Development of certification-compliant safety-critical flight control software using a model-based design approach
Model tabanlı tasarım yaklaşımı kullanılarak sertifikasyon uyumluluğuna sahip emniyet kritik uçuş kontrol yazılımının geliştirilmesi
- Tez No: 887875
- Danışmanlar: PROF. DR. YAPRAK YALÇIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 175
Özet
Teknolojik ilerlemelerin hızla devam etmesiyle birlikte, yazılımlar giderek daha karmaşık hale gelmekte ve özellikle hava araçları gibi emniyet açısından kritik alanlarda kullanılmaktadır. Bu durum, yazılımların emniyet seviyesinin önemini daha da artırmaktadır. Emniyet-kritik yazılımların geliştirilmesi, bir yandan hava araçlarının operasyonel ortamlarının güvenlik açısından kritik doğası nedeniyle uygulama karmaşıklığını artırırken, diğer yandan müşterilerin daha kısa ürün geliştirme döngüsü beklentisi ve daha düşük maliyetlerle üretim talepleri doğrultusunda giderek artan zorluklarla karşı karşıya kalmaktadır. Bu durum, yazılım geliştiricilerin hem yüksek güvenlik standartlarını karşılamasını hem de verimlilik ve maliyet etkinliği açısından optimize edilmiş çözümler sunmasını zorunlu kılmaktadır. Bu bağlamda, hava araçlarında aviyonik ve uçuş kontrol yazılımlarının, operasyonel ortamda kendisinden beklenen fonksiyonları eksiksiz yerine getirmesi ve görevlerini icra ederken diğer fonksiyonlara olumsuz etki etmemesi gerekmektedir. Bu iki faktör, geliştirme karmaşıklıklarını azaltmaya ve sertifikasyon çabalarını desteklemeye yönelik mühendislik yöntemlerine olan ihtiyacı açıkça ortaya koymaktadır. Uluslararası havacılık sertifikasyon otoriteleri, bu iki temel kuralı kendi havacılık düzenlemelerinde tanımlamış ve havacılık yazılımlarının bu kurallara uygunluğunu denetlemek amacıyla DO-178C yazılım rehber dokümanını yayınlamışlardır. Ayrıca, yazılım geliştirme süreçlerinde kullanılan model tabanlı tasarım yöntemini açıklayan DO-331 ekini de referans alarak, emniyet kritik yazılımların güvenli bir şekilde geliştirilmesini sağlamayı hedeflemişlerdir. Gelişen yazılımlar, otoritelerin direktifleri ve üreticiler arası rekabet ortamı, havacılık sektöründeki ürün ve hizmet alternatiflerin artmasını sağlamıştır. Bu durum, DO-178C/DO-331 rehber dokümanları kapsamında model tabanlı tasarım yöntemi kullanılarak yazılım geliştirme süreçlerinin, daha kısa ürün geliştirme döngüsü ve maliyet avantajı gibi üstün yönleri ile yazlım geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Bu çalışmada, model tabanlı tasarım yöntemi kullanılarak bir uçuş kontrol yazılımının geliştirilme sürecinde yazılım geliştirme yaşam döngüsü boyunca takip edilen süreçler, tamamlanması gereken faaliyetler ve üretilmesi gereken veriler ile uçuş kontrol yazılımı sertifikasyon süreci detaylı bir şekilde incelenmiştir. Öncelikle, havacılıkta emniyet ve uçuşa elverişlilik tanımları yapılıp sertifikasyon konuları ile havacılık otoriteleri ele alınmış, bu otoritelerin regülasyonları ve bu düzenlemelere uyumluluk konularına değinilmiştir. Uçuşa elverişlilikten yazılıma kadar olan ilişki incelendikten sonra da emniyet kritik yazılımın detaylandırılmasına geçilmiştir. Emniyet kritik yazılım, ilgili hava aracı sistemi ile ilişkili olup belirli rehber dokümanlar referansında öncelikle sistemin, ardından da ilgili sistem yazılımının emniyet seviyeleri belirli emniyet değerlendirmeleri sonucu belirlenmektedir. Eğer yazılım uçuş kontrol sistemi gibi kritik seviye ise rehber dokümanlar uyum gösterimi için DO-178C yazılım dokümanını gerekli kılmaktadır. Böylece, uçuş kontrol sistemi yazlımı geliştirilmesinde emniyet kritik kavramları ile DO-178C rehber dokümanının takip edilmesi ve ilgili yazlım geliştirme süreçleri ayrıntılı bir şekilde ele alınmıştır. Son yıllarda, hava aracı sistemlerinin efektif ve sistematik bir şekilde geliştirilmesi ve test edilmesi aşamalarında model tabanlı tasarım yöntemi popüler bir yöntem olarak kullanılmaktadır. Bu yöntem ile birlikte hava aracı yazılımlarında DO-178C yardımcı dokümanı olan DO-331 ek dokümanı model tabanlı tasarım süreçlerinin ilerletilmesinde rehber doküman olarak kullanılmakta olup ayrıntılı şekilde ele alınmıştır. Çalışmada, hava aracı olarak F-16 savaş uçağı modeli kullanılmış olup, bu model için oluşturulan bir yazılım geliştirme projesinde MathWorks şirketinin Matlab/Simulink model tabanlı tasarım aracı kullanılmıştır. Hava aracı ve bileşenleri, ayrıca uçuş kontrol sistemi Simulink ortamında detaylı bir şekilde modellenmiştir. Uçuş kontrol algoritması olarak