Simulation based tool for error propagation analysis of simulink models
Simülasyon tabanlı araçlar ile simulink modellerinde hata yayılım analizi
- Tez No: 467137
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET TURAN SÖYLEMEZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
Günümüz kontrol sistemlerinde, güvenlik her daim önemli bir özellik olmuştur. Ele alınan sistem bir nükleer sistem de olsa, demiryolu sistemi de olsa, tasarım sırasında ilk olarak sistemin güvenilirliği göz önüne alınmaktadır. Bunun için mühendisler farklı standartlar ve matematiksel modeller ile sistemin işlevselliğinin sağlanmasının yanı sıra, maddi veya can kayıplarını da engellemeye çalışırlar. Tüm bu güvenlik ve ekonomik tabanlı tedbirler, bu konuyu mühendislik açısından önemli kılmaktadır. Güvenlik tehlikesi taşıyan sistemlerin artması ile bu alanda uzmanlaşmış birimlerin kurulması bir zorunluluk haline gelmiştir. Artan güvenlik talebi ve bunun sertifikasyonu bile başlı başına ayrı bir uzmanlık alanıdır. Sistemlerin güvenilirliklerinin gözden geçirilmesi ve değerlendirilmesi için çeşitli standartlar ve metotlar geliştirilmiştir. Tez kapsamında, farklı alanlar için farklı standartlar örnek verilmiştir. Bu örneklerin ortak özelliği belli güvenilirlik parametrelerini baz almalarıdır. Bu güvenirlilik parametrelerinin sınıflandırması belli normlara göre tehlikeli durumdan güvenilir duruma göre değişmektedir. Özellikle insan hayatının söz konusu olduğu sistemlerde bu parametrelerin önemi oldukça artmaktadır. Sistemin bir yıl içerisinde arızalı duruma geçmesi veya herhangi bir çalışma anında arıza çıkma olasılığı büyük bir titizlikle incelenip, sertifikalandırıldıktan sonra bu sistemin uygulaması yapılmaktadır. Bu sayede can ve mal kaybı oluşabilecek her türlü kazanın önüne geçilmeye çalışılmaktadır. Bu çalışmanın önemi ise, bu tipteki güvenilirlik analizlerini hızlı ve etkin bir şekilde gerçekleştirerek, süreçleri hızlandırmasıdır. Bu metotlar sistemin tipine ve ihtiyacına göre niteliksel veya niceliksel olabilir. Tasarımcılar ve testçiler tarafından güvenlik tehlikesi taşıyan sistemlerin analizi, zaman ve dikkatli bir çalışma gerektirir. Güvenilirlik tabanlı kriterlerin sağlanması için mühendisler tarafından hata ağacı analizi, arıza modu ve etki analizi ve tehlike analizi gibi yöntemler geliştirilmiştir. Bu tip yöntemler genel olarak şemalarla ifade edilip, hem niceliksel hem niteliksel güvenilirlik verileri içermektedir. Tez kapsamında, analitik sonuçların geçerliliğini göstermek için simülasyon tabanlı bir yaklaşım önerilmiştir. Analitik yaklaşım ve bu yaklaşıma ait matematiksel modeller anlatıldıktan sonra simülasyon tabanlı bir yaklaşımın analitik metotlardan farkı ve avantajları anlatılmıştır. Simülasyon bazlı yaklaşım ile, sisteme ait elde edilen değerlerin sağlaması yapılıp böylece matematiksel alt yapı kullanılarak programın doğru çalışması kontrol edilmiştir. Hata yayılım analizinin matematiksel arka planında Markov Zincirleri kullanılır. Hata yayılım hesaplamasında ise, hata oluşma ve yayılım olasılıkları değerlendirilir. Daha sonrasında ise sistemin kritik noktalarındaki hata oluşma olasılıkları değerlendirilerek güvenlik standartları ile karşılaştırmalar yapılmaktadır. ErrorSim programının çalışması, matematiksel alt yapı ile test edilip, sonraki aşamalarda kullanıcının test ettiği modeller için simülasyon yoluyla elde edilen istatistiksel verileri kullanmaktadır. Bu verilerin elde edilmesi ve değerlendirilmesi, tez kapsamında ayrıntılı olarak anlatılmıştır. ErrorSim programının mimarisi ve yapısında bulunan öğeler sınıflandırılıp açıklanmıştır. MATLAB ortamında yazılmış olan bu programın içerisinde bulunan farklı türdeki fonksiyonlar, arayüzler ve veri depolama yöntemleri ayrıntıları ile