Software in sicherheitsrelevanten Systemen

Software in sicherheitsrelevanten Systemen Ralf Pinger / Stefan Gerken Sommersemester 2013

Kapitel 3 - Risiko- und Gefährdungsanalyse • Inhaltsübersicht • Was ist Risiko? • Was ist Gefährdung? • Gefährdungsraten • Safety Integrity Level • Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) • Fehlerbäume (Fault Trees) • Markovketten Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.1 Was ist Risiko? • Risiko ist Eine Funktion von Schadenshäufigkeit und Schadensausmaß, also als erwarteter Schaden (pro Zeiteinheit) (für eine bestimmte Grundgesamtheit) Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.1 Was ist Risiko? • Unterschiedliche Arten von Risiko: Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.1 Was ist Risiko? – Gesetzliche Randbedingungen • EN 292-1 (Sicherheit von Maschinen) • „Eine Maschine ... soll sicher sein. Jedoch ist absolute Sicherheit kein komplett erreichbarer Zustand ...“ • EBO §2 (1) • „ Bahnanlagen und Fahrzeuge müssen so beschaffen sein, dass sie den Anforderungen der Sicherheit und Ordnung genügen. Diese Anforderungen gelten als erfüllt, wenn die Bahnanlagen und Fahrzeuge den Vorschriften dieser Verordnung und, soweit diese keine ausdrücklichen Vorschriften enthält, anerkannten Regeln der Technik entsprechen.“ Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.1 Was ist Risiko? – Beispiel Risikograph Risikograph nach IEC 61508-5 Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.2 Was ist Gefährdung? • Gefährdung (englisch: Hazard) • EN 50129: • Hazard: A condition that could lead to an accident. • Leveson: Safeware • A hazard is a state or set of conditions of a system (or an object) that, together with other conditions in the environment of the system (or object), will lead inevitably to an accident (loss event). [....] A hazard is defined with respect to the environment of the system or component. [....] What constitutes a hazard depends upon where the boundaries of the system are drawn. [....]” Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.2 Was ist Gefährdung? • Gefährdung, Ursache, Unfall ... Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.3 Gefährdungsraten • Gefährdungsrate lH(t): Rate für den Übergang eines System, das zum Zeitpunkt t in einem nicht gefährlichem Zustand ist, in einen gefährlichen Zustand • Rate ri,k (t): Grenzwert des Verhältnisses zwischen • der Wahrscheinlichkeit, dass ein System, das zum Zeitpunkt t in einem definierten Zustand i ist, innerhalb eines Zeitraums Dt in einen Zustand k wechselt, und • dem Zeitraum Dt (für Dt->0) in der Einheit h-1.Also: Rate [h-1] x Zeiteinheit [h] = Wahrscheinlichkeit • Ausfall- bzw. Reparaturrate l bzw.m: Rate für den Übergang eines System, das zum Zeitpunkt t nicht ausgefallen bzw. ausgefallen ist, in einen Zustand, in dem es ausgefallen bzw. wieder betriebsfähig ist. Bei HW-Komponenten wird im Allgemeinen eine konstante Ausfallrate angenommen. Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.3 Gefährdungsraten • Typischer Verlauf einer Gefährdungsrate für sicherungstechnische Systeme: Die Gefährdungsrate schwingt sich ein, deshalb spricht man vereinfachend von lH. • Als Faustregel kann man lH~1/MTTH, MTTH ist aber (mathematisch) wesentlich aufwendiger zu bestimmen Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.3 Gefährdungsraten – Beispiel Risikomatrix Risikomatrix Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.4 Safety Integrity Level • Geeignete Balance zwischen Maßnahmen zur Fehlervermeidung und -beherrschung • BewusstePlanung der Produkteigenschaft “Sicherheit” • Risikoabwägung  Für beide Kategorien müssen Anforderungen gestellt werden Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.4 Safety