SysML 기반 모델링 및 시뮬레이션 기법을 통한 기능안전 설계 대안들의 평가 및 결정 방법 Evaluation and Determination of System Design Alternatives Utilizing a SysML-Based M&S Method for Achieving Functional Safety원문보기
철도, 자동차, 항공 등의 시스템에서는 시스템의 고장이 사고로 이어져 심각한 인명피해와 경제적 손실로 직결되는 경우가 많기 때문에 시스템 안전의 확보가 매우 중요하다. 기존 연구들에서는 구성품 수준의 정보를 활용해서 고장 분석 및 안전조치를 도출하고 이를 통해 고장이 발생했을 때 피해를 경감시키기 위한 안전설계가 주로 수행되었다. 그러나 기능안전 개념에 의한 설계는 위험원 식별 및 평가 그리고 안전기능을 생성한 후 안전 설계를 통해 안전 목표를 달성하고자 하는 것이다. 따라서 시스템의 기능수준에서 고장의 현재 빈도를 수용 가능한 목표수준으로 빈도를 낮출 수 있는 안전기능을 결정하고 이를 설계에 반영하기 위한 방법에 대한 연구가 필요하다. 이를 달성하기 위하여 본 연구에서는 먼저 시스템모델링 언어인 SysML을 활용하여 안전기능 들에 대해 고장빈도를 반영하기 위한 고장 모델링 방법을 연구하였다. 그리고 나서 생성된 SysML 고장모델 대안들의 시뮬레이션을 통해 각 안전기능 들이 달성할 수 있는 고장빈도의 감축능력을 평가해서 안전목표를 충족하는 대안을 결정하는 방법을 제시하였다. 사례 연구로서 대표적인 안전중시 시스템인 철도신호시스템에 적용하여 유용성을 확인하였다. 철도신호시스템의 안전기능 형태의 설계 대안들에 대해 안전 목표를 충족하는 지를 M&S를 통해 비교평가 하였다. 본 연구의 결과는 시스템의 개념설계 단계에서부터 적용 가능한 방법으로 안전기능을 수행하기 위한 다양한 설계대안 들 중에서 적절한 것을 선택함으로써 안전 목표를 충족하는 시스템의 안전 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
철도, 자동차, 항공 등의 시스템에서는 시스템의 고장이 사고로 이어져 심각한 인명피해와 경제적 손실로 직결되는 경우가 많기 때문에 시스템 안전의 확보가 매우 중요하다. 기존 연구들에서는 구성품 수준의 정보를 활용해서 고장 분석 및 안전조치를 도출하고 이를 통해 고장이 발생했을 때 피해를 경감시키기 위한 안전설계가 주로 수행되었다. 그러나 기능안전 개념에 의한 설계는 위험원 식별 및 평가 그리고 안전기능을 생성한 후 안전 설계를 통해 안전 목표를 달성하고자 하는 것이다. 따라서 시스템의 기능수준에서 고장의 현재 빈도를 수용 가능한 목표수준으로 빈도를 낮출 수 있는 안전기능을 결정하고 이를 설계에 반영하기 위한 방법에 대한 연구가 필요하다. 이를 달성하기 위하여 본 연구에서는 먼저 시스템모델링 언어인 SysML을 활용하여 안전기능 들에 대해 고장빈도를 반영하기 위한 고장 모델링 방법을 연구하였다. 그리고 나서 생성된 SysML 고장모델 대안들의 시뮬레이션을 통해 각 안전기능 들이 달성할 수 있는 고장빈도의 감축능력을 평가해서 안전목표를 충족하는 대안을 결정하는 방법을 제시하였다. 사례 연구로서 대표적인 안전중시 시스템인 철도신호시스템에 적용하여 유용성을 확인하였다. 철도신호시스템의 안전기능 형태의 설계 대안들에 대해 안전 목표를 충족하는 지를 M&S를 통해 비교평가 하였다. 본 연구의 결과는 시스템의 개념설계 단계에서부터 적용 가능한 방법으로 안전기능을 수행하기 위한 다양한 설계대안 들 중에서 적절한 것을 선택함으로써 안전 목표를 충족하는 시스템의 안전 설계에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
In systems such as railways, automobiles, and airplanes, system malfunctions may lead to accidents, which often cause serious personal injury and economic loss. In previous studies, failure analysis has been performed, and safety measures derived using the component level information to reduce damag...
