Formalization and Model-Driven Support of Functional Safety Analysis
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Fakult¨atf¨urElektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl f¨urEntwurfsautomatisierung Univ. Prof. Dr.-Ing. Ulf Schlichtmann PhD-Thesis Formalization and Model-Driven Support of Functional Safety Analysis Moomen Chaari Lehrstuhl f¨urEntwurfsautomatisierung der Technischen Universit¨atM¨unchen Formalization and Model-Driven Support of Functional Safety Analysis Moomen Chaari Vollst¨andiger Abdruck der von der Fakult¨at f¨ur Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universit¨at M¨unchen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Rigoll Pr¨uferder Dissertation: 1. Hon.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ecker 2. Prof. Dr.-Ing. Georg Sigl Die Dissertation wurde am 05.03.2019 bei der Technischen Universit¨atM¨unchen eingereicht und durch die Fakult¨atf¨urElektrotechnik und Informationstechnik am 25.11.2019 angenommen. PhD-Thesis Institute of Electronic Design Automation Univ. Prof. Dr. -Ing. Ulf Schlichtmann Department of Electrical and Computer Engineering Technische Universit¨atM¨unchen in Cooperation with Infineon Technologies AG IFAG DES DMF SVT SLM Dr.-Ing. Matthias Bauer Dipl.-Inf. Thomas Kruse Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ecker Author: Moomen Chaari Abstract Functional safety is a crucial aspect of system design and manufacturing, particu- larly when human life is at stake. During the last two decades, evaluating systems with respect to their safety integrity level has become a major topic among the re- search community and within the industry. However, several challenges still persist in the two essential contexts of functional safety evaluation, namely analysis on the one hand and simulation on the other hand. The focus of this thesis is functional safety analysis. It is addressed from three dif- ferent perspectives: formalization, model-driven automation, and link to simulation. First, to tackle informality and disorganization issues, traditional functional safety analysis procedures such as Failure Modes, Effects, and Diagnostic Analysis (FMEDA) and Fault Tree Analysis(FTA) are extensively studied and consequently formalized through so-called metamodels. These metamodels are structured descrip- tions of the analysis artefacts and the relationships between them. Then, practical inconveniences encountered in the context of functional safety anal- ysis are addressed. In fact, analysis data size is increasing in correlation with system complexity. Subsequently, many analysis tasks, which are traditionally performed manually by functional safety engineers, are becoming significantly cumbersome, so that related human mistakes are occurring more and more frequently. With this re- spect, metamodel-based formalization of safety analysis methods represents a robust foundation to develop proper platforms and tools enhancing the automation, inter- operability, and reuse levels. That is why, a manifold environment for model-driven support of functional safety analysis is conceived, implemented, and applied as the second pillar of this work. Finally, reducing the gap between safety analysis on the one hand and fault injec- tion and simulation on the other hand is the third central topic in this thesis. The divergence between those two safety evaluation contexts is a major difficulty in the safety lifecycle, as it prevents developers from ensuring data consistency and trace- ability in a systematic and simple manner. To overcome this divergence, equivalences and/or correspondences between data artefacts of both contexts are investigated in this work. The perceptions and outcomes of this investigation are then used to de- velop a semi-automated data mapping tool dealing with the syntactic and semantic discrepancies between analysis and simulation. Zusammenfassung Funktionale Sicherheit ist ein entscheidender Aspekt beim Systementwurf, vor allem, wenn das menschliche Leben beeintr¨achtigt werden kann. In den letzten zwei Jahrzehnten ist die Auswertung von Systemen in Bezug auf ihre Sicherheitsintegrit¨at zu einem Hauptthema in der Forschungsgemeinschaft und der Industrie geworden. Trotz der vielf¨altigen Bem¨uhungen innerhalb dieses langen Zeitraums, gibt es weiterhin Herausforderungen in den zwei wesentlichen Kontexten der funktionalen Sicherheitsbewertung, n¨amlich der Analyse auf der einen Seite und der Simulation auf der anderen Seite. