Von Risikoanalyse zu Sicherheitsmodellen: Ein praktischer Ansatz

In der heutigen Welt verlassen wir uns stark auf Technologie, besonders wenn es um Sicherheitskritische Systeme wie Autos und Flugzeuge geht. Diese Systeme müssen richtig funktionieren, um die Menschen sicher zu halten. Eine wichtige Methode zur Gewährleistung der Sicherheit ist eine Technik namens System-Theoretic Process Analysis (STPA), die hilft, Risiken zu identifizieren, indem sie betrachtet, wie verschiedene Teile eines Systems interagieren.

Dieser Artikel behandelt den Prozess der Erstellung von Sicherheitsmodellen basierend auf STPA. Wir schauen uns an, wie wir die Ergebnisse von STPA in eine Form umwandeln können, die auf Sicherheit und Funktionalität überprüft werden kann, indem wir etwas verwenden, das Linear Temporal Logic (LTL) genannt wird.

#Überblick über sicherheitskritische Systeme

Sicherheitskritische Systeme sind solche, bei denen ein Ausfall zu schweren Verletzungen oder zum Verlust von Leben führen kann. Dazu gehören eine Vielzahl von Anwendungen, von Automobilsystemen bis hin zu medizinischen Geräten. Um sicherzustellen, dass diese Systeme sicher sind, müssen Ingenieure sie gründlich analysieren, um potenzielle Gefahren zu identifizieren.

#Was ist STPA?

STPA ist eine Risikoanalysetechnik, die sich auf unsichere Interaktionen innerhalb eines Systems konzentriert. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden, die hauptsächlich die Ausfälle einzelner Komponenten betrachten, untersucht STPA, wie Komponenten zusammenarbeiten und identifiziert Risiken, die möglicherweise nicht offensichtlich sind, wenn man die Komponenten isoliert betrachtet.

#Schritte in STPA

STPA umfasst vier Hauptschritte:

1. Zweck der Analyse definieren: Dieser Schritt beinhaltet die Klärung, was analysiert werden muss und warum.
2. Modell der Steuerstruktur erstellen: Hier werden die Beziehungen zwischen Steuerungen, Prozessen und Sensoren modelliert.
3. Unsichere Steueraktionen (UCAs) identifizieren: Analysten bestimmen die Aktionen, die zu Gefahren führen könnten.
4. Verlustszenarien identifizieren: Dieser Schritt umfasst die Definition spezifischer Situationen, die zu einem Verlust führen könnten.

#Übergang von STPA zu Sicherheitsmodellen

Nachdem die Risiken mithilfe von STPA identifiziert wurden, besteht der nächste Schritt darin, diese Erkenntnisse in Sicherheitsmodelle umzuwandeln. Diese Transformation beinhaltet oft die Erstellung von LTL-Formeln, die die aus den in STPA identifizierten UCAs abgeleiteten Sicherheitsmerkmale ausdrücken.

#Was ist LTL?

Linear Temporal Logic ist eine Möglichkeit, die gewünschten Eigenschaften eines Systems über die Zeit zu spezifizieren. Mit LTL können wir Formeln erstellen, die Sicherheitsbedingungen ausdrücken, die dann mit dem Verhalten des Systems überprüft werden können.

#Generierung von LTL-Formeln aus STPA

Um LTL-Formeln aus den Ergebnissen in STPA zu erstellen, folgen wir spezifischen Regeln, die vom Typ der UCAs abhängen. Hier ist ein kurzer Überblick über die Arten von UCAs und die entsprechenden LTL-Aktionen:

1. Bereitgestellt: Diese Art zeigt an, dass eine Steueraktion gesendet werden sollte, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind.
2. Nicht bereitgestellt: Dies zeigt an, dass eine Gefahr auftritt, wenn eine Steueraktion nicht gesendet wird.
3. Zu früh: Das bedeutet, dass eine Steueraktion gesendet wird, bevor die relevanten Bedingungen gegeben sind.
4. Zu spät: Das bezieht sich auf Fälle, in denen die Steueraktion gesendet wird, nachdem sie hätte gesendet werden sollen.
5. Zu lange angewendet: Das bedeutet, dass eine Steueraktion länger aktiv gehalten wird, als nötig.
6. Zu früh gestoppt: Das zeigt an, dass eine Steueraktion gestoppt wird, bevor es sicher ist, dies zu tun.

Durch die Anwendung dieser Regeln können wir Formeln erstellen, die verschiedene Sicherheitsaspekte des Systems abdecken.