verilmiştir. Yapısal olarak ErrorSim MATLAB m-file ve MATLAB GUIDE GUI arayüzünden oluşmaktadır. Bu fonksiyonlar içerisinde hatalı Simulink bloklarına ait yapılar bulunur ve bu yapılar, ilgili Simulink bloklarının her çalışmalarında sırasında hata enjeksiyonu fonksiyonu içerisinde kullanılır. Veriler ise uygulama verileri sınıfı olarak kullanıcı arayüzünün içerisinde saklanır. Tüm bu yapıların birbirlerini tetikleyerek, Simulink simülasyonu sırasında uyum içerisinde çalışmasıyla da ErrorSim görevini yerine getirmiş olur. Kullanıcı açısından bu yapıları bilmek, programın ne şekilde çalıştığını göstererek, Simulink modelleri üzerinde test yaparken nelere dikkat edilmesi gerektiğini de göstermektedir. ErrorSim programının yanısıra diğer benzer programların incelenmesi de tez kapsamında yapılmıştır. Güvenilirlik analizi için kullanılan ve MATLAB Simulink ortamında çalışan birçok farklı program bulunmaktadır. Bu programların benzerlikleri, avantajları ve dezavantajları incelenerek ErrorSim programı ile karşılaştırılmaları yapılmıştır. ErrorSim programının diğer programlara karşı en büyük avantajı ise, farklı türlerde hata enjeksiyonu yapılmasına izin vermesi ve ek bir yazılım kurulumu gerektirmemesidir. Simülasyon bazlı yaklaşım MATLAB Simulink ortamına göre geliştirilmiş olup, farklı hata tipleri ve hata enjeksiyonu metotları kullanılmıştır. Bu hata tipleri üst başlık olarak sensör hataları, donanım hataları ve bağlantı hataları olarak sınıflandırılmıştır. Herbir hata tipi farklı hata ortaya çıkma oranları ve etkileri gibi parametreler ile birlikte tanımlanır ve bu parametrelere göre sisteme etki eder. Bu veriler kullanıcı tarafından girilerek bir çeşit test senaryosu oluşturulmuş olur. Kullanıcının kırmızı arka plan rengi ile işaretlediği hatalı blokların herbiri için bir hata tipi, bir hata oluşma sıklığı ve bir de hata etki süresi belirlemesi gerekmektedir. Hata tiplerinin seçimini, ErrorSim tarafından kendisine sunulan hata tipleri arasından yapması gerekmektedir. Bu hata tipleri; sensörler için öteleme hatası, önceki değerde takılı kalma hatası ve gürültü hatası, donanım hataları için tekil veya çoğul bit değişimleri ve ağ yapıları için ise, paket kaybı ve faz kayması olarak sunulmuştur. Hata oluşum sıklığı için ise, bloğun çalıştığı her döngünün bir hata olasılığı belirlenebilir, hata oluşumu için gerekli ortalama süre belirlenebilir veya kullanıcı tanımlı bir hata olasılığı dağılım grafiği belirlenebilir. Hata etki süresi için ise kullanıcı sabit süre, süresiz hata, tek döngüde hata veya hatanın kaldırılması için gerekli ortalama süre gibi parametrelerden herhangi birini seçebilir. Simülasyonun baz aldığı doğru değerler, hata enjeksiyonu olmaksızın yapılan deneylerin verilerdir. Bu verilerin hata enjeksiyonu sonucu elde edilen veriler ile karşılaştırılması ile sistem güvenilirliği ve performansı açısından önemli çıktılar elde edilir. ErrorSim programı iki ana konuyu bir araya getirmektedir. Programın yapısı da bu iki ana konunun birleştirilmesinden oluşmaktadır. Bunlar, hata enjeksiyonu ve hata tespitidir. Hata enjeksiyonu, kullanıcının test etmek istediği MATLAB Simulink modelinin içerisinde bulunan hatalı bloklar üzerinde uygulanır. Bu hata enjeksiyonu kullanıcının belirlemiş olduğu hata oluşma ihtimallerine göre tetiklenir ve bu ihtimalin gerçekleşmesi durumunda belirlenmiş olan hata tipi Simulink bloğu tarafından oluşturulur. Hatalı blok, belirlenmiş olan hata etki süresi boyunca, tanımlı olan hata tipine göre hatalı çıktılar verir. Bu hatalı çıktılar sonucunda sistemin dinamikleri etkilenir ve buna bağlı oluşan geçici hal cevabı ve kalıcı hal cevabı değişir. Bu değişimin gözlenmesi ise hata tespiti kısmında yapılır. Kullanıcının test ettiği Simulink modelinin hatasız olarak çalışması