안전중시 시스템의 모델기반 설계에서 메타모델을 활용한 기능 고장의 탐지 및 안전 요구사항 검증 Detection of Functional Failure and Verification of Safety Requirements Using Meta-Models in the Model-Based Design of Safety-Critical Systems원문보기
사용자의 요구사항 증대와 기술의 발전으로 인해 현대 시스템은 계속해서 복잡해지고 있어 시스템 설계 오류 및 고장 등으로 인한 시스템 운용 중의 사고도 빈번해지고 있다. 특히 사고로 인한 인적 및 물적 피해가 심각할 수 있는 시스템을 안전중시 시스템이라고 부른다. 이러한 시스템에 대해서는 안전성을 확보하기 위한 특별한 노력이 필요한데 이에 부응하여 본 논문에서는 개발 초기 단계부터 안전성을 반영하면서 시스템 설계를 수행할 수 있는 방법을 연구하였다. 특히 안전 메타모델을 활용해서 기능의 고장 탐지를 수행할 수 있는 시스템 설계 방법을 제시하였다. 구체적으로 국제 안전 표준들을 참고하여 안전 데이터를 추출하고, 시스템 모델링 표준 언어인 SysML을 이용하여 안전 데이터 메타모델을 생성한 후, 시스템 설계에서 안전 데이터 메타모델을 효과적으로 활용하는 모델 기반 안전 시스템 설계 방법을 제시하였고, 이를 기반으로 안전요구사항 생성 및 시뮬레이션 방법에 관하여 논의하였다. 마지막으로 사례연구로서 자동차 시스템 설계에서 SysML 기반 모델링 및 시뮬레이션을 통해 기능 고장의 탐지나 안전 요구사항의 검증이 가능한 것을 보여 주었다. 본 연구에서 안전 데이터에 대한 메타모델의 활용을 통해 안전 데이터 및 정보의 구성 및 관리를 효율적으로 수행할 수 있는 것과, 메타모델 기반 시스템 설계와 시뮬레이션을 활용하여 설계 오류를 줄임으로써 요구사항에 맞는 시스템 설계를 할 수 있음을 제시하였다.
사용자의 요구사항 증대와 기술의 발전으로 인해 현대 시스템은 계속해서 복잡해지고 있어 시스템 설계 오류 및 고장 등으로 인한 시스템 운용 중의 사고도 빈번해지고 있다. 특히 사고로 인한 인적 및 물적 피해가 심각할 수 있는 시스템을 안전중시 시스템이라고 부른다. 이러한 시스템에 대해서는 안전성을 확보하기 위한 특별한 노력이 필요한데 이에 부응하여 본 논문에서는 개발 초기 단계부터 안전성을 반영하면서 시스템 설계를 수행할 수 있는 방법을 연구하였다. 특히 안전 메타모델을 활용해서 기능의 고장 탐지를 수행할 수 있는 시스템 설계 방법을 제시하였다. 구체적으로 국제 안전 표준들을 참고하여 안전 데이터를 추출하고, 시스템 모델링 표준 언어인 SysML을 이용하여 안전 데이터 메타모델을 생성한 후, 시스템 설계에서 안전 데이터 메타모델을 효과적으로 활용하는 모델 기반 안전 시스템 설계 방법을 제시하였고, 이를 기반으로 안전요구사항 생성 및 시뮬레이션 방법에 관하여 논의하였다. 마지막으로 사례연구로서 자동차 시스템 설계에서 SysML 기반 모델링 및 시뮬레이션을 통해 기능 고장의 탐지나 안전 요구사항의 검증이 가능한 것을 보여 주었다. 본 연구에서 안전 데이터에 대한 메타모델의 활용을 통해 안전 데이터 및 정보의 구성 및 관리를 효율적으로 수행할 수 있는 것과, 메타모델 기반 시스템 설계와 시뮬레이션을 활용하여 설계 오류를 줄임으로써 요구사항에 맞는 시스템 설계를 할 수 있음을 제시하였다.
Modern systems have become more and more complex due to the ever-increasing user requirements and rapid advance of technology. As such, the frequency of accidents due to system design errors or failure has been increasing. When the damage incurred by accidents to human beings or property is serious,...
Modern systems have become more and more complex due to the ever-increasing user requirements and rapid advance of technology. As such, the frequency of accidents due to system design errors or failure has been increasing. When the damage incurred by accidents to human beings or property is serious, the underlying systems are referred to as safety-critical systems. The development of such systems requires special efforts to ensure the safety of the human beings operating them. To cope with such a requirement, in this paper an approach is employed in which we consider safety starting from the conceptual design phase of the systems. Specifically, a systems design method that can detect functional failure is proposed by utilizing meta-models and M&S methods. To accomplish this, the safety design data from international safety standards are first extracted and also a meta-model is generated using SysML (systems modeling language). Then, a SysML-based system design method is proposed based on the use of the developed meta-model. We also discuss how the safety requirements can be created and verified using a simulation method. Finally, through a case study in automotive design, it is demonstrated that the detection of a functional failure and the verification of a safety requirement can be accomplished using the SysML-based M&S method. This study indicates that the use of meta-models can be useful for collecting and managing safety data and that the meta-model based M&S method can make it possible to satisfy the system requirements by reducing the design errors.
