Fonksiyonel güvenlik kapsamında elektrik motoru takviyeli direksiyon sisteminin model tabanlı yazılımının geliştirilmesi
Model-based software development of electric motor assisted steering system within the scope of functional safety
Yazar: CENGİZ AYDIN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN TAHA ŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering

Özet:
Karayolları ulaşımında yaşanan kazalar nedeniyle her yıl yüz binlerce kişi hayatını kaybetmekte, sakat kalmakta veya ağır yaralanmalar geçirmektedir. Bu nedenle otomotiv üreticileri geliştirdikleri teknolojilerle insan hayatını koruyucu önlemler almayı hedef haline getirmektedir. Ayrıca markalaşma açısında da güvenilir olarak anılan markaların değeri ve prestiji diğer üreticilere göre oldukça yüksektir. Bu kapsamda elektronik kontrol ünitelerinin otomotiv sektöründe kullanımının artmasıyla birlikte pek çok elektronik güvenlik sistemi hayatımıza girmiştir.
Peki bu hayatlarımızı emanet ettiğimiz elektrik elektronik sistemlerin güvenliğinden nasıl emin olabiliriz? İhtiyacımız olduğunda bu sistemler sağlıklı bir biçimde fonksiyonlarını yerine getirebilecek mi? Bu şüpheler sadece elektronik güvenlik sistemleri için değil tüm elektronik kontrol üniteleri için geçerlidir. Amacı hayatımızı kolaylaştırmak olan bir elektronik kontrol ünitesindeki bir arızanın hayatımızı tehlikeye atmayacağından nasıl emin olabiliriz? Bu tehlikelere karşı hiçbir önlem almadan bu sistemleri kullanmak oldukça risklidir. Tabi ki de tüm riskleri ortadan kaldırmak mümkün değildir ancak bu sistemleri tasarlayan mühendislerden iyi bir risk yönetimi yaparak güvenli sistemler meydana getirilmesi beklenir. Risk ettiğimiz şey insan hayatı olduğunda, risk yönetimini standartlaştırmak kaçınılmaz olmaktadır. İşte bu nedenle 2011 yılında ISO 26262 – Kara Araçları Fonksiyonel Güvenlik Standardı hayatımıza girdi. 
Bu çalışmada, otomotiv sektöründe çalışarak veya akademide yayınlar yaparak sektöre katkı yapanlar için ISO 26262 – Kara Araçları Fonksiyonel Güvenlik Standardı hakkında bilinmesi gerekenleri özetlemek, süreç hakkında bilgiler paylaşmak ve sektörel kabul görmüş yaklaşımları incelemektir.
Tezin literatür taraması sürecinde sadece ISO 26262 – Kara Araçları Fonksiyonel Güvenlik Standardı ile ilgili yapılan çalışmaları referans vermekle yetinilmemiş, sektörel olarak kabul edilen mimari ve konseptler de incelenmiştir.
Uygulama kısmında bir konsept oluşturabilmek için referans bir elektronik kontrol sistemine ihtiyaç duyuldu. Bunun için popüler elektronik kontrol sistemlerinden EPS (Electric Power Steering) seçildi ve sistem hakkında temel bilgiler paylaşıldı.
Yeterli temellerin oluşmasıyla detay tasarım konularına giriş yapıldı. Konsept aşamasında ve fonksiyonel güvenlik mühendisliğini ilgilendiren kısımlarda NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) tarafından yayınlanan "Functional Safety Assesment of a Generic Electric Power Steering System with Active Steering and Four-Wheel Steering Features" çalışması referans alınarak alıntılar yapıldı. Potansiyel tehlikeler ve riskler tanımlandı. HARA (Hazard Analysis and Risk Assesment süreci açıklanarak ASIL'ler (Automative Safety Integrity Level) tanımlandı.
