Digital safety manager: IoT service to assure the safe behaviour of machines and controls in the digital industry

Abstract

The digital industry requires increasingly complex and reliable software systems. They need to control and make decisions at runtime, and that decision making can become very critical. As a consequence, the verification and validation of these systems has become a major research challenge. At design and development time, model testing techniques are used while run-time verification aims at verifying that a system satisfies a given property. The latter technique complements the former. The solution presented in this paper targets embedded systems whose software components are designed by state machines defined by Unified Modelling Language (UML). The CRESCO (C++ REflective State-Machines based observable software COmponents) platform generates software components that provide internal information at runtime and the verifier uses this information to check system-level reliability/safety contracts. The verifier detects when a system contract is violated and initiates a safeState process to prevent dangerous scenarios. These contracts are defined by internal information from the software components that make up the system. Thus, as demonstrated in the tested experiment, the robustness of the system is increased. All software components (controllers), such as the verifier, have been deployed as services (producers/consumers) of the Arrowhead IoT platform. Thus, the entire development and proposed solution runs on the Arrowhead IoT platform and the controllers are deployed on local Arrowhead platforms (Edge) and the verifier (Safety Manager) is deployed on an Arrowhead platform (Cloud) that will consume controllers on the Edge and ensure the proper functioning of the plant controllers.

La industria digital, requiere de sistemas de software cada vez más complejos y a su vez más fiables. Necesitan controlar y tomar decisiones en tiempo de ejecución y esa toma de decisión puede llegar a ser muy crítica. Como consecuencia, la verificación y validación de estos sistemas se ha convertido en un reto de investigación importante. En tiempo de diseño y desarrollo se usan técnicas testeo de modelos mientras que la verificación en tiempo de ejecución tiene como objetivo verificar que un sistema satisface una propiedad dada. Esta segunda técnica complementa a la primera. La solución que se presenta en este artículo apunta sistemas embebidos cuyos componentes software están diseñados por máquinas de estado definidos mediante Unified Modelling Language (UML). La plataforma CRESCO (C++ REflective State-Machines based observable software COmponents), genera componentes software que proporcionan información interna en tiempo de ejecución y el verificador utiliza esta información para comprobar los contratos de fiabilidad/safety del nivel del sistema. El verificador detecta cuando se viola un contrato del sistema e inicia un proceso de safeState para prevenir escenarios peligrosos. Dichos contratos se definen mediante información interna de los componentes software que integran el sistema. Así, como se demuestra en el experimento evaluado, la robustez del sistema aumenta. Todos los componentes software (controladores) como el verificador desarrollado, se han desplegado como servicios (productores/consumidores) de la plataforma IoT Arrowhead. Así, todo el desarrollo y la solución propuesta funciona en la plataforma IoT Arrowhead y los controladores se despliegan en plataformas Arrowhead locales (Edge) y el verificador (Safety Manager) se despliega en una plataforma Arrowhead (Cloud) que consumirá de controladores en el Edge y velará por el buen funcionamiento de los controladores de planta.