#Von LTL-Formen zu Sicherheitsverhaltensmodellen (SBMs)

Sobald die LTL-Formeln generiert sind, besteht der nächste Schritt darin, Sicherheitsverhaltensmodelle (SBMs) zu erstellen. Ein SBM skizziert, wie das System basierend auf den Steueraktionen und ihren Kontexten, wie sie in den LTL-Formeln definiert sind, funktionieren sollte.

#Erstellung des Modells

Das SBM ist um jede in STPA identifizierte Steueraktion strukturiert. Jede Aktion stellt einen Zustand im Modell dar, und Übergänge werden basierend auf den zuvor erstellten LTL-Formeln definiert.

#Schlüsselkomponenten des SBM

1. Zustände: Jeder Zustand entspricht einer bestimmten Steueraktion.
2. Übergänge: Diese werden basierend auf den LTL-Formeln definiert, um darzustellen, wann und wie sich Steueraktionen ändern.
3. Variablen: Prozessmodellvariablen werden integriert, um die realen Bedingungen widerzuspiegeln, unter denen sich die Zustände ändern.

#Verifizierung des Sicherheitsmodells

Sobald das SBM erstellt ist, muss es gegen die definierten LTL-Formeln verifiziert werden. Dieser Schritt stellt sicher, dass das Modell den Sicherheitsanforderungen entspricht, die während der STPA-Analyse festgelegt wurden.

#Die Bedeutung der Verifizierung

Verifizierung ist entscheidend, weil sie aufdeckte, ob es irgendwelche Mängel im Modell gibt, die zu unsicherem Verhalten im System führen könnten. Wenn ein Problem identifiziert wird, kann das Modell entsprechend angepasst werden.

#Werkzeuge für die Implementierung

Es gibt Werkzeuge wie eine visuelle Entwicklungsumgebung, die die Erstellung dieser Modelle unterstützen. Diese Tools können Teile des Prozesses automatisieren, was es einfacher macht, die Verhaltensweisen des Systems zu visualisieren und zu verstehen, wie sie mit Sicherheitsmerkmalen zusammenhängen.

#Beispiel-Fallstudie: Adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC)

Um den Prozess zu veranschaulichen, können wir uns ein Beispiel mit einem Adaptive Cruise Control (ACC)-System anschauen, das die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs anpasst, um einen sicheren Abstand zum vorausfahrenden Auto zu halten.

#Schritt-für-Schritt-Analyse

1. Zweck der Analyse definieren: Das Ziel ist sicherzustellen, dass das ACC-System unter verschiedenen Bedingungen sicher funktioniert.
2. Steuerstruktur modellieren: Die Beziehungen zwischen dem ACC, der Fahrzeuggeschwindigkeit und den Sensoren werden definiert.
3. UCAs identifizieren: Aktionen, die zu unsicheren Bedingungen führen könnten, wie zu schnelles Beschleunigen oder nicht rechtzeitiges Abbremsen, werden identifiziert.
4. Verlustszenarien identifizieren: Szenarien, in denen das Auto aufgrund eines ACC-Ausfalls in einen Unfall verwickelt werden könnte, werden skizziert.

#Generierung von LTL-Formeln

Aus den identifizierten UCAs werden LTL-Formeln erstellt, um die erforderlichen Verhaltensweisen für einen sicheren Betrieb auszudrücken. Zum Beispiel gibt es LTL-Formeln, die besagen, dass das System langsamer werden sollte, wenn ein anderes Fahrzeug zu nah ist.

#Erstellung des SBM

Das resultierende SBM für das ACC-System würde Zustände für "Beschleunigen", "Abbremsen" und "Geschwindigkeit halten" enthalten, mit Übergängen, die auf den LTL-Formeln basieren.

#Fazit

Zusammenfassend ist der Prozess von STPA zur Erstellung von SBMs mit LTL-Formeln entscheidend für die Gewährleistung der Sicherheit komplexer Systeme. Durch die frühe Identifizierung von Risiken und die rigorose Spezifikation von Sicherheitsmerkmalen können Entwickler Modelle erstellen, die nicht nur korrekt funktionieren, sondern auch die Nutzer schützen.

Diese Methodik bietet einen strukturierten Ansatz zur Risikoanalyse und Modellerstellung, der zur Gestaltung sicherer Systeme beiträgt. Während die Technologie weiterhin fortschreitet, wird dieser Ansatz entscheidend bleiben, um den Herausforderungen der Sicherheit in automatisierten Systemen gerecht zu werden.

In Zukunft, wenn die Systeme komplexer werden, werden die hier diskutierten Prozesse und Werkzeuge wahrscheinlich angepasst werden müssen, um Ingenieuren zu helfen, Risiken in zunehmend anspruchsvollen Umgebungen zu verwalten und zu mindern.