In systems such as railways, automobiles, and airplanes, system malfunctions may lead to accidents, which often cause serious personal injury and economic loss. In previous studies, failure analysis has been performed, and safety measures derived using the component level information to reduce damage when a failure occurs. However, in functional safety concept, a focus is placed on lowering the frequency of occurrence of failures by performing risks analysis, setting up safety goals, and designing safety functions. Therefore, it is necessary to study how to determine the required safety function that can reduce the failure frequency to the acceptable level. To achieve this, we first studied a failure modeling method using SysML. It was then presented how several alternatives can be assessed to determine the desired safety function by simulating the generated SysML failure models and calculating the ability to reduce the failure frequency. A case study of a railway signaling system was done, demonstrating the effectiveness of the approach. We assessed whether the safety objectives were met for the alternative design of the railway signaling system through M & S. The results can be useful in that it can be applied from the early design phase and allow to choose the appropriate safety function that satisfies safety objectives among various design alternatives.
In systems such as railways, automobiles, and airplanes, system malfunctions may lead to accidents, which often cause serious personal injury and economic loss. In previous studies, failure analysis has been performed, and safety measures derived using the component level information to reduce damage when a failure occurs. However, in functional safety concept, a focus is placed on lowering the frequency of occurrence of failures by performing risks analysis, setting up safety goals, and designing safety functions. Therefore, it is necessary to study how to determine the required safety function that can reduce the failure frequency to the acceptable level. To achieve this, we first studied a failure modeling method using SysML. It was then presented how several alternatives can be assessed to determine the desired safety function by simulating the generated SysML failure models and calculating the ability to reduce the failure frequency. A case study of a railway signaling system was done, demonstrating the effectiveness of the approach. We assessed whether the safety objectives were met for the alternative design of the railway signaling system through M & S. The results can be useful in that it can be applied from the early design phase and allow to choose the appropriate safety function that satisfies safety objectives among various design alternatives.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
선행연구 분석을 통해 기존의 구성품 중심으로 수행되던 설계대안 평가를 기능수준에서 수행해야 할 필요성과 이에 대한 수행방법의 필요성이 인지되었다. 따라서 본 논문에서는 기능 수준에서 기능모델 및 시뮬레이션을 통해 설계 대안을 비교 평가하는 방법을 제안하는 것을 목표로 한다.
따라서 본 논문에서는 기능 수준에서는 다양한 안전기능을 식별하고 이것이 구성품 수준에서 구현이 되었을 때 안전 목표를 충족하는지를 평가하는 방법을 M&S 기반으로 제안하였다.
따라서 안전기능을 어떤 형태로 결정하느냐에 따라 대상 시스템의 리스크 감소 정도가 결정된다. 본 논문에서는 Activity Diagram 상에 다양한 안전기능을 반영하여 각각에 대해 리스크를 시뮬레이션을 통해 평가하였다. 이를 통해 가장 고장빈도를 줄일 수있는 안전기능을 결정 할 수 있다.
기존에는 안전조치도 구성품 수준에서 적용되던 방법이고 리스크의 평가도 구성품 수준을 중심으로 이뤄졌다. 본 논문에서는 기능 수준에서 안전기능의 형태로 안전 조치를 식별하고 이에 대한 리스크 평가도 기능 수준에서 수행한다. 그리고 안전기능이 구성품 수준의 설계에 반영되면 이때는 비용, 성능 등의 평가를 수행하여 적절한 설계 대안을 결정할 수 있을 것이다.
