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STPA를 활용한 자율주행자동차의 시뮬레이션 기반 오류 주입 시나리오 및 안전조치 시간 연구
A Study on Simulation Based Fault Injection Test Scenario and Safety Measure Time of Autonomous Vehicle Using STPA 원문보기

韓國ITS學會 論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.18 no.2, 2019년, pp.129 - 143  

안대룡 (자동차부품연구원 스마트운전제어연구센터) ,  신성근 (자동차부품연구원 스마트운전제어연구센터) ,  백윤석 (자동차부품연구원 스마트운전제어연구센터) ,  이혁기 (자동차부품연구원 스마트운전제어연구센터) ,  박기홍 (국민대학교 자동차공학과) ,  최인성 (교통안전공단 자동차안전연구원 자율주행실)

초록
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자율주행자동차의 안전에 대한 중요성이 강조되면서 안전성 및 신뢰성 향상을 위한 개발 검증 지침인 ISO-26262의 적용과 자율주행자동차의 안전성 검증에 대한 중요성이 높아지고 있다. 특히 미국자동차공학회 기준 Level 3 이상의 자율주행자동차는 운전자 대신 주변 환경을 감지하고 판단한다. 따라서 자율주행 기능에 이상이 생기거나 오작동 발생 시 안전에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 자율주행자동차는 고장 및 오작동에 대비하여 안전개념을 적용하고 이를 검증해야 한다. 본 연구에서는 ISO-26262 Part3 프로세스와 시스템 이론적 프로세스 분석 방법론인 STPA를 활용하여 자율주행자동차의 안전성 평가 및 검증을 위한 오류 주입 시나리오를 연구하고 시뮬레이션 기반의 오류 주입 테스트를 통해 안전개념 설계를 위한 안전조치 시간을 연구하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As the importance of autonomous vehicle safety is emphasized, the application of ISO-26262, a development verification guideline for improving safety and reliability, and the safety verification of autonomous vehicles are becoming increasingly important, in particular, SAE standard level 3 or higher...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • STPA 적용을 통해 도출한 Causal factor를 기반으로 자율주행자동차의 주요 위험원을 유발시킬 수 있는 제어기의 입출력 변수와 조건을 확인하였다. 도출된 입출력 변수 및 오작동 조건과 자율주행자동차의 주행 조건을 결합하여 오류 주입 사니리오를 연구하였다. 오류는 제어기가 입력값을 잘못 판단하는 경우를 모사하기 위해 제어기의 입력단에 변조된 센서 데이터를 주입하는 형식으로 수행하였고, 입력값은 정상적인데 제어기 내의 오류로 인해 제어기 출력 값이 잘못되는 경우는 제어기 출력단의 값을 변조시키는 방식으로 진행하였다.
  • 본 논문에서는 STPA 기법을 이용하여 자율주행자동차의 안전성 평가를 위한 종방향 및 횡방향 오류 주입 시나리오에 대한 연구를 수행하였다. 자율주행시스템의 Control Structure를 기반으로 제어기의 입출력 변수를 기반으로 오류 주입에 대한 시나리오를 구성하여 자율주행자동차의 5개의 주요 Hazard에 대한 오류주입 시나리오를 도출하였으며, 도출된 시나리오 중 자율주행자동차의 의도치 않은 가속 및 의도치 않은 조향 시나리오의 시뮬레이션을 통해 실제 오류 발생 여부 확인과 함께 안전 조치 시간에 대하여 연구하였다.
  • 본 논문에서는 자율주행자동차의 자율주행시스템을 ISO-26262 Part3 프로세스와 STPA(Systems Theoretic Process Analysis) 기법을 이용하여 시뮬레이션 기반의 자율주행시스템의 안전개념 검증을 위한 오류주입 시험 시나리오에 대한 연구를 수행하고 시나리오 중 “의도치 않은 가속”과 “의도치 않은 조향”에 대한 오류주입 시뮬레이션을 통해 안전개념 설계 시 필요한 안전 조치 시간에 대한 연구를 수행하였다.

