電腦控制系統中模式混淆之偵測
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(2) 太 空 與 醫 療 等 系 統，通 稱 為 安 全 關 鍵 性 計. 組 資 料 庫，來 預 測 操 作 員 內 心 認 為 的 系 統. 算. co mputing. 模式，並比較是否與系統目前的模式相. systems)。 安 全 關 鍵 性 軟 體 與 一 般 商 用 軟. 左，可 即 時 給 予 操 作 員 相 關 的 警 訊，進 而. 體最大的不同在於安全關鍵性軟體與大. 避 免 因 模 式 混 淆 所 造 成 的 重 大 意 外 事 件。. 系. 統. (safety. critical. 眾 的 生 命 安 全、財 產 有 密 切 的 關 係，當 軟. 第二章為相關的背景研究，第三章. 體 發 生 意 外 時，將 造 成 的 嚴 重 後 果。通 常. 說 明 我 們 的 方 法 論，在 第 四 章 我 們 以 鍋 爐. 此 類 型 的 系 統 多 數 為 複 合 式 系 統 (hybrid. 系 統 作 為 個 案 的 研 究 與 分 析，最 後 提 出 簡. syste m) 包 含 硬 體 、 自 動 化 電 腦 控 制 系 統. 單的結論。. 與操作人員三部份。. 2. 研究背景. 現行的自動化系統控制改變了傳統 人 為 控 制 的 角 色。人 機 界 面 的 不 良 設 計 可. 2.1 模式混淆( mo d e c o n f u s i o n ). 能引發操作員對硬體系統及自動化系統. 當操作員對系統現行的模式不清楚. 執 行 狀 態 的 誤 解，此 種 誤 解 稱 作 模 式 混 淆. 時 ， 稱 為 模式混淆( m o d e c o n f u s i o n ) 。 操 作. ( mode confusion)[4][5][6][9] 。 模 式 混 淆. 員常因知識不足或對現狀錯誤的認知引. 是 造 成 航 空 事 故 的 主 因 之 一。例 如 飛 機 處. 發 系 統 的 意 外 。 Leveson[3][4][5][8] 將 安. 於 自 動 航 行 模 式 時，機 長 卻 認 為 飛 機 處 於. 全關鍵系統中設計缺失所造成的潛在模. 手 動 模 式，如 此 的 模 式 混 淆 極 有 可 能 造 成. 式混淆，分為六類，分述如下：. 飛 機 失 控 而 導 致 意 外。因 此 若 能 偵 測 及 消. . 界 面 解 讀 錯 誤 (Interface Interpretation. 除 潛 在 的 模 式 混 淆，將 可 大 幅 減 少 不 必 要. Errors)： 系 統 對 使 用 者 輸 入 的 值 產 生. 的 人 為 損 害，提 高 安 全 關 鍵 性 軟 體 的 可 靠. 誤解並給予錯誤的輸出值，因而造成. 度 及 保 障 大 眾 的 生 命 安 全。故 本 研 究 發 展. 錯誤。. 了一套複合式系統人機介面模式混淆偵. . 不 一 致 行 為 (Inconsistent Behavior) ：. 測 的 方 法。我 們 的 方 法 不 僅 能 夠 在 早 期 系. 當系統中存在不一致的行為，使得相. 統 開 發 階 段，偵 測 出 可 能 造 成 模 式 混 淆 的. 同的輸入卻造成不同的行為結果。. 設 計 ， 亦 能 夠 在 執 行 階 段 (run time ) 即 時. . 偵測到模式混淆的發生。. 間 接 模 式 改 變 (Indirect. Mode. Changes) ： 系 統 沒 有 收 到 操 作 員 明 確. 在設計階段，我們以狀態圖和條列. 的指令卻自動轉換模式時，則稱為間. 式 規 則 表 的 方 式，分 別 表 達 自 動 化 系 統 應. 接模式改變，通常這樣的模式轉換會. 有的動作以及操作員依據常識判斷而對. 造成意外事故的發生。. 系 統 做 出 的 反 應 動 作，藉 由 兩 者 的 比 對 找. . 非 預 期 的 副 作 用 (Unintended. Side. 出 操 作 員 對 系 統 不 熟 悉、易 出 錯 的 操 作 方. E f f e c t s )： 某 些 操 作 行 為 可 能 引 發 操 作. 式或是系統訊息可能表達不清楚的地. 員 未 知 的 額 外 效 應（ 副 作 用 ）， 意 外 因. 方，我 們 可 根 據 得 到 的 結 果 進 一 步 加 強 、. 而產生。. 改 善 系 統 人 機 界 面 的 設 計，以 達 到 降 低 模. . 式混淆發生的機率。. Feedback)： 系 統 回 饋 的 資 訊 不 完 整 而. 在執行階段，我們在系統中加入模 式 混 淆 偵 測 模 組 (mode. 缺 少 合 適 回 饋 (Lack of Appropriate. 造成操作員對操作模式混淆，進而引 發錯誤。. confusion. detection module)， 藉 由 擷 取 操 作 員 的 反. . 應動作與模組內儲存的模式混淆偵測模. 操 作 員 權 限 限 制 (Operator Authority L i m i t s )：內 鎖 ( i n t e r l o c k ) 等 系 統 保 護 動. 2.