본 논문에서는 신호시스템에서 가장 핵심 기능 중에 하나인 데이터 전송기능에 대하여 열차의 출발 상황에서 위험원 분석을 수행하였다. Fig.
본 논문의 연구 목표는 기존에 구성품 수준에서의 안전 분석 및 안전조치의 결정이 이뤄지던 것을 기능수준에서 안전 분석 및 안전 목표를 충족하는 안전기능을 결정하기 위한 방법을 제시하는 것이다. 이를 위해 도출한 연구결과는 첫째, SysML을 활용한 대상 시스템의 모델링 방법을 제안하였다.
제안 방법
SysML모델링을 통해 대상 시스템의 구조, 거동, 인터페이스의 분석이 가능하다. Fig. 4와 같이 Block Definition Diagram(이하 BDD)을 통해 대상 시스템, 기능, 구성품에 대한 구조를 분석 한다. Activity Diagram을 통해서는 기능의 거동을 분석 한다.
7과 같다. Fig. 7과 같이 철도신호시스템의 기능, 물리적 구조에 대해 BDD를 통해 분석하였다. 기능적으로 열차의 제어와 운행정보를 관리하는 기능을 최상위 기능으로 한 하부 기능들을 도출하였다.
SysML기반의 시스템 모델링, 안전조치가 반영된 설계대안의 생성, 대안들을 SysML 시뮬레이션을 통한 빈도측면의 리스크 평가 등을 수행하는 방법을 제안하는 것이 본 논문의 연구 범위이다.
또한 기능고장에 대한 안전기능을 식별하였을 때 Activity Diagram상에서 어떤 형태로 안전기능이 작동하는지를 미리 분석하여 결정해야 한다. 그 후 안전기능 반영 전후의 Activity Diagram을 시뮬레이션하여 반영 전후의 고장 발생 빈도를 평가한다. 이를 통해 여러 설계 대안들에 대한 비교 평가가 가능하다.
이때의 두 가지 안전 조치는 밸브의 형태로 안전 기능을 식별하여 도출한 것이 아닌 사고 발생 시 피해를 최소화하기 위한 safety device로써 밸브를 두 가지 형태로 설계에 반영하였다. 그리고 이 두 가지 설계에 대해 리스크 및 생산량을 평가하여 리스크 감소와, 생산량 측면에서 더 이득이 있는 설계 대안을 결정하는 방법을 제안하였다.
Activity Diagram을 통해서는 기능의 거동을 분석 한다. 기능들의 수행 순서, 기능간의 인터페이스의 분석을 수행한다.
위험원 평가 및 안전기능의 식별 단계에서는 Activity Diagram기반의 거동분석을 활용한다. 기능에 대한 위험원을 식별 한 후 하나의 기능의 고장이 다른 어떤 기능에 영향을 미치는지를 거동분석 결과를 활용하여 식별한다. 또한 기능고장에 대한 안전기능을 식별하였을 때 Activity Diagram상에서 어떤 형태로 안전기능이 작동하는지를 미리 분석하여 결정해야 한다.
7과 같이 철도신호시스템의 기능, 물리적 구조에 대해 BDD를 통해 분석하였다. 기능적으로 열차의 제어와 운행정보를 관리하는 기능을 최상위 기능으로 한 하부 기능들을 도출하였다. 물리적으로는 지상, 차상, 정거장, 관제 부를 서브시스템으로 하여 물리적 구성에 대해 도출하였다.
열차의 위치정보와 속도정보를 선, 후행 열차 및 관제부와 주고받으며 열차의 적정한 속도 및 열차 간 간격을 제어하는 데 중요한 역할을 한다. 데이터 전송과 관련된 위험원들 중 본 논문에서는 잘못된 열차 제한속도 정보전송과 관련한 안전기능을 반영하였다. 잘못된 열차제한속도가 전송될 경우 열차의 속도가 제어에 오류가 발생하여 열차의 탈선 및 충돌을 유발할 수 있다.
