[논문 리뷰] A Hazard Analysis Technique for Additive Manufacturing

Gregory Pope, Mark Yampolskiy|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 29.

Manufacturing Process and Optimization인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 적층 제조(AM)에서 사이버-물리적 위험을 식별하기 위해 시스템 이론적 프로세스 분석(STPA)을 사용하는 위험 분석 기법을 제안한다. 주로 소프트웨어 취약성, 지적 재산권 도용, 부품 신뢰성, 네트워크 보안에 초점을 맞추고 있다. STPA가 소프트웨어 집약적인 AM 시스템에서 잠재적 위험을 효과적으로 드러내어 임무 핵심 응용 분야에 구현하기 전에 위험을 사전에 완화할 수 있는 프로액티브 프레임워크를 제공함을 입증한다.

ABSTRACT

The promise of Additive Manufacturing (AM) includes reduced transportation and warehousing costs, reduction of source material waste, and reduced environmental impact. AM is extremely useful for making prototypes and has demonstrated the ability to manufacture complex parts not possible (or prohibitively expensive) with conventional machining. Scientists and manufactures are finding increased uses for AM in creation of all types of finished products including those built from polymers, biological material, and metals. Although companies such as GE have been using 3D printing for Additive Manufacturing for over thirty years to make mandrels for light bulb manufacturing, application areas of Additive Manufacturing have increased substantially in recent years, particularly due to the reduction in cost of 3D printers. Like most emergent technologies, there are bound to be growing pains with AM. This paper looks at the software that supports AM and 3D printing and their vulnerability to cyber-attacks, intellectual property theft, defect rates of AM software (which can cause undesired consequences themselves and also create vulnerabilities that a hacker may exploit), part reliability and safety of devices incorporating 3D printed parts (when making mission critical parts), and security/throughput issues of computer networks. Literature searches, consulting with technical experts and a relatively new hazard analysis technique will be used, one especially developed for software intensive systems called Systemic Theoretic Process Analysis (STPA). The purpose of this white paper is to identify risks (or hazards for mission critical parts) for AM in this emergent stage so that mitigations can be applied before accidents occur. A second purpose of this white paper is to evaluate the effectiveness of STPA as a hazard analysis technique in a field that is still relatively new.

연구 동기 및 목표

• 소프트웨어 취약성과 사이버 위협으로 인해 발생할 수 있는 잠재적 위험을 식별하기 위해.
• 신속히 발전하는 AM 환경에서 시스템 이론적 프로세스 분석(STPA)이 위험 분석 방법으로서의 적용 가능성과 효과성을 평가하기 위해.
• 실패가 발생하기 전에 숨겨진 시스템 수준의 위험을 드러내어 임무 핵심 AM 응용 분야에서 사전 위험 완화를 지원하기 위해.
• AM 워크플로우에서의 부품 신뢰성, 지적 재산권 도용, 네트워크 보안에 대한 증가하는 우려를 다루기 위해.

제안 방법

• 복잡하고 소프트웨어 집약적인 시스템을 대상으로 설계된 위험 분석 기법인 시스템 이론적 프로세스 분석(STPA)의 적용.
• 실패 전파와 안전하지 않은 제어 조작을 분석하기 위해 AM 프로세스 내 제어 구조를 식별.
• 문헌 검토와 전문가 상담을 통합하여 위험 식별 및 결과 검증을 지원.
• STPA의 계층적 제어 구조를 활용해 AM 시스템의 소프트웨어, 하드웨어, 네트워크 구성 요소 간의 상호작용을 모델링.
• 부품 고장이나 사이버 공격으로 이어질 수 있는 결함 비율과 이용 가능한 취약성을 포함한 AM 소프트웨어의 취약성 분석.
• 지적 재산권 도용, 부품 신뢰성, 네트워크 대역폭 문제와 관련된 위험을 식별하는 데서 STPA의 성능 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 소프트웨어 종속성을 지닌 적층 제조 시스템에서 STPA를 효과적으로 적용해 위험을 식별하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 AM 소프트웨어 결함과 네트워크 취약성으로 인해 나타나는 구체적인 사이버-물리적 위험은 무엇인가?
• RQ3 전통적인 위험 분석 방법이 간과할 수 있는 잠재적 위험을 STPA는 어느 정도 드러내는가?
• RQ4 임무 핵심 AM 응용 분야에서 지적 재산권 도용과 부품 신뢰성 문제는 어떻게 체계적 위험으로 나타나는가?
• RQ5 STPA는 적층 제조와 같은 신기술 분야에 대해 실현 가능하고 종합적인 위험 분석 프레임워크로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• STPA는 특히 소프트웨어 제어 실패와 사이버 공격 벡터와 관련된 여러 잠재적 위험을 성공적으로 식별하였다.
• AM 워크플로우의 소프트웨어 결함이 부품 신뢰성 위험에 상당한 기여를 하며 악성 행위자에 의해 악용될 수 있음을 발견하였다.
• 디지털 형태의 AM 설계 파일과 그들의 네트워크를 통한 전송으로 인해 지적 재산권 도용은 체계적 위험으로 규명되었다.
• 네트워크 대역폭과 보안 문제는 실시간 또는 임무 핵심 환경에서 특히 AM 프로세스의 무결성과 안전성에 영향을 미침을 입증하였다.
• STPA의 적용은 기존에 고려되지 않은 AM 시스템의 고장 모드를 드러내어 복잡하고 상호의존적인 위험을 드러내는 데서 그 가치를 입증하였다.
• STPA는 전통적 방법을 초월해 위험 식별을 체계적으로 수행할 수 있는 소프트웨어 집약적 시스템 분석에 효과적임을 입증하였다.