A Study on Identification of Quality Attribute Scenario for Safety of Cooperating Cyber-Physical Systems Using Systems-Theoretic Process Analysis = Systems-Theoretic Process Analysis를 활용한 상호협력하는 가상물리시스템의 안전성에 대한 Quality Attribute Scenario의 식별 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cyber-Physical System (CPS) is a real-time system which computation, communication, and control parts are integrated and deals with the physical world. CPSs such as unmanned aerial vehicles, automotive vehicles, and smart grids are safety-critical since those CPSs perform safety-critical tasks. A lot of research has been done by many researchers to achieve the safety of individual CPSs. Meanwhile, CPSs can cooperate to achieve a common goal and safety is one of the emergent properties that can appear while systems cooperate. Therefore, not only the safety of each safety-critical CPS but also the safety of an overall CPS, which is composed of various heterogeneous CPSs, must be achieved to a sufficient level.
Safety is one of the Quality Attributes, which are measurable or testable non-functional properties of a system to indicate how well the system meets the needs of stakeholders beyond the basic functions of the system. Requirements for such Quality Attributes can be specified in a form of a scenario, called Quality Attribute Scenarios (QASs). Identifying QASs is an effective way to show whether Quality Attribute Requirements have been met. If the requirement or design specifications of the system are complemented by the identified QASs, it can be objectively demonstrated that a system satisfies a quality attribute requirement enough, since the system will be implemented satisfying such requirements and design specifications.
This paper proposes an approach to identify QASs for the safety of an overall CPS composed of cooperating safety-critical constituent CPSs using causal scenarios from a state-of-the-art hazard analysis technique, Systems-Theoretic Process Analysis (STPA). We also applied the proposed approach to a case study of an example of two types of CPS which has interactions to achieve a common goal, to demonstrate that by using this proposed approach, requirements and/or design specifications of cooperating CPSs can be complemented from the perspective of safety.

국문 초록 (Abstract)

가상물리시스템은 계산, 통신, 그리고 제어 총 세 가지 부분이 통합되어 있고 물리적인 세계를 다루는 실시간 시스템이다. 무인 항공기, 자율주행 자동차, 스마트 그리드와 같은 가상물리시스템들은 안전이 중요한 작업들을 수행하기 때문에 safety-critical하다. 그리고 이러한 개별 CPS의 안전성을 달성하기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 한편, CPS는 공동의 목표를 달성하기 위하여 협업할 수 있고, 안전성은 시스템이 협업할 때 나타날 수 있는 emergent한 특성 중 하나이다. 그러므로, 각각의 safety-critical한 CPS의 안전성 뿐 아니라 다양한 서로 다른 종류의 CPS들로 구성된 전체 CPS의 안전성까지도 충분한 수준으로 달성되어야 한다.
안전성은 품질 특성의 일종으로, 품질 특성은 시스템이 이해 관계자의 요구를 얼마나 잘 충족하는 지를 나타내기 위한 측정 가능하거나 테스트 가능한 시스템의 비기능 특성이다. 이러한 품질 특성의 요구사항은 시나리오의 형태로 구체화될 수 있는데, 이것을 품질 특성 시나리오라고 부른다. 품질 특성 시나리오를 식별하는 것은 품질 특성 요구사항이 만족되었는지를 보여주기 위한 효과적인 방법이다. 시스템은 요구사항과 설계 명세를 만족시키도록 구현될 것이므로, 요구사항 또는 설계 명세가 식별된 품질 특성 시나리오를 활용하여 보완된다면 시스템이 품질 특성 요구사항을 충분히 만족시킴을 객관적으로 보일 수 있다.
본 논문에서는 최신 위험 분석 기법인 STPA를 활용하여 안전 중요 가상물리시스템이 협업하여 만들어지는 전체 가상물리시스템의 안전성에 대한 품질 특성 시나리오를 식별하기 위한 방법을 제안한다. 또한, 공동의 목표를 달성하기 위해 상호작용하는 두 종류의 가상물리시스템의 예시를 활용한 사례 연구에 본 논문에서 제안한 접근 방식을 사용함으로써 협력하는 가상물리시스템의 요구사항과 설계 명세가 안전성의 관점에서 보완될 수 있음을 보인다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ii
• List of Figures iii
• ABSTRACT iv
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Background 3
• 2.1. Systems-Theoretic Process Analysis 3
• 2.2. Quality Attribute Scenario 4
• 2.3. Related Works 6
• 2.3.1. Identifying Quality Attribute Scenarios 6
• 2.3.2. Safety of Cyber-Physical Systems 7
• 2.3.3. Hazard Analysis on Cyber-Physical Systems 8
• 2.3.4. Safety of System of Systems 10
• Chapter 3. An Approach to Identify Quality Attribute Scenarios from STPA 12
• Chapter 4. Case Study 16
• 4.1. Downscaled Intelligent Transportation System 16
• 4.2. Applying the Proposed Approach 17
• 4.3. Evaluation 34
• Chapter 5. Conclusion 37
• References 38
• Abstract (in Korean) 42