hem kararlılık arttırma sistemi hem de komut artırma sistemi ile yüksek hücum açısı kontrolü için doğrusal olmayan dinamik tersleme yöntemi algoritmaları tasarlanmış, uçuş kontrol yazılımı için ise model tabanlı tasarım ile oluşturulan uçuş kontrol algoritması modelinden kaynak kodu üretimi gerçekleştirilmiştir Ayrıca, yazılım geliştirme süreci boyunca DO-331 rehber dokümanı kullanılarak model tabanlı tasarım yöntemi uygulanmıştır. Uçuş kontrol yazılımı geliştirme süreci yazılım planlama, yazılım geliştirme ve yazlım geçerlemesi olarak üç ana başlıkta ele alınmıştır. İlk aşamada belirtilen planlara değinilmiş, süreç boyunca oluşturulacak planlar şekillendirilmiştir. Ardından, yazılım geliştirme süreci boyunca yazılım yaşam döngüsü prosedürlerine uygun olarak yazılıma atanan sistem gereksinimleri (YASG) belirlenmiş ve bu gereksinimlerden üst seviye gereksinimler (ÜSG) oluşturulmuştur. Yazılım yaşam döngüsü prosedürlerine göre, YASG ile ÜSG arasında çift yönlü izlenebilirlik bağlantıları, Matlab geliştirme aracı kullanılarak sağlanmıştır. ÜSG oluşturulduktan sonra, model tabanlı tasarım yöntemi kullanılarak alt seviye gereksinimleri içerik olarak barındıran tasarım modeli olan uçuş kontrol sistem modeli geliştirilmiştir. Burada, önceki paragrafta belirtilen uçuş kontrol algoritması Simulink modeli kullanılarak tün üst seviye gereksinimlerden türetilen alt seviye gereksinimler modele entegre edilmiş olup kaynak kod oluşturulmadan önce, DO-331 model benzetim aktivitesi göz önünde bulundurularak model üzerinde gereksinim tabanlı fonksiyonel testler gerçekleştirilmiş ve hata tespiti yapılmıştır. Ayrıca, testlerle birlikte model kapsama analizleri de yapılmıştır. Hem gereksinim bazlı testlerin hem de model kapsama analizlerinin sonuçlarına göre performans ölçütleri elde edilmiştir. Fonksiyonel testlerle benzer şekilde, model üzerinde statik olarak yapılan standart uyumluluk testi de performans ölçütü olarak değerlendirilmiş ve bu değerlendirmelerin ardından kaynak kod oluşturma aşamasına geçilmiştir. Kaynak kod, Matlab geliştirme aracı kullanılarak oluşturulmuş, yine Matlab araçlarından faydalanılarak üretilen kaynak kod incelenmiş ve başarım ölçütleri alınmıştır. Ardından, çalıştırılabilir nesne kodu oluşturulmuş ve döngüde yazılımsal benzetim testi ile başarım ölçütü değerlendirilmiştir. Özellikle yazılım geliştirme sürecinde MathWorks araçlarından Simulink Test, Requirements Editor, Simulink Design Verifier gibi özel kütüphaneler kullanılmıştır. Son olarak, yazılım geliştirme sürecinde gereksinimlerden çalıştırılabilir nesne koduna kadar her adımda ilgili proses raporları oluşturulmuş, konfigürasyon takibi yapılmış ve otoriteye sunulmak üzere yazılım kalite teminatı ve sertifikasyon süreçleri hazır hale getirilmiştir. Sonuç olarak, DO-178C/DO-331 rehber dokümanı kapsamında sertifikasyon gereksinimlerine uygun bir uçuş kontrol yazılımı geliştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
With the rapid pace of technological advancements, software is becoming increasingly complex and is being used in safety-critical areas such as aircraft. This situation further emphasizes the importance of software safety levels. The development of safety-critical software not only increases the complexity of implementation due to the critical nature of the operational environments of aircraft but also faces increasing challenges due to customer expectations for shorter product development cycles and demands for lower production costs. This situation necessitates that software developers meet high safety standards while also providing solutions optimized for efficiency and cost-effectiveness. In this context, avionics and flight control software in aircraft must fully perform the functions expected of them in the operational environment and must not adversely affect other functions while executing their tasks. These two factors clearly highlight the need for engineering methods aimed at reducing development complexities and supporting certification efforts. International aviation certification authorities have defined these two fundamental rules in their aviation regulations and have published the DO-178C software guidance document to ensure compliance of aviation software with these rules. Additionally, by referencing the DO-331 supplement, which explains the model-based design method used in software development processes, they aim to ensure the safe development of safety-critical software. The advancement of software, directives