Detection of Functional Failure and Verification of Safety Requirements Using Meta-Models in the Model-Based Design of Safety-Critical Systems

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.

안전중시 시스템의 모델기반 설계에서 메타모델을 활용한 기능 고장의 탐지 및 안전 요구사항 검증

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.