Modern systems have become more and more complex due to the ever-increasing user requirements and rapid advance of technology. As such, the frequency of accidents due to system design errors or failure has been increasing. When the damage incurred by accidents to human beings or property is serious, the underlying systems are referred to as safety-critical systems. The development of such systems requires special efforts to ensure the safety of the human beings operating them. To cope with such a requirement, in this paper an approach is employed in which we consider safety starting from the conceptual design phase of the systems. Specifically, a systems design method that can detect functional failure is proposed by utilizing meta-models and M&S methods. To accomplish this, the safety design data from international safety standards are first extracted and also a meta-model is generated using SysML (systems modeling language). Then, a SysML-based system design method is proposed based on the use of the developed meta-model. We also discuss how the safety requirements can be created and verified using a simulation method. Finally, through a case study in automotive design, it is demonstrated that the detection of a functional failure and the verification of a safety requirement can be accomplished using the SysML-based M&S method. This study indicates that the use of meta-models can be useful for collecting and managing safety data and that the meta-model based M&S method can make it possible to satisfy the system requirements by reducing the design errors.
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문제 정의
특히, 메타모델에 관한 기존 연구들은 정의나 구성에 초점이 맞춰져 있는데, 본 논문에서는 메타모델을 활용한 안전 시스템 설계에 초점을 맞추려고 한다. 구체적으로, 안전 데이터 메타모델을 SysML로 생성하고 SysML기반 안전 시스템 설계에 활용하는 방법을 연구한다. 게다가 시스템의 고장 모드 탐지 및 요구사항 검증을 위한 SysML기반 시뮬레이션 기법도 제시한다.
메타모델에 대한 선행연구들은 메타모델을 정의하고 모델로 표현하는 것을 중심으로 진행한 연구가 대부분이다. 그렇기 때문에 본 논문에서는 메타모델을 활용한 모델기반 설계를 통해서 안전 요구사항에 맞는 시스템 설계를 체계적으로 수행하고 검증하는 것을 연구 목표로 설정하였다. 연구 목표를 달성하기 위해 먼저 안전 데이터 메타모델을 SysML 프로파일 모델로 모델링한다.
본 연구에서는 모델기반 설계방법을 보다 효율적이고 체계적으로 사용하기 위한 방안으로 메타모델을 활용하는 방법을 제시하였다. 특히, 안전이 중요시되고 있는 만큼 안전 데이터 메타모델을 생성하고 활용하기 위해서 자동차 엔진 시스템의 모델기반 설계에 적용해보았다.
제안 방법
연구 목표를 달성하기 위해 먼저 안전 데이터 메타모델을 SysML 프로파일 모델로 모델링한다. 그리고 안전 요구사항으로부터 메타모델을 활용한 SysML기반 설계를 수행한다. 또한 생성된 SysML 모델들로 시뮬레이션 수행을 통해 기능의 고장모드 탐지 및 안전 요구사항 검증에 대해 연구한다.
그리고 안전 요구사항으로부터 메타모델을 활용한 SysML기반 설계를 수행한다. 또한 생성된 SysML 모델들로 시뮬레이션 수행을 통해 기능의 고장모드 탐지 및 안전 요구사항 검증에 대해 연구한다.
먼저 Safety Profile BDD를 생성한 다음 Safety Profile을 모델링하고 안전 데이터 메타모델을 관리할 SAF(Safety Assurance Framework)와 2장에서 제시한 안전 데이터 7가지 구성요소를 Stereotype으로 모델링한다. 다음으로 SAF에 Class를 Meta-class로 설정한다.
이렇게 모델링 된 안전 요구사항은 일반 요구사항과 구별되기 때문에 식별하기가 쉽고 이를 바탕으로 모델기반 설계 또한 체계적으로 할 수 있다. 안전 요구사항에서 분해된 안전 기능에 대한 요구사항을 거동 다이어그램을 이용해서 표현할 때 안전 데이터 메타모델에서 제시한 Safety Activity Stereotype을 활용할 수 있고 이 때 발생되는 구체적인 데이터 요소를 Safety Artefact Stereotype을 이용해서 표현할 수 있다. 즉, 안전 기능은 기능의 흐름과 기능에서 사용될 데이터 요소들을 함께 표현하는 것임을 알 수 있다.
게다가 시스템의 고장 모드 탐지 및 요구사항 검증을 위한 SysML기반 시뮬레이션 기법도 제시한다. 연구 결과들을 자동차 시스템의 안전설계에 적용함으로써 안전 요구사항으로부터 안전 시스템을 체계적으로 설계하는 방법을 평가한다.
그렇기 때문에 본 논문에서는 메타모델을 활용한 모델기반 설계를 통해서 안전 요구사항에 맞는 시스템 설계를 체계적으로 수행하고 검증하는 것을 연구 목표로 설정하였다. 연구 목표를 달성하기 위해 먼저 안전 데이터 메타모델을 SysML 프로파일 모델로 모델링한다. 그리고 안전 요구사항으로부터 메타모델을 활용한 SysML기반 설계를 수행한다.