이를 통해 기능 수준에서 안전 분석에 필요한 설계정보들을 SysML모델을 통해 제공하였으며, 이를 활용하여 안전 분석을 수행하기 위한 SysML모델과 안전 분석 활동 간의 연계성에 대해 제시하였다. 둘째, 기능수준에서 안전기능이 도출되었을 때, 안전 목표를 충족하는지 평가하기 위한 방법을 제안하였다. 이를 위해 SysML기반의 거동모델을 생성하고, 안전기능 반영전후의 고장 발생빈도를 시뮬레이션을 통해 평가하는 방법을 제시하였다.
기능적으로 열차의 제어와 운행정보를 관리하는 기능을 최상위 기능으로 한 하부 기능들을 도출하였다. 물리적으로는 지상, 차상, 정거장, 관제 부를 서브시스템으로 하여 물리적 구성에 대해 도출하였다. 식별한 기능들에 대하여 위험원 분석을 수행하게 된다.
이와 같이 안전기능이 식별되고 대상 기능과 안전기능의 고장 빈도가 결정되면 목표빈도를 충족하는 지 여부를 반복적인 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다. 본 논문에서 제시한 방법을 통해 구성품수준에서 상세한 설계정보가 확보되기 전에 기능 수준에서 안전기능의 형태로 안전 조치를 식별하여 비교 평가를 수행하였다. 이를 설계에 반영하여 구현함으로써 안전 목표를 충족하는 설계를 수행할 수 있다.
대상 시스템의 설계 정보를 기반으로 기능, 구성품 수준의 모델링 수행하여 대상 시스템의 안전 분석을 수행하는 정보로 활용한다. 본 논문에서는 대표적인 시스템 모델링 언어인 SysML을 활용하여 대상 시스템을 모델링한다. Fig.
이것을 기존의 데이터 전송기능에 연결하였을 때 목표 고장빈도=기존의 고장빈도*안전기능의 고장빈도로 평가된다. 시뮬레이션에서는 반복적으로 거동이 수행되면서 목표 고장빈도를 지속적으로 평가하여 값을 도출하 였다. 그 결과 안전기능1이 목표로 하는 0.
신호시스템의 안전 분석을 수행하기 위한 SysML모델링을 수행하였다. 모델링을 수행한 결과는 Fig.
중앙과 우측은 전송오류의 빈도를 줄이기 위한 안전기능이 반영되어 추가 분기가 반영된 모델이다. 안전기능1은 출발 전 입력되어 있던 제한속도 프로필의 값과 전송받은 제한속도 값을 비교하여 재전송하는 기능, 안전기능2는 동시에 두 개의 제한속도 값을 전송하는 기능을 도출하였다. 안전기능1의 경우 0.
위의 절차에 따른 설계 대안을 평가하는데 SysML기반의 M&S를 활용하는 방법을 본 논문에서 제안한다.
둘째, 기능수준에서 안전기능이 도출되었을 때, 안전 목표를 충족하는지 평가하기 위한 방법을 제안하였다. 이를 위해 SysML기반의 거동모델을 생성하고, 안전기능 반영전후의 고장 발생빈도를 시뮬레이션을 통해 평가하는 방법을 제시하였다. 이를 통한 기대효과는 고장 발생 후의 피해를 경감시키는 것이 아닌 고장의 발생빈도 자체를 낮추기 위한 안전기능을 결정하는데 있어, 기능수준의 설계정보를 활용한 M&S를 통해 안전기능들이 안전 목표를 충족하는지를 평가할 수 있다는 것이다.
