeschichtliche Sicht auf die Verwendung von Software in Kraftfahrzeugen siehe Jonas Bereisas Artikel, veröffentlicht im Mai 1983 in IEEE Transactions in industrial electronics mit dem Titel " Applications of Microprocessors in Automotive Electronics ". Es zeigt eine interessante Chronologie vieler Mikrocomputeranwendungen, die von 1977 bis 1982 in Automobilen eingesetzt wurden.