Data Management in Certified Avionics Systems

  • Data management is a cornerstone for any kind of information system - including the aerospace and aviation sector. In contrast to conventional domains, software development in the avionics domain must adhere to a legally binding certification process, called qualification. The success of the process depends on compliance with international standards, such as DO-178: Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification. From a software developer's perspective, challenges arise in terms of methods and tools. Techniques that have a potential impact on the deterministic and predictable execution of avionics software are prohibited. The objective of this thesis' research is to develop a scalable method to realize data-management for multi-variant avionics software under the restrictions and constraints of the domain. Since avionics software faces very long-term life-cycles (up to 75 years), a particular focus is being placed on maintenance and evolution. Based on the insights gained in a semi-structured interview atData management is a cornerstone for any kind of information system - including the aerospace and aviation sector. In contrast to conventional domains, software development in the avionics domain must adhere to a legally binding certification process, called qualification. The success of the process depends on compliance with international standards, such as DO-178: Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification. From a software developer's perspective, challenges arise in terms of methods and tools. Techniques that have a potential impact on the deterministic and predictable execution of avionics software are prohibited. The objective of this thesis' research is to develop a scalable method to realize data-management for multi-variant avionics software under the restrictions and constraints of the domain. Since avionics software faces very long-term life-cycles (up to 75 years), a particular focus is being placed on maintenance and evolution. Based on the insights gained in a semi-structured interview at Airbus Helicopters, industrial established approaches to implement qualified avionics software are assessed at first and compared with respect to strengths and weaknesses for data-management afterwards. As a result, a novel development approach is proposed, combining model-based techniques and product-line technology to derive the source code of highly specific data-management variants, as well as the majority of assets required for the qualification process, from a declarative system specification. In order to demonstrate the practicability of the approach in industry, a framework is presented that is deployed and applied at Airbus Helicopters to generate qualifiable data-management components for the variants of the NH90 helicopter. The maintainability is shown by means of a domain-specific optimization, in which the model-based and generative approach is used to establish safe memory overlays at compile-time. Key findings reveal a substantially reduced memory footprint (29,1% in case of a real-world scenario), as well as an significantly facilitated implementation process, which would not be accomplishable using conventional methods for software development in the avionics domain.show moreshow less
  • Datenverwaltung ist der Grundstein für jegliche Art von Informationssystemen – so auch in der Luft- und Raumfahrt. Im Unterschied zu konventionellen Domänen unterliegt die Software für Avionik-Systeme einem gesetzlich vorgeschriebenen Zertifizierungsprozess, genannt Qualifizierung. Der Erfolg dieses Vorgangs hängt primär von der Einhaltung internationaler Sicherheitsnormen ab. Aus der Sicht eines Software-Entwicklers ergeben sich hier Herausforderungen hinsichtlich erlaubter Methoden und Werkzeuge, denn Techniken, die den deterministischen Ablauf eines Programms gefährden können, sind verboten. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein skalierbares Verfahren zu entwickeln, um eine Datenmanagement-Komponente unter Einhaltung der Sicherheitsnormen für Avionik-Systeme in mehreren Varianten nicht nur zu realisieren, sondern auch langfristig warten zu können (bis zu 75 Jahre). Basierend auf den Erkenntnissen, die durch ein semi-strukturiertes Entwickler-Interview bei Airbus Helicopters gewonnen wurden, werden industriell etablierteDatenverwaltung ist der Grundstein für jegliche Art von Informationssystemen – so auch in der Luft- und Raumfahrt. Im Unterschied zu konventionellen Domänen unterliegt die Software für Avionik-Systeme einem gesetzlich vorgeschriebenen Zertifizierungsprozess, genannt Qualifizierung. Der Erfolg dieses Vorgangs hängt primär von der Einhaltung internationaler Sicherheitsnormen ab. Aus der Sicht eines Software-Entwicklers ergeben sich hier Herausforderungen hinsichtlich erlaubter Methoden und Werkzeuge, denn Techniken, die den deterministischen Ablauf eines Programms gefährden können, sind verboten. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein skalierbares Verfahren zu entwickeln, um eine Datenmanagement-Komponente unter Einhaltung der Sicherheitsnormen für Avionik-Systeme in mehreren Varianten nicht nur zu realisieren, sondern auch langfristig warten zu können (bis zu 75 Jahre). Basierend auf den Erkenntnissen, die durch ein semi-strukturiertes Entwickler-Interview bei Airbus Helicopters gewonnen wurden, werden industriell etablierte Methoden zur Implementierung und Qualifizierung von Avionik-Software zunächst analysiert und anschließend hinsichtlich ihrer Stärken und Schwächen für Datenmanagement bewertet. Als Resultat wird ein neuartiger Ansatz vorgestellt, der durch eine Kombination aus modellbasierten Methoden und Produktlinien-Technologie, sowohl den Quellcode einer spezifischen Datenmanagement-Variante, als auch weitere Erzeugnisse, die für die Qualifizierung zu erbringen sind, aus einer deklarativen Systemspezifikation ableitet. Als Beispiel für die Praktikabilität des Verfahrens wird die Architektur einer Werkzeugkette vorgestellt, die bei Airbus eingesetzt wird, um qualifizierbare Datenmanagement-Varianten für die eingebettete Software des NH90 Helikopters zu generieren. Die Wartbarkeit wird durch eine domänenspezifische Optimierung demonstriert, die durch den modellbasierten und generativen Ansatz eine sichere Überlappung von Speicherbereichen zur Compile-Zeit ermöglicht. Zu den Ergebnissen zählen nicht nur verringerter Speicherverbrauch (29,1% in einem realen Szenario), sondern auch eine effiziente Umsetzung, die mit den etablierten Methoden zur Software-Entwicklung in der Avionik-Domäne nicht zu erreichen wäre.show moreshow less

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Metadaten
Author:Andreas Wölfl
URN:urn:nbn:de:bvb:739-opus4-5758
Advisor:Harald Kosch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Date of Publication (online):2018/09/25
Date of first Publication:2018/09/27
Publishing Institution:Universität Passau
Granting Institution:Universität Passau, Fakultät für Informatik und Mathematik
Date of final exam:2018/09/24
Release Date:2018/09/27
Pagenumber:xi, 177 Seiten
Institutes:Fakultät für Informatik und Mathematik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International