본 논문의 연구 목표는 기존에 구성품 수준에서의 안전 분석 및 안전조치의 결정이 이뤄지던 것을 기능수준에서 안전 분석 및 안전 목표를 충족하는 안전기능을 결정하기 위한 방법을 제시하는 것이다. 이를 위해 도출한 연구결과는 첫째, SysML을 활용한 대상 시스템의 모델링 방법을 제안하였다. 이를 통해 기능 수준에서 안전 분석에 필요한 설계정보들을 SysML모델을 통해 제공하였으며, 이를 활용하여 안전 분석을 수행하기 위한 SysML모델과 안전 분석 활동 간의 연계성에 대해 제시하였다.
이를 위해 도출한 연구결과는 첫째, SysML을 활용한 대상 시스템의 모델링 방법을 제안하였다. 이를 통해 기능 수준에서 안전 분석에 필요한 설계정보들을 SysML모델을 통해 제공하였으며, 이를 활용하여 안전 분석을 수행하기 위한 SysML모델과 안전 분석 활동 간의 연계성에 대해 제시하였다. 둘째, 기능수준에서 안전기능이 도출되었을 때, 안전 목표를 충족하는지 평가하기 위한 방법을 제안하였다.
Kurtoglu 등[12]은 전력시스템의 일부 서브시스템에 대하여 리스크를 경감하는 두 가지의 설계 대안을 도출하여 서로 비교 평가하는 방법을 제안하였다. 전력시스템의 구성품수준의 설계정보를 활용하여 구성품수준에서 안전조치가 반영되었을 때 리스크가 경감되는 것을 비교 평가하는 방법을 제안하였다.
대상 데이터
먼저 대상 시스템에 존재하고 있는 위험원을 식별한다. 그 후 식별된 위험원에 대한 리스크를 평가하여 리스크 관리가 필요한 위험원들을 선정한다. 그 후 관리가 필요한 위험원들에 대한 리스크 경감 대책을 수립한다.
이론/모형
하지만 대부분 물리적 구성품 수준에서 적용 가능한 안전조치들을 통해 설계 대안들이 생성되었다. 따라서 안전조치에 의한 리스크의 경감을 비교 평가하는 것도 구성품 수준에서의 모델링과 시뮬레이션을 활용하여 수행되었다. 이는 2.
위험원 평가 및 안전기능의 식별 단계에서는 Activity Diagram기반의 거동분석을 활용한다. 기능에 대한 위험원을 식별 한 후 하나의 기능의 고장이 다른 어떤 기능에 영향을 미치는지를 거동분석 결과를 활용하여 식별한다.
후속연구
본 논문에서는 기능 수준에서 안전기능의 형태로 안전 조치를 식별하고 이에 대한 리스크 평가도 기능 수준에서 수행한다. 그리고 안전기능이 구성품 수준의 설계에 반영되면 이때는 비용, 성능 등의 평가를 수행하여 적절한 설계 대안을 결정할 수 있을 것이다.
위험원 식별 단계에서 위험원 식별의 대상을 BDD에서 결정한다. 또한 BDD를 통해 확보한 기능, 구성품들의 계층구조는 위험원 분석을 수행할 때 상, 하위 계층 간의 연계성에 관한 정보를 제공해준다. 하위 구성요소의 위험원이 시스템 수준까지 어떻게 영향을 미치는지에 대해 계층구조를 활용하여 분석을 수행해야 한다.
기능에 대한 위험원을 식별 한 후 하나의 기능의 고장이 다른 어떤 기능에 영향을 미치는지를 거동분석 결과를 활용하여 식별한다. 또한 기능고장에 대한 안전기능을 식별하였을 때 Activity Diagram상에서 어떤 형태로 안전기능이 작동하는지를 미리 분석하여 결정해야 한다. 그 후 안전기능 반영 전후의 Activity Diagram을 시뮬레이션하여 반영 전후의 고장 발생 빈도를 평가한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
active safety와 passive safety의 특징은?