가설 설정

  • 종방향 오류 주입 시나리오는 차량의 속도, 차간 거리, 주입 오류로 3가지 범주를 기반으로 도출하였다. 종방향 오류의 경우 횡방향 자율주행시스템은 정상적으로 작동하고 있는 것으로 가정하고 의도치 않은 가속 및 감속, 미감속과 같은 Hazard를 통해 사고가 발생하는데 주입 오류 별 차량의 속도와 차간 거리가 사고와 가장 연관된 범주라 판단하였다. 의도치 않은 가속인 경우 저속에서 높은 가속도에 의한 가속이 발생하는 경우도 고려하여 저속(30km/h), 중속(60km/h), 고속(100km/h) Case로 세분화 하였으며, 의도치 않은 감속과 미감속 시나리오의 경우는 중속과 고속만을 고려하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자율주행자동차의 수준이 Level 3로 발전한다면 시스템은 어떠한 것이 보장되어야 하는가? 자율주행자동차의 수준이 Level 3로 발전한다면 운전자는 전방 및 주변 상황을 주시해야하는 의무가 사라지며 자율주행시스템이 대신하여 전방 및 주변 상황을 검지하고 판단하여 제어를 수행하게 된다. 따라서 시스템 고장 또는 오류로 인한 위험 상황 발생 시 경고를 통해 운전자에게 차량의 상태를 알려야 하며 운전자에게 제어권을 넘길 때까지 시스템은 설계된 안전개념을 통해 안전한 동작을 보장해야한다. 안전개념의 적용 유무를 검증하기 위해 사용되는 시험 방법은 오류주입 시험으로 임의의 오류를 시스템에 주입하여 오작동을 일으키고 적용된 안전개념이 동작하여 차량의 안전한 주행을 보장하는지 검증하는 방법이다.
DDT(Dynamic Driving Task)란 무엇인가? DDT(Dynamic Driving Task)는 차량의 조향 및 감속, 가속의 행위를 통해 차량을 제어하는 것이고, OEDR(Object and Event Detection and Response)은 차량 주변의 물체 및 발생하는 이벤트에 대한 반응을 나타내는 것이다. Fallback은 시스템 이상이나 고장 등 돌발 상황 발생 시 누가 제어권을 가지고 있는지를 나타낸다.
STPA를 진행하기 위한 준비 단계로는 무엇이 있는가? STPA를 진행하기 위한 준비 단계로는 사고 상황(Accident)과 위험원(Hazard)를 식별하고 시스템의 제어 구조도를 통해 제어 명령을 식별해야 한다. 사고 상황은 인명, 재산 손실, 환경오염, 임무 손실 등을 초래하는 바람직하지 않거나 예상치 못한 사건으로 정의되며 본 논문에서는 자율주행시스템의 오작동으로 인해 발생할 수 있는 사고 상황으로 설명된다.
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참고문헌 (10)

  1. Chae H. S., Jeong Y. H., Yi K. S., Choi I. S. and Min K. C.(2016), "Safety Performance Evaluation Scenarios for Extraordinary Service Permission of Autonomous Vehicle," Transactions of KSAE, vol. 24, no. 5, pp.495-503. 

  2. Chu K. Y., Han J. H., Lee M. C., Kim D. C. and Sunwoo M. H.(2011), "Development of an Autonomous Vehicle: AI," Transactions of KSAE, vol. 19, no. 4, pp.146-154. 

  3. Hwang J. G., Jo H. J., Han C. H., Cho W. S., Ahn J. and Ha D. M.(2010), "A Study on the Hazop-KR for Hazard Analysis of Train Control Systems," Journal of the Korean Society for Railway, vol. 13, no. 4, pp.396-403. 

  4. ISO-22179(2009), Intelligent transport systems - Full speed range adaptive cruise control(FSRA) systems - Performance requirements and test procedures. 

  5. ISO-26262-1, "Road vehicles - Functional safety - Part 1: Vocabulary," 2018, 12. 

  6. J3016(2016), Taxonomy and Definitions for Terms Related to Driving Automation Systems for On-Road Motor Vehicles. 

  7. Kang M. W., Son B. S., Dho C. U. and Kang J. K.(2002), "Development of Accident Prediction Models at Freeway Curve Section Based on Geometric Characteristics," Journal of the Korean Society of Civil Engineers, vol. 22, no. 6D, pp.1077-1088. 

  8. Kim D. Y., Lim J. H., Lee H. K., Choi I. S., Shin J. K., Hong Y. S. and Park K. H.(2017), "Development of Fault Injection Simulation Environment for ADAS Systems and Cases Studies of Fail-Safety Evaluation," Transaction of KSAE, vol. 25, no. 6, pp.767-777. 

  9. Wanner D., Drugge L. and Trigell A. S.(2017), "Fault Classification Method for the Driving Safety of Electrified Vehicles," International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, vol. 52, no. 5, pp.704-732. 

  10. Yang H. S. and Kwon G. H.(2017), "STAMP/STPA applied train software safety analysis case study," Korea Software Conference Proceeding, pp.607-609. 

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