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse funktionaler Sicherheit. Sie wird aus drei verschiedenen Perspektiven adressiert: die Formalisierung, die modellgetriebene Automatisierung und ihre Verkn¨upfungzur Simulation. Zuerst wurden im Rahmen dieser Arbeit traditionelle Methoden der Sicherheitsanalyse, wie zum Beispiel \Failure Modes, Effects, and Diagnostic Analysis"(FMEDA) und \Fault Tree Analysis"(FTA), umfassend untersucht. Um die vorhandenen Formalisierungs- und Strukturierungsprobleme bei der Analyse zu beseitigen, wurden diese Methoden durch so genannte Metamodelle beschrieben. Diese Metamodelle dienen zur formalen Strukturierung der Analyseartefakte und der Beziehungen zwischen ihnen. Als zweites wurden technische Einschr¨ankungen im Zusammenhang mit funktionaler Sicherheitsanalyse untersucht. In der Praxis steigt die Analyse- Datengr¨oße in Korrelation mit der Systemkomplexit¨at. Dadurch werden viele Analyseaufgaben, die in der Regel von Safety-Ingenieuren manuell durchgef¨uhrt werden, wesentlich aufw¨andiger, so dass menschliche Fehler immer h¨aufiger auftreten. In dieser Hinsicht stellt die metamodellbasierte Formalisierung von Sicherheitsanalysemethoden eine robuste Grundlage dar, um geeignete Plattformen und Werkzeuge zu entwickeln, die die Automatisierung, die Interoperabilit¨atund die Wiederverwendung verbessern. Deswegen wurde eine umfangreiche Umgebung f¨ur die modellgetriebene Unterst¨utzungfunktionaler Sicherheitsanalysen konzipiert und umgesetzt. Schließlich ist die Verringerung der L¨ucke zwischen Sicherheitsanalyse einerseits und Fehlereffektsimulation andererseits das dritte zentrale Thema in dieser Arbeit. Die Divergenz zwischen diesen beiden Aspekten ist eine bedeutende Problematik viii im Sicherheitslebenszyklus, da sie die Systementwickler daran hindert, die Datenkonsistenz und -r¨uckverfolgbarkeit systematisch und einfach zu gew¨ahrleisten. Um diese Divergenz zu ¨uberwinden, wurden in dieser Arbeit Aquivalenzen¨ und Beziehungen zwischen Datenartefakten beider Kontexte untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden dann verwendet, um ein halb-automatisches Werkzeug zur Datenabbildung zu entwickeln, das sich mit den syntaktischen und semantischen Diskrepanzen zwischen Analyse und Simulation besch¨aftigt. ix Acknowledgment I would like to thank, first and foremost, Prof. Dr.-Ing. Ulf Schlichtmann and Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ecker for giving me the opportunity to accomplish my PhD thesis at the Institute for Electronic Design Automation at the Technical University of Munich in cooperation with the R&D department of Infineon Technologies AG in Munich. I owe my deepest gratitude to Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Ecker for his continuous support and his valuable guidance. This thesis would not have been possible without his encouragement, assistance, and feedback throughout the last five years. I also thank Prof. Dr.-Ing. Georg Sigl for being the second examiner and providing me with valuable feedback about the thesis. Furthermore, I am indebted to Thomas Kruse, Bogdan-Andrei Tabacaru, Cristiano Novello, Leily Zafari, Michael Velten, Adalbert Perbandt, Christian L¨uck, Christian Wiechert, Daniel M¨uller-Gritschneder, and Matthias Bauer for their highly appre- ciated support. Their hints and suggestions considerably helped me to fulfill the purposes of my work. My thanks are extended to all colleagues of the research project EffektiV from whom I learned a lot about functional safety and with whom I shared an enjoyable time. Finally, I dedicate this thesis to all members of my family, especially to my dear parents Abdelmajid and Mounira, to my beloved wife Amal, to my precious son Adam, and to my cherished sisters Manel and Maissa. Moomen Chaari Munich, February 10, 2020 Contents 1 Introduction1 1.1 Our Life in the Age of Electronics....................2 1.2 Shifting from Functionality to Dependability..............2 1.3 Functional Safety in the Automotive Context..............4 1.3.1 General Overview of ISO 26262.................5 1.3.2 Safety-Related Activities.....................6 1.3.3 Safety Analysis Approaches...................8 1.3.4 Fault Injection Techniques....................9 1.3.5 Correlations with Functional Verification............ 10 1.4 Motivation and Main Objectives..................... 11 1.4.1 Motivation............................. 11 1.4.1.1 Informality and Subjectivity in Safety Analysis... 12 1.4.1.2 Costly Manual Tasks in Safety Analysis....... 12 1.4.1.3 Gap Between Safety Analysis and Fault Injection.. 13 1.4.2 Main Objectives.......................... 15 1.4.2.1 Formalization and Generalization........... 15 1.4.2.2 Tool-Based Support and Automation Enhancements 15 1.4.2.3 Link Between Safety Analysis and Fault Injection.. 16 1.5 Outline................................... 16 2 State of the Art 19 2.1 Functional Safety: A General Overview................. 19 2.1.1 Basic Concepts and Terms { IEC 61508............. 22 2.1.2 Application Areas and Related Standards........... 27 2.2 Automotive Functional Safety: ISO 26262............... 29 2.2.1 Overall Safety Lifecycle...................... 30 2.2.2 Hazard Analysis and Risk Assessment............. 33 2.2.3 ASIL: Automotive Safety