Die Automobilindustrie steht aufgrund sich wandelnder Anforderungen, strengerer Vorschriften und technologischem Fortschritt vor großen Herausforderungen. Hieraus resultierende Trends wie die Elektrifizierung, die Automatisierung und der Entfall mechanischer Verbindungen zwischen Fahrer oder Fahrerin und den Brems- und Lenksystemen (By-Wire-Systeme) erlauben verbesserte Konzepte für die zur Fahrzeugbewegung benötigten Systeme. Der Entfall mechanischer Verbindungen in automatisierten Systemen reduziert allerdings die Möglichkeiten eines menschlichen Eingriffs in Gefahrensituationen. Dies impliziert sicherheitsrelevante Verfügbarkeitsanforderungen an die beteiligten Systeme. Durch diese ergeben sich neue Freiheitsgrade, die bei der Bewertung potenzieller Systemvarianten berücksichtigt werden müssen. Um unter Einhaltung aller Anforderungen die optimalen Varianten zu identifizieren, wird in dieser Arbeit ein Konzept zur modellbasierten Analyse und ganzheitlichen Optimierung sicherheitsrelevanter Systeme vorgeschlagen. Dieses ermöglicht eine recheneffiziente Bewertung einzelner Systemvarianten und erlaubt somit auch die Variation und den Vergleich möglicher Systemtopologien und jeweils zugehöriger Sicherheitsmaßnahmen. Hierzu wird ein zweistufiger Modellierungsansatz eingeführt, der verhaltensbasierte und logische Systemelemente kombiniert. So wird eine Reduktion der Anzahl der Bewertungsdurchläufe zur Bestimmung der Auswirkungen aller Komponentenausfälle ermöglicht. Des Weiteren wird ein algebraischer Berechnungsansatz zur Analyse des stochastischen Verhaltens vorgeschlagen, um die relevanten Sicherheitskennzahlen unter Berücksichtigung beliebiger Wahrscheinlichkeitsverteilungen und des dynamischen Systemverhaltens zu ermitteln. Dieser Ansatz liefert im Gegensatz zu simulationsbasierten Verfahren genaue und reproduzierbare Ergebnisse bei vergleichsweise geringer Rechenzeit. Für die Variation möglicher Systemtopologien und Sicherheitsmaßnahmen wird ein Ansatz zur ganzheitlichen Optimierung vorgeschlagen, um anhand relevanter Leistungs- und Sicherheitskennwerte die vielversprechendsten Systemvarianten zu ermitteln. Die Anwendung des Konzepts sowie dessen Effektivität wird anhand der Optimierung eines elektrischen Antriebssystems unter Berücksichtigung funktionaler Anforderungen sowie unterschiedlicher sicherheitsrelevanter Verfügbarkeitsanforderungen demonstriert.
The automotive industry faces significant challenges due to changing requirements, stricter regulations, and technological progress. The resulting trends, such as electrification, automation, and the elimination of mechanical connections between the driver and the braking and steering systems (by-wire systems), enable enhanced concepts for systems required for vehicle movement. However, by-wire technology in automated systems reduces the possibilities for human intervention in hazardous situations. This raises safety-related availability requirements for relevant systems. These result in new degrees of freedom, which must also be considered when evaluating potential system variants. In order to identify the optimal variants satisfying all requirements, this thesis proposes a concept for the model-based analysis and holistic optimization of safety-relevant systems. It enables a computationally efficient evaluation of individual system variants and thus also allows for the variation and comparison of possible system topologies and associated safety measures. For this purpose, a two-level modeling approach combining behavioral and logical system elements is introduced. It reduces the number of evaluation runs required to determine the impact of all component failures. Furthermore, an algebraic approach is proposed for evaluating the stochastic behavior, which enables determining relevant safety metrics considering arbitrary probability distributions and dynamic system behavior. In contrast to simulation-based analysis methods, this approach provides accurate and reproducible results with comparatively low computation time. For variation of possible system topologies and safety measures, a holistic optimization approach is proposed, enabling the identification of the most promising system variants based on relevant performance and safety characteristics. The application of the concept and its effectiveness are exemplarily demonstrated by optimizing an electric powertrain system under the consideration of different functional and safety-related availability requirements.
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