from authorities, and the competitive environment among manufacturers have increased the variety of products and services in the aviation sector. This situation has enabled software development processes under the DO-178C/DO-331 guidance documents using the model-based design method, allowing for software development with superior aspects such as shorter product development cycles and cost advantages. In this study, the processes followed throughout the software development lifecycle, the activities that need to be completed, and the outcome that need to be created and delivered during the development of a flight control software using the model-based design method are examined in detail. Additionally, the certification process for flight control software is thoroughly analyzed. In this study, MathWorks' MATLAB/Simulink model-based design tool was used in a software development project for the F-16 fighter aircraft. The aircraft and its components together with the flight control system were modeled rigorously within the Simulink tool. The flight control algorithm was constructed using the nonlinear dynamic inversion method, and source code for the flight control software was generated from the flight control algorithm model created using the model-based design approach. Additionally, this approach was applied throughout the software development process using the DO-331 guidance document. During the flight control software development process, system requirements allocated to the software (SRAT) were defined corresponding to the software lifecycle procedures, and from these, high-level requirements (HLR) were derived. Bidirectional traceability links between SRATS and HLR were established using the MATLAB development tool, adhering to software lifecycle procedures. After the HLR were established, the flight control system model, which represents the low-level requirements, was developed using the model-based design approach. Prior to generating source code, requirement-based functional tests were performed on the model, considering the DO-331 model simulation activity, to detect any errors. Additionally, model coverage analyses were conducted alongside these tests. Performance metrics were obtained based on the results of both the requirement-based tests and the model coverage analyses. Similarly, a static standards compliance test conducted on the model was evaluated as a performance metric, leading to the source code generation phase. It is generated using the MATLAB development tool, reviewed using MATLAB's tools, and performance metrics were gathered. Subsequently, the executable object code was created, and the performance metrics were evaluated through in-loop software simulation testing. Finally, throughout the software development process, relevant process reports were generated at each step from requirements to executable object code, configuration tracking was conducted, and the software quality assurance and certification processes were prepared for submission to the authority. As a result, a flight control software compliant with the certification requirements under the DO-178C/DO-331 guidance documents were successfully developed.
Benzer Tezler
- Makas motoru arayüz devresi tasarımı ve güvenlik bütünlük seviyesi analizi
Design of point machine interface and safety integrity level analysis
SERHAN SUBAŞI
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALMAN KURTULAN
- ComCoS: An enhanced cache partitioning technique for integrated modular avionics
ComCoS: Entegre modüler aviyonikler için gelişmiş bir önbellek bölümleme tekniği
YAKUP HÜNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- An investigation of factors affecting the adoption of DO-200A standard
DO-200A standardının benimsenmesini etkileyen faktörlerin incelenmesi
SEMİH TERECİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHacettepe ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT AYDOS
- Yetkilendirilmiş belgelendirme kuruluşlarının (YBK) kalite ile iş sağlığı ve güvenliği (İSG) açısından değerlendirilmesi
Evaluation of authorized certification organizations (YBK) in terms of quality with occupational health and safety (OHS)
İSRAFİL YURTTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Halk Sağlığıİstanbul Aydın ÜniversitesiKalite Yönetimi ve Kalite Güvence Sistemleri Ana Bilim Dalı
DR. ZEYNEP FERİDE OLCAY
- Gemiadamlarının yeterliliklerinin değerlendirilmesi için model araştırması
Başlık çevirisi yok
OĞUZ BAĞÇECİ