ile elde edilen sistem cevapları, hatalardan etkilendiğinde oluşan sistem cevabı ile karşılaştırılarak farklı metrikler ve grafikler elde edilir. Bu grafiklerin ve metriklerin elde edilmesiyle, sistem hakkında daha detaylı yorumlar yapılarak, sistemin hangi hata tiplerine daha duyarlı olduğu veya hangi sıklıkta oluşan hatalar ile sistemin kararlılığının etkileneceği gözlenebilir. Bu verilerin istatistiksel yorumlamasında yardımcı olması amacı ile belli istatistiksel parametreler de grafiklerle birlikte verilmiştir. Bu sayede kullanıcı, test ettiği Simulink modeli hakkında daha geniş bilgiye sahip olmaktadır. Bu verilerin güvenlik standartları ile ilişkilendirilmesi ise, kullanıcının test ettiği sistemin bağlı olduğu güvenlik standartları ile ilgilidir ve elde ettiği çıktıları yorumlaması tamamen standartlara ve sistemden istenilen çıktılara bağlıdır. Güvenlik ve performans açısından önemli olan metriklerin elde edilmesi bir sonraki aşamada anlatılmış olup, ErrorSim aracının kullanıcıya sunduğu özellikler tanıtılmıştır. Kullanıcının bu özellikleri nasıl kullanması gerektiği, elde ettiği verileri nasıl yorumlayabileceği örneklerle anlatılmıştır. Vaka analizi kısmında ise bu örnekler üzerinde ErrorSim programı ile deneyler yapılmıştır. Bu deney sonuçları ErrorSim programı tarafından kontrol ve güvenlik mühendislerinin yorumlayabileceği şekilde sunulmuştur. Ayrıca bu verilerin yorumu da ilgili vaka analizi örneği ile birlikte yapılmıştır. Bu yorumlar sayesinde ErrorSim programının, sistemin hangi zayıflıklarına dikkat çektiği görülmüştür. Sistem üzerinde yapılabilecek iyileştirmeler, sistemi daha dayanıklı hale getirmek gibi yapılacak geliştirmeler bu tezin kapsamında değildir. Ancak, bu iyileştirmeler yapıldıktan sonra tekrar testler yapılarak sistemdeki değişimler, performans kriterleri ve diğer güvenilirlik metrikleri incelenebilir. Bu sayede sistemin güvenlik anlamında iyileştirilmesi sağlanabilir. Güvenlik temalı öğelerin yanı sıra, tez kapsamında geliştirilmiş olan aracın mimarisi de tanımlanmıştır. Bu şekilde kullanıcıya hata enjeksiyonu ve tespitinin arkasındaki ana algoritma gösterilmiştir. Aracın kullandığı dinleyiciler ve geri çağırma fonksiyonlarının anlatımı, kullanıcının programı daha doğru kullanabilmesi açısından önemlidir. Simülasyon sonuçları farklı yönlerden incelenerek, kontrol sistemlerinin performans analizinde de kullanılabileceği gösterilmiştir. Bu amaçla iki ayrı vaka incelemesi yapılmış olup, tez kapsamında geliştirilmiş olan aracın çıktıları yorumlanmıştır. Mevcut örneklerin yanısıra, ErrorSim programının diğer kullanım alanları da belirtilmiştir. Sonuç bölümünde ise, ErrorSim aracının çıktıları ve bununla birlikte aracın daha nasıl geliştirilebileceği anlatılmıştır. Bu sayede ne tür güvenilirlik analizleri ve ErrorSim aracının hangi alanlarda kullanışlı olduğu gösterilmiştir. Tez çalışmasının sonucunda elde edilen program ve bu program sayesinde elde edilebilecek çıktılar ile ne tür katkılar sağlandığı gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Safety is a growing demand for all types of today's systems. Whether it is a nuclear or a transportation system, reliability and safety are the most urgent needs for the design of the entire system. Engineers have developed different standards and models to ensure the desired function of the system without any human life or material loss. All these safety and economy related issues make the topic“model-based error detection analysis”an important and interesting topic for different areas of engineering. This growing demand makes it compulsory for the companies in the industry to form dedicated departments just for the safety assessment and certification. Different types of methods and standards have been developed