이는 고장의 빈도를 줄이는 것이 아닌 고장이 발생했을 때 피해를 줄이는 형태이다. 최근의 안전은 active safety라 하여 고장의 발생빈도 자체를 줄이는 방향으로 안전을 확보한다. 고장의 피해를 줄이는 것은 passive safety라 화여 과거에 주로 활용되던 안전확보 방법이다. 따라서 기존의 구성품 수준에서 안전조치를 결정하고 이를 반영한 모델을 만들어 설계 대안들을 비교하는 것은 과거의 passive safety를 충족시키는 형태라 할 수 있다.
안전을 고려한 설계 대안은 대부분 어떤 형태인가?
이와 같이 안전을 고려한 설계대안 평가방법이 연구되고 있지만 이때 설계 대안들을 생성하는 안전조치는 대부분 safety device를 부착하는 형태이다. 구성품수준에서 적용되는 안전조치들이라 할 수 있다.
기능안전 표준 절차를 따르는 시스템이 설계단계부터 안전 확보가 가능해지는 이유는?
IEC 61508로 대표되는 기능안전 표준에서는 안전 중시 시스템에 대해 설계단계에서부터 안전을 확보하기 위한 절차를 제시하고 있다. 표준의 절차에서는 설계단계에서 위험원을 식별하고 평가하며, 위험원에 대한 안전 조치를 안전기능의 형태로 식별하여 설계에 반영하는 것 등을 포함하고 있다. 이를 통해 시스템의 설계단계에서 부터 안전의 확보가 가능해진다[1].
참고문헌 (13)
M. Bellotti, R. Mariani, "How future automotive functional safety requirements will impact microprocessors design", Microelectronics Reliability, Vol.50, No.9-11, pp.1320-1326, Sep. 30, 2010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.microrel.2010.07.041
Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems, International Electrotechnical Commission Standard, IEC 61508, 2010.
A. F. Mehr, I. Y. Tumer, "Risk-based decision making for managing resources during the design of complex aerospace systems", Journal of Mechanical Design, Vol.128, No.4, pp.1014-1022, Jul. 30, 2006. DOI: https://doi.org/10.1115/1.2205868
L. Li, B. Persaud, A. Shalaby, "Using micro-simulation to investigate the safety impacts of transit design alternatives at signalized intersections", Accident Analysis and Prevention, Vol.100, Mar. 30, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aap.2016.12.019
C. Hoyle, I. Y. Tumer, A. F. Mehr, W. Chen, "Health management allocation during conceptual system design", Journal of Computing and Information Science Engineering, Vol.9, No.2, pp.1-9, Jun. 30, 2009. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3130775
L. Tang, "Reliability assessments of railway signaling systems: A comparison and evaluation of approaches," Ph.D. dissertation, Department of Industrial Economics and Technology Management, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway, Jun 2015
Railway Applications - Communication Signalling and Processing Systems Software for Railway Control and Protection Systems, IEC Standard, IEC 62279, 2002.
Road vehicles -- Functional safety, ISO Standard, ISO 26262, 2011.
Functional safety - Safety instrumented systems for the process industry sector, IEC Standard, IEC 61511, 2016
M. H. Ordouei, A. Elkamel, G. Al-Sharrah, "New simple indices for risk assessment and hazards reduction at the conceptual design stage of a chemical process", Chemical Engineering Science, Vol.119, No.8, pp.218-229, Nov. 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2014.07.063
T. Kurtoglu, I. Tumer, D. Jensen, "A functional failure reasoning methodology for evaluation of conceptual system architecture", Research in Engineering Design, Vol.21, No.4, pp.209-234, Oct. 2010. DOI: https://doi.org/10.1007/s00163-010-0086-1
M. I. Campbell, "An evaluation scheme for assessing the worth of automatically generated design alternatives", Research in Engineering Design, Vol.20, No.1, pp.59-75, Mar. 30, 2009. DOI: https://doi.org/10.1007/s00163-008-0062-1
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.