Konsept belirlendikten sonra, sistem seviyesinde fonksiyonel güvenlik gereksinimlerini sağlayacak teknik yaklaşımlardan bahsedilerek güvenlik mekanizmalarına kısaca değinildi. Güvenlik mekanizmalarının sistem seviyesinde doğrulanması için standart tarafından önerilen yöntemler açıklandı. Sistem seviyesi sadece yazılım geliştirme sürecine geliştirilecek fonksiyonları tanımlamakla değil aynı zamanda sistem entegrasyonu ve kabul testleri süreçlerinde de aktif rol almaktadır. Bu nedenle geliştirilen yazılımın, performans, tutarlılık, zamanlama, arayüz entegrasyonu, yetkinlik ve sağlanlık gibi kriterleri test ederken standart tarafından önerilen yöntemler incelendi.
Yazılım geliştirme sürecinde, iş akış organizasyonunun belirlendiği V-Döngüsüne değinildi. Modelleme ve yazılım geliştirme sürecinin bütünlüğünün önemi vurgulanarak seçilen geliştirme methodları için şartnamelerin belirlenmesinin sisteme katacağı değerler vurgulandı.
Yazılım test sürecinde MiL (Model in the Loop), SiL (Software in the Loop), PiL (Processor in the Loop), HiL (Hardware in the Loop), Gerçek donanımla test gibi farklı test ortamlarında yapılan testlerin farklılıkları geliştirme sürecine katkıları açıklandı.
Uygulama bölümünde, EPS sistemi direksiyon sensör modülü için yazılım gereksinimleri belirlendi. Mimari tasarım hakkında bilgi vermek adına Data Flow Diagram, Sequence Diagrams ve State Machine Diagramları paylaşıldı. Yazılım birim tasarım bölümünde Model Based Software Design teknikleri kullanılarak geliştirme süreci açıklandı. Yazılım birim doğrulama bölümünde statik kod analizi, dinamik testler, test koşum ortamları, kapsama analizleri gibi teknikler gösterildi
Model seviyesinde doğrulama yapabilmek için simülasyon ortamı oluşturuldu. Sistemin test edilebilmesi için EPS sistemi MATLAB/Simulink Simscape aracı kullanılarak modellendi ve kontrol algoritmaları sisteme entegre edildi. Farklı kullanım senaryoları için test senaryoları olışturuldu ve sistem sonuçları paylaşıldı.
Son olarak elde edilen çıktılar değerlendirilerek gelecek çalışmalar için fikirler verildi. Elektrik/Elektronik sistemlerde fonksiyonel güvenlik kopseptinin gelişmekte olduğuna vurgu yapılarak çalışma tamamlandı.

Abstract:
Every year, hundreds of thousands of people lose their lives, become permanently disabled or suffer serious injuries due to accidents in road transportation. For this reason, automotive manufacturers aim to take protective measures for human life with the technology which they have developed. In addition, the prestige of the brands that are known safe and reliable in terms of marketing are quite high compared to other manufacturers. In this context, with the increasing use of electronic control units in the automotive sector, many electronic safety systems have entered our lives. Systems such as ABS (Anti-Lock Braking System), EPS (Electronic Stability Program), Airbag can be given as examples of these developments.
So how can we be sure of the safety of the electrical and electronic systems to which we entrust our lives? Will these systems be able to function properly when we need them? These doubts are valid not only for electronic safety systems but also for all electronic control units. How can we be sure that a malfunction in an electronic control unit whose purpose is to make our life easier will not endanger our lives? It is quite risky to use these systems without taking any precautions against these dangers. Of course, it is not possible to eliminate all risks, but engineers who design these systems are expected to create safe systems by making good risk management. When what we risk is human life, it is inevitable to standardize risk management. That's why in 2011, ISO 26262 – Road Vehicles Functional Safety Standard came into our lives.
In this study, for those who contribute to the sector by working in the automotive sector or making publications in the academy, to summarize what should be known about the ISO 26262 - Rand Vehicles Functional Safety Standard, to share information about the process and to examine the accepted approaches industrially.
During the literature review process of the thesis, not only the studies on ISO 26262 – Land Vehicles Functional Safety Standard were given as reference, but also the architecture and concepts accepted as industry were examined.
