[論文レビュー] A Hazard Analysis Technique for Additive Manufacturing

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

Manufacturing Process and Optimization被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、アディティブマニュファクチャリング（AM）におけるサイバー物理的リスクを特定するため、システム理論的プロセス分析（STPA）を用いたリスク分析手法を提案する。主な焦点はソフトウェアの脆弱性、知的財産の盗難、部品の信頼性、ネットワークセキュリティに向けられる。STPAがソフトウェア集約型AMシステムにおける潜在的リスクを効果的に特定できることを示し、ミッションクリティカルな応用分野への導入前にリスクを前もって軽減するための包括的フレームワークを提供する。

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.

研究の動機と目的

• ソフトウェアの脆弱性やサイバー脅威に起因する可能性のあるアディティブマニュファクチャリングシステムの潜在的リスクを特定すること。
• 新興のAM環境において、システム理論的プロセス分析（STPA）がリスク分析手法として適用可能で有効であるかを評価すること。
• ミッションクリティカルなAMアプリケーションにおけるリスクを事前に軽減するため、失敗が発生する前に隠れたシステムレベルのリスクを特定すること。
• AMワークフローにおける部品の信頼性、知的財産の盗難、ネットワークセキュリティに関する懸念を解決すること。

提案手法

• 複雑でソフトウェア集約型のシステムを対象としたリスク分析手法として設計された、システム理論的プロセス分析（STPA）の適用。
• 故障の伝播と不適切な制御行動を分析するため、AMプロセス内の制御構造の特定。
• リスク同定と結果の妥当性検証を支援するため、文献レビューと専門家との協議の統合。
• AMシステムにおけるソフトウェア、ハードウェア、ネットワーク部品の相互作用をモデル化するため、STPAの階層的制御構造の活用。
• 部品の故障やサイバー攻撃を引き起こす可能性のある欠陥率や利用可能な脆弱性を含む、AMソフトウェアの脆弱性の分析。
• 知的財産の盗難、部品の信頼性、ネットワークスループットの問題に関連するリスクを特定するためのSTPAの性能評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑なソフトウェア依存関係を有するアディティブマニュファクチャリングシステムにおいて、STPAを効果的に適用してリスクを同定する方法は何か？
• RQ2 AMソフトウェアの欠陥とネットワーク脆弱性に起因する具体的なサイバー物理的リスクは何か？
• RQ3 伝統的なリスク分析手法が見逃しがちな、潜在的リスクをSTPAはどの程度効果的に同定できるか？
• RQ4 知的財産の盗難と部品の信頼性の問題が、ミッションクリティカルなAMアプリケーションにおいてどのようにシステムリスクとして現れるか？
• RQ5 STPAは、アディティブマニュファクチャリングのような新興技術分野において、実用的かつ包括的なリスク分析フレームワークとして機能できるか？

主な発見

• STPAは、特にソフトウェア制御の故障やサイバー攻撃の経路に関連する多数の潜在的リスクを効果的に同定した。
• AMワークフローにおけるソフトウェア欠陥が、部品の信頼性リスクに顕著に寄与しており、悪意ある攻撃者に利用可能であることが判明した。
• 知的財産の盗難は、AM設計ファイルのデジタル性とネットワークを介した送信の特性から、システム的リスクとして特定された。
• ネットワークスループットとセキュリティの問題が、特にリアルタイムまたはミッションクリティカルな環境において、AMプロセスの完全性と安全性に影響を与えることが示された。
• STPAの適用により、従来の方法では考慮されていなかったAMシステムの故障モードが明らかになった。これは、複雑で相互依存的なリスクを特定するうえでSTPAの価値を示している。
• STPAはソフトウェア集約型システムの分析に有効であり、従来の手法を超えた構造的リスク同定アプローチを提供することが実証された。