to calculate the reliability of such safety-critical systems. Various safety standards for various fields are also given by examples in the thesis. These methods can be qualitative or quantitative depending on the type of the system. Analyzes of these safety-critical systems require time and careful work by the designers and testers. As it is necessary to fulfill some criteria based on reliability, engineers developed methods such as fault tree analysis, failure mode and effect analysis, and hazard analysis. To validate the analytical results, a simulation-based approach is introduced in this thesis. After giving background information and mathematical models for the analytical approach, the benefits of a simulation-based approach and its difference from the analytical methods are explained. Simulation-based approach is developed for the environment of MATLAB Simulink, by implementing different types of faults and fault injection methods. These fault types are classified as the sub-elements of the general fault definitions such as sensor faults, hardware faults, and network faults. Every fault type can be injected by using a different method that consists the parameters of occurrence rates and the duration of the fault effect. The correct values that are used for the comparison by the tool are obtained through a fault-free run. The comparison of the faulty run values and the fault-free run values provides important information about the reliability and the performance of the system. In the next phase, the methodology to obtain these reliability and performance metrics are explained along with the features offered to the user by ErrorSim. How to use these features and how to interpret the results obtained by these features are introduced by explanatory examples. Apart from safety-related issues, the architecture of the developed tool is described. It gives the user an insight into the main algorithm which is behind fault injection and error detection. It is important for the user to know the listeners call-back functions and a few technical details for the correct usage of the tool. Results of the simulation are studied in different perspectives in order to show that the tool that is developed can also illustrate performance-related issues in control systems. Two different case studies are taken into consideration for the interpretation of the tool application results. In the conclusion section, the achievements and benefits of ErrorSim are discussed. The general usage of ErrorSim and its importance is explained. Possible improvements on ErrorSim and future works are also discussed.
Benzer Tezler
- İmalat sistemlerinin tasarlanması ve öncelik kurallarının belirlenmesinde yapay sinir ağlarının kullanılması
Başlık çevirisi yok
TARIK ÇAKAR
Doktora
Türkçe
1997
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYHAN TORAMAN
- Limits and ability of the multichannel analysis of surface wavesmethod to detect and resolve subsurface anomalies
Başlık çevirisi yok
UĞUR ARSLAN
- Development of a comprehensive simulation software for spacecraft missions
Uzay aracı görevleri için kapsamlı bir simülasyon yazılımı geliştirilmesi
EMİRHAN ESER GÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Bilim Dalı
PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Kısmi yüklü dalgakılavuzları ile mikrodalga cihazı tasarımının ters saçılma ve optimizasyon problemi olarak incelenmesi
Analysis of partially filled waveguides for the synthesis of microwave devices as an inverse and optimization problem
AHMET AYDOĞAN
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FUNDA AKLEMAN YAPAR
- Soğutucularda kullanılan tek silindirli pistonlu kompresörlerin dinamik ve akustik analizi
Başlık çevirisi yok
HALUK EROL