Evaluation and Determination of System Design Alternatives Utilizing a SysML-Based M&S Method for Achieving Functional Safety

SysML 기반 모델링 및 시뮬레이션 기법을 통한 기능안전 설계 대안들의 평가 및 결정 방법

Abstract

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.

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.

Fig. 2. Concept of M&S based Alternative Assessment: Existing and Proposed

Fig. 3. Concept Model for Current Research

Fig. 4. SysML based System Modeling Concept

Fig. 5. Relationship between SysML based System Model and Safety Analysis

Fig. 6. Concept of Functional Level Design Alternative

Fig. 7. Railway Signaling System Modeling Result: Structure

Fig. 8. Railway Signaling System Modeling Result: Behavior

Fig. 9. Simulation Model for Data Transmission Function

Fig. 1. Safety Analysis Process