La creciente complejidad y criticidad de los sistemas embebidos —sistemas especializados de cómputo con recursos limitados y diseñados para realizar tareas específicas, especialmente en sectores como la automoción, aeroespacial o energía— exige enfoques avanzados de verificación y validación (V&V) que garanticen la seguridad, fiabilidad y cumplimiento normativo de estos desarrollos.
En este contexto, la simulación X-in-the-Loop y el uso de plataformas virtuales o emuladores se han convertido en aliados estratégicos para las empresas que buscan acelerar el ciclo de desarrollo y reducir riesgos en sistemas safety-critical (sistemas críticos para la seguridad). En dichos sistemas, las consecuencias de un fallo pueden ser graves: pérdida de vidas humanas, lesiones, enfermedad, daño o pérdida de equipamiento o propiedad, o incluso daño medioambiental.
En la construcción de sistemas embebidos o embarcados, tanto el diseño y desarrollo del hardware como el del software, así como la interacción entre ambos, cobran una importancia crucial. En el ámbito del software safety-critical, los principales estándares de certificación recomiendan el desarrollo basado en modelos y el uso de herramientas que asistan al diseñador o arquitecto en el proceso de diseño, desarrollo y en la verificación y validación (V&V) del software. El objetivo, en definitiva, es garantizar el correcto funcionamiento del sistema y cumplir con los exigentes requisitos regulatorios. Precisamente, el proyecto tools4check se enfoca en avanzar en disciplinas como la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE), las técnicas de V&V y la integración hardware-software.
¿Qué es la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE)?
La ingeniería de sistemas basada en modelos, o MBSE, es una disciplina soportada por software que proporciona un enfoque digital para crear modelos y simulaciones que facilitan la comprensión del comportamiento de sistemas. MBSE permite gestionar la complejidad del desarrollo gracias a la posibilidad de trabajar con diferentes abstracciones o representaciones del problema, soportando además la creación de relaciones entre variables críticas y características de los sistemas.
Por ejemplo, en un sistema que integra componentes mecánicos, electrónicos y software, MBSE es capaz de capturar y describir las interrelaciones de estos elementos heterogéneos en un solo modelo, algo inviable sin este enfoque. La capacidad de trabajar de manera conjunta con hardware y software acelera el desarrollo de productos y hace que el diseño sea más escalable. Así, se puede modelar el motor de un coche como un sistema independiente o como un sistema completo incluyendo la transmisión de potencia, integrando todos los subsistemas en un modelo global del vehículo.
No obstante, la adopción de MBSE está siendo más lenta de lo esperado, principalmente por la falta de comprensión de sus ventajas en muchas empresas. Sin embargo, establecer una disciplina coherente en MBSE se considera clave para el éxito de la ingeniería digital, la transformación digital de las organizaciones y la creación de gemelos digitales, ya que sus modelos mejoran la precisión en la predicción del comportamiento del sistema.
MBSE está llamado a ser un componente esencial en la gestión del ciclo de vida de productos en sectores industriales de alta tecnología, pasando de ser una aplicación de nicho a una herramienta transversal en los próximos años.
Herramientas y ecosistema
Para habilitar MBSE, las empresas deberían invertir en software de modelado de sistemas, aplicaciones de gestión y captura de requisitos, herramientas de simulación y análisis. En este sentido, ITI contribuye a este ecosistema con el entorno a2k, cuyo objetivo es ayudar a los ingenieros en el modelado, caracterización, análisis y simulación y V&V de sistemas safety-critical. La finalidad de a2k es guiar a los diseñadores y desarrolladores hacia la construcción de sistemas hardware-software críticos seguros y eficientes mediante un enfoque de desarrollo dirigido por modelos.
Adicionalmente, el desarrollo basado en modelos también habilita la generación automática de código a partir de modelos de componentes. Cuando se utilizan herramientas que transforman modelos en código, la atención se desplaza del código al modelo, invirtiendo menos tiempo en detalles de implementación y más en el diseño conceptual.
Este enfoque acorta el ciclo de vida del desarrollo de productos: algunas estimaciones apuntan a una reducción del 20% en el proceso de desarrollo al usar generadores de código no calificados y hasta un 50% con generadores calificados para entornos safety-critical.
Verificación y validación con simulación X-in-the-Loop
Por otra parte, la V&V basada en el uso de simulaciones X-in-the-Loop —donde “X” puede ser Modelo, Software, Procesador o Hardware— promueve la verificación temprana, permitiendo madurar los requisitos y detectar errores antes. Esto es especialmente relevante considerando que la V&V puede consumir entre el 50% y el 70% de los recursos de software. Detectar errores anticipadamente y reducir el esfuerzo manual de verificación es fundamental para la planificación y el presupuesto de los proyectos.
La V&V no es una tarea puntual, sino un proceso iterativo que se desarrolla a lo largo de todo el ciclo de vida del sistema, siguiendo modelos como el ciclo en V. Estas actividades buscan asegurar que el sistema opere de manera segura en el entorno previsto y bajo todas las circunstancias posibles, lo que implica probarlo en condiciones realistas para verificar su rendimiento y seguridad.
Sin embargo, conseguir condiciones realistas del entorno final en el que se desenvolverá el sistema puede resultar complejo, y muchas veces imposible, si se tiene en cuenta, además, que el hardware final suele estar disponible solo en fases avanzadas. Por eso, los enfoques de V&V basados en simulación X-in-the-Loop permiten testear sistemas complejos durante todo el desarrollo, utilizando entornos y componentes virtuales que representan condiciones reales, como pueden ser emuladores de plataformas embebidas tipo QEMU o RENODE.
A medida que el desarrollo del sistema avanza, los componentes virtuales se sustituyen progresivamente por plataformas reales, de modo que cuando se llega a la plataforma final, la V&V ya está madura y los esfuerzos y costes se reducen notablemente. Adicionalmente, la agilidad de estas actividades también puede aumentarse mediante la integración de estos procesos con mecanismos de integración continua (CI), los cuales encajan con el uso de hardware virtual —simuladores y emuladores— así como de sistemas embebidos reales.
Durante las actividades de V&V, es necesario monitorizar el comportamiento temporal y funcional de los componentes bajo prueba para comprobar que se cumplen las restricciones de diseño. Esta monitorización puede realizarse mediante la instrumentación del código para generar trazas de ejecución, un método invasivo que puede afectar al comportamiento del sistema, aunque útil en etapas tempranas.
Alternativamente, se puede monitorizar el flujo de ejecución mediante la captura de trazas directamente del procesador, una técnica menos invasiva que se realiza sin interferir en la ejecución del sistema bajo prueba, ya que no requiere modificaciones del código software, aunque sí hardware especializado, y que aporta resultados más fieles. Esto resulta especialmente útil en fases avanzadas con el hardware final real.
Reflexión final
El desarrollo de sistemas hardware-software en entornos safety-critical es complejo y el mercado exige a los diseñadores reducir costes y tiempos, maximizar la reutilización de componentes y cumplir con los estándares de certificación.
El desarrollo dirigido por modelos, como el que impulsa la herramienta a2k, es un paradigma idóneo para afrontar estos retos, ya que permite agilizar el desarrollo y certificación de productos mediante la generación automática de código e informes, la detección anticipada de errores, la rápida adaptación a cambios del mercado y la reducción del esfuerzo de V&V gracias a entornos virtuales, simulaciones y monitorización no invasiva que proporciona resultados más fiables, representando, por tanto, este paradigma una evolución necesaria para las empresas que desarrollan sistemas embebidos críticos.
