[论文解读] Model-based Hazard and Impact Analysis

Sonila Dobi, Mario Gleirscher+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2015

AI-based Problem Solving and Planning参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文提出一种基于模型的方法，用于安全关键系统中的危害与影响分析，通过系统、环境和危害三个视角整合领域知识，实现可重用、自动化的跨学科安全工程。其主要贡献是一个形式化的建模框架，支持系统性危害识别、影响评估以及在项目间的复用，该方法通过一个工业案例研究得到验证。

ABSTRACT

Hazard and impact analysis is an indispensable task during the specification and development of safety-critical technical systems, and particularly of their software-intensive control parts. There is a lack of methods supporting an effective (reusable, automated) and integrated (cross-disciplinary) way to carry out such analyses. This report was motivated by an industrial project whose goal was to survey and propose methods and models for documentation and analysis of a system and its environment to support hazard and impact analysis as an important task of safety engineering and system development. We present and investigate three perspectives of how to properly encode safety-relevant domain knowledge for better reuse and automation, identify and assess all relevant hazards, as well as pre-process this information and make it easily accessible for reuse in other safety and systems engineering activities and, moreover, in similar engineering projects.

研究动机与目标

• 解决安全关键的软件密集型系统中危害与影响分析缺乏集成化、可重用和自动化方法的问题。
• 支持对与安全工程相关的系统-环境交互进行有效文档化和分析。
• 实现对安全相关领域知识的预处理和结构化表示，以便在后续项目中复用。
• 开发一个支持自动化和跨学科协作的安全工程建模框架。
• 通过一个工业案例研究，证明该方法的可行性和优势。

提出的方法

• 作者定义了三种建模视角：系统模型、环境模型和危害模型，每种模型捕捉安全相关知识的不同方面。
• 使用形式化建模语言来表示系统组件、其交互关系以及影响安全的环境条件。
• 将危害建模为系统-环境交互引发的潜在故障状态，并使用预定义的严重性与可能性标准评估其影响。
• 通过将模型整合到统一框架中，支持安全工程任务中的自动化分析与可追溯性。
• 通过以结构化、机器可处理的格式编码领域知识，支持模型在类似项目中的复用。
• 通过一个涉及安全关键控制系统的工业案例研究验证了该框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地编码安全相关领域知识，以支持在危害与影响分析中的复用与自动化？
• RQ2 为捕捉安全关键系统中系统行为与环境因素的相互作用，需要哪些建模视角？
• RQ3 如何将危害识别与影响评估形式化并整合到单一基于模型的框架中？
• RQ4 所提出的基于模型的方法在多大程度上能够提升安全工程工作流中的复用性与自动化水平？
• RQ5 该框架在安全关键系统开发中如何支持跨学科协作？

主要发现

• 所提出的基于模型的框架通过结构化建模，实现了在多个项目中系统性且可重复的危害与影响分析。
• 系统模型、环境模型与危害模型的整合，使得安全分析过程更加全面且可追溯。
• 通过在形式化模型中编码安全相关知识，该方法支持危害检测与影响评估的自动化。
• 该框架提升了安全相关成果的复用性，减少了在类似工程项目中的重复分析工作。
• 工业案例研究证明了在现实世界安全关键系统开发中应用该基于模型方法的可行性和实际效益。
• 该方法通过提供安全相关信息的统一、形式化表示，支持了跨学科协作。