Integrity Level • Balance mittels sogenannter SIL-Tabellen • Vorgehensweise wird in EN 50129 beschrieben • Hinter den Tabellen stecken Heuristiken, keine wissenschaftlichen Begründungen • Fast jeder Sicherheitsstandard weltweit verwendet SILs (offensichtlich zur Zeit State-of-the-art) Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.5 Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) • FMEA - Was wäre, wenn etwas versagt? • Die funktionale FMEA (FFA) bezieht sich auf eine (System-)Funktion. Als Richtschnur kann man folgende prinzipielle Versagensarten betrachten: • totaler Ausfall (Funktion wird überhaupt nicht erbracht) • Versagen der Schnittstelle (falsche Eingabe, ...) • Funktion wird erbracht, wenn nicht gefordert • fehlerhafte Ausführung der Funktion (zu spät, nicht vollständig, ...) Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.5 Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) • Die Ergebnisse einer FFA (Functional Failure Analysis) werden in einer Tabelle protokolliert, die (mindestens) die folgenden Kategorien enthält: • Referenz: Eindeutige Referenz auf die Funktionsbeschreibung (z. B. eine Nummer), um die Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten • Funktion: Benennung der Funktion • Ausfallart: Beschreibung der Art des Funktionsversagens • Effekt: Was resultiert aus dem Funktionsversagen? • Wirkung/Gefährdung: Welche Gefährdung entsteht? Entsteht eine Gefährdung unmittelbar/mittelbar? • Bemerkung: Platz für Kommentare, Rechtfertigung, Anmerkungen .... • Weitere (optionale) Einträge können sein: • Häufigkeit: (geschätzte) Häufigkeit des Auftretens des Funktionsversagens • Schwere: (geschätztes) Ausmaß des resultierenden Unfalls... Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.6 Fehlerbäume (Fault Trees) • Der Fehlerbaum • stellt Ereigniskombinationen in Boolescher Logik dar, • die zum Top-Ereignis führen und • verwendet im Wesentlichen UND- und ODER-Verknüpfungen • Eine Fehlerbaumanalyse • wird eingeordnet als deduktive Methode • hat die systematische Analyse aller möglichen Ursachen eines bestimmten unerwünschten Ereignisses (Top-Ereignis) als Ziel • erfolgt Top-down rückwärts vom Top-Ereignis zu den Ursachen • Jedes Ereignis im Baum, für das keine weiteren Ursachen ermittelt werden • (können), stellt ein so genanntes Basisereignis dar. • Die normativen Grundlagen sowie einfache Rechenregeln finden sich in • der IEC 61025. Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.6 Fehlerbäume (Fault Trees) – Common Cause Failures • Grenzen: • ist nur bei Wahrscheinlichkeiten exakt • bei der Berechnungen von Eintrittsraten liefert das Verfahren nur Näherungswerte • UND-verknüpfte Ereignisse müssen unabhängig voneinander sein, ansonsten sind zusätzlich ODER-Verknüpfungen erforderlich • Keine zeitliche Abfolge modellierbar Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.7 Markovketten • Markovketten sind Zustandsübergangsdiagramme, mit deren Hilfe zeitliche Verläufe von Zustandsvariablen mit Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und Übergangsraten ermittelt werden können • Hierzu müssen zuerst die verschiedenen möglichen Zustände eines Systems festgelegt werden (Normalbetrieb, gefährliche oder ungefährliche Ausfallzustände) • Danach werden die möglichen Übergänge zwischen den Systemzuständen bestimmt mitsamt der Übergangsraten in Richtung der gefährlichen bzw. ungefährlichen Zustände • Aus dem Markovmodell kann unmittelbar ein lineares Differenzialgleichungssystem abgeleitet werden Ralf Pinger / Stefan Gerken

3.7 Markovketten Grenzen: • Nur anwendbar bei konstanten Übergangsraten (meistens gültig für elektronische Einzelkomponenten) Ralf Pinger / Stefan Gerken

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