As a result of the research, AUTOSAR (Automotive Open System Architecture), where almost all automotive manufacturers meet on a common ground, was examined. In the thesis, the relationship between ISO 26262 and AUTOSAR was mentioned. In this section, it was decided to focus on the application level rather than examining the fundamentals of basic software design in depth.

Another important topic Standardized E-Gas Monitoring Concept for Gasoline and Diesel Engine Control Units is mentioned. Although the E-Gas monitoring concept was prepared for electronic control units used in diesel and gasoline engines, it was mentioned that since the concept is based on solid foundations, it can also form a basis for different systems designed.
To create a concept in the application part, a reference electronic control system was needed. For this, EPS (Electric Power Steering), one of the popular electronic control systems, was selected and basic information about the system was shared.
The basis of the study is established with standards, architecture and concepts. In addition to these, necessary information was shared in the vocabulary section so that technical terms related to the standard do not cause confusion.
With the formation of sufficient foundations, detailed design issues were introduced. In the concept phase and in the parts related to functional safety engineering, quotations were made with reference to the "Functional Safety Assessment of a Generic Electric Power Steering System with Active Steering and Four-Wheel Steering Features" published by NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration). In the item definition section, the boundaries of the EPS system are drawn and the components with which it interacts are determined. Potential hazards and risks have been identified. HARA (Hazard Analysis and Risk Assessment) process was explained and ASILs (Automotive Safety Integrity Level) were defined. Functional Safety Concept was created, and safe situations were determined. In order not to disperse the subject during the implementation process, functional safety requirements were listed by examining only the steering system sensors signals instead of examining a whole complex system.
After the concept was determined, technical approaches that would provide functional safety requirements at the system level were mentioned, and safety mechanisms were briefly mentioned. The methods recommended by the standard for system-level verification of safety mechanisms are explained. The system level not only defines the functions to be developed into the software development process, but also takes an active role in system integration and acceptance testing processes. For this reason, while testing the criteria such as performance, consistency, timing, interface integration, competence and reliability of the developed software, the methods recommended by the standard were mentioned.
During the software development process, the V-Cycle used to explain the workflow organization was mentioned. Emphasizing the importance of the integrity of the modeling and software development process, attention was drawn to the value that determining the specifications for the selected development methods would add to the system. In the steps of the software development process, specification of software safety requirements, software architectural design, software unit design and implementation, software unit verification, software integration and verification, testing of the embedded software, the approaches recommended by the standard are listed and comments are made.
During the software testing process, the differences of the tests made in different test environments such as MiL (Model in the Loop), SiL (Software in the Loop), PiL (Processor in the Loop), HiL (Hardware in the Loop), testing with real hardware, and their contribution to the development process were explained.
In the application section, the selected safety requirement set for the EPS steering system input signals was examined and the appropriate sensor module was determined. The technical information documents of the selected sensors are shared in the appendix. Necessary software requirements for security mechanisms have been determined. The software architecture that will provide the determined software requirements and concept was evaluated. Data Flow Diagram, Sequence Diagrams and State Machine Diagrams were shared to provide information about architectural design.
In the software unit design section, the development process was explained using Model Based Software Design techniques. Information was given about the specifications and coding standard controls applied for Model Based Software Design. Automatic code generation and relationships between model and code and traceability processes are shown.
In the software unit validation section, techniques such as static code analysis, dynamic tests, test run environments, coverage analyzes were demonstrated. An example error and solution suggestion were shared while performing static code analysis. Coverage analysis was made for a sample state machine and dynamic test environment was created in this process.
A simulation environment was created to validate at the model level. In order to test the system, the EPS system was modeled using the MATLAB/Simulink Simscape tool and control algorithms were integrated into the system. Test scenarios were created for different use-case scenarios and system results were shared.
Finally, the obtained outputs were evaluated and ideas for future studies were given. The study was concluded by emphasizing that the functional safety concept in electrical/electronic systems is developing.