특히, 메타모델에 관한 기존 연구들은 정의나 구성에 초점이 맞춰져 있는데, 본 논문에서는 메타모델을 활용한 안전 시스템 설계에 초점을 맞추려고 한다. 구체적으로, 안전 데이터 메타모델을 SysML로 생성하고 SysML기반 안전 시스템 설계에 활용하는 방법을 연구한다.
본 연구에서는 모델기반 설계방법을 보다 효율적이고 체계적으로 사용하기 위한 방안으로 메타모델을 활용하는 방법을 제시하였다. 특히, 안전이 중요시되고 있는 만큼 안전 데이터 메타모델을 생성하고 활용하기 위해서 자동차 엔진 시스템의 모델기반 설계에 적용해보았다. 그 결과 모델기반설계에서 안전 요소의 구성 및 식별을 확인 할 수 있었으며 모델 기반의 시뮬레이션을 통해 안전 요구사항을 검증할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
본 논문의 구성은 제1장 서론에 이어 제2장에서는 메타모델에 관한 선행연구 분석을 하고, 제3장에서는 메타모델을 활용한 SysML기반 안전 시스템 설계에 대해 기술하였다. 제4장에서는 제3장에서 제시한 방법을 자동차 시스템 설계 사례에 적용하였다. 마지막으로 제5장에서는 결론을 기술하였다.
성능/효과
특히, 안전이 중요시되고 있는 만큼 안전 데이터 메타모델을 생성하고 활용하기 위해서 자동차 엔진 시스템의 모델기반 설계에 적용해보았다. 그 결과 모델기반설계에서 안전 요소의 구성 및 식별을 확인 할 수 있었으며 모델 기반의 시뮬레이션을 통해 안전 요구사항을 검증할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
그래프에서 보면 기어가 1단인 경우에는 엔진에서 발생되는 토크의 최소 양이 1500을 넘어야 한다. 엔진 1 파란색 선은 토크 발생량이 70%이하로 떨어지면 문제가 발생하는 것을, 엔진 3 초록색 선은 75%이하로 떨어지면 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 엔진 2 빨간색 선은 엔진의 토크 발생량이 80%까지 떨어져도 최대 토크 양에는 문제가 없는 것을 확인 할 수 있으며 45%이하로 떨어지면 문제가 발생하는 것을 확인 할 수 있다.
엔진 1 파란색 선은 토크 발생량이 70%이하로 떨어지면 문제가 발생하는 것을, 엔진 3 초록색 선은 75%이하로 떨어지면 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 엔진 2 빨간색 선은 엔진의 토크 발생량이 80%까지 떨어져도 최대 토크 양에는 문제가 없는 것을 확인 할 수 있으며 45%이하로 떨어지면 문제가 발생하는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
본 논문에서는 안전 데이터에 관한 메타모델만 정의했지만 향후에는 일반적인 시스템 설계에 대한 메타모델이나 특정 도메인에도 메타모델을 적용해 범위를 확장시켜 사용할 수 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시스템 설계 오류 및 고장으로 인한 시스템 운용 사고가 빈번해진 사회적 배경은?
사용자의 요구사항 증대와 기술의 발전으로 인해 현대 시스템은 계속해서 복잡해지고 있어 시스템 설계 오류 및 고장 등으로 인한 시스템 운용 중의 사고도 빈번해지고 있다. 특히 사고로 인한 인적 및 물적 피해가 심각할 수 있는 시스템을 안전중시 시스템이라고 부른다.
안전중시 시스템은 무엇인가?
사용자의 요구사항 증대와 기술의 발전으로 인해 현대 시스템은 계속해서 복잡해지고 있어 시스템 설계 오류 및 고장 등으로 인한 시스템 운용 중의 사고도 빈번해지고 있다. 특히 사고로 인한 인적 및 물적 피해가 심각할 수 있는 시스템을 안전중시 시스템이라고 부른다. 이러한 시스템에 대해서는 안전성을 확보하기 위한 특별한 노력이 필요한데 이에 부응하여 본 논문에서는 개발 초기 단계부터 안전성을 반영하면서 시스템 설계를 수행할 수 있는 방법을 연구하였다.
기존 모델 기반 메타모델을 활용하는 방법의 장점은?
기존 모델기반 설계 방법에서 메타모델을 활용하면 다양한 장점이 있는데 그 첫 번째로 모델기반 설계에 시작하기 전에 시스템 설계에서 필요한 요소들을 미리 확인할 수 있고, 두 번째로 시스템 프로세스에 단계별로 알맞게 적용을 해서 추적성 확보 및 효율적인 설계 데이터를 구성을 할 수 있다. 세 번째로 설계가 진행됨에 따라 복잡성이 증가해도 필요한 요소를 식별하는데 문제가 없다. 마지막으로 한번 정의가 잘 된 메타모델을 다른 모델기반 설계에서도 재사용을 할 수 있다는 점이다.
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