(3) 作，讓操作員在緊急狀況下，無法得. 一種感應組合值只對應到一種系統模. 到適當權限。. 式，而 系 統 模 式 則 允 許 有 多 種 的 感 應 組 合. 現 行 模 式 偵 測 (mode detection) 的 方. 值 ， 例 如「 高 水 位 、 高 壓 力 、 高 溫 度 」就. 法 不 多，更 是 未 見 能 自 動 化 的 偵 測 方 法 。. 是 一 組 感 應 組 合 值，將 各 種 組 合 歸 類 到 系. 本研究發展一套有系統的事前和執行階. 統 模 式 中。其 中 不 同 的 感 應 值 組 合 狀 態 會. 段 的 模 式 混 淆 偵 測 方 法，以 改 善 人 機 介 面. 有其對應的反應動作。. 設計的安全性。. 當建構好系統模式架構圖後，我們 以 條 列 式 規 則 表 (rule-based table)依 據 不. 3. 研究方法. 同的狀態和感應組合值來表示系統的反. 我們的方法包含事前設計階段的分. 應 動 作 以 及 操 作 員 的 反 應 動 作。在 規 則 表. 析 及 執 行 時 的 即 時 偵 測 兩 大 部 分，詳 述 如. 的 定 義 中，表 頭 的 資 料 表 示 系 統 的 主 要 模. 下。. 式（ 狀 態 ）和 感 應 值 組 合 ， 接 著 列 出 系 統 反 應、硬 體 設 備 設 定 狀 態 及 所 對 應 的 操 作. 3.1 設計階段的模式混淆偵測方法. 員或自動化系統的反應動作，如表 1 所. 首先我們發展潛在模式混淆偵測的. 示。. 分 析 方 法。第 一 步 驟 我 們 將 系 統 以 視 覺 化. 表 1 條列式規則表. 的方式來建構，在此我們利用狀態圖 (statechart)建 構 整 體 系 統 的 模 式。接 著 根 據 狀 態 圖 中 的 各 種 模 式，我 們 依 據 模 式 內 不同的感應組合值制訂條列式規則表 (rule-based table)， 分 別 表 達 自 動 化 系 統. 當自動化系統反應動作和操作員反. 應有的動作以及操作員依據常識判斷而. 應 動 作 以 表 格 的 方 式 呈 現 後，第 一，可 採. 對 系 統 做 出 的 反 應 動 作。藉 由 兩 者 的 比 對. 用人工的方式來比對相同的狀態條件下. 找 出 人 機 界 面 上 設 計 的 缺 失，以 便 加 強 人. 是 否 擁 有 相 同 的 操 作 動 作，以 找 出 潛 在 的. 機界面的互動性。. 模 式 混 淆，第 二，若 是 狀 態 條 件 很 多，則. 由 於 狀 態 圖 具 有 階 層 式 (hierarchical). 可 以 將 系 統 模 式、量 測 組 合 和 其 他 狀 況 以. 的 表 達 特 性，所 以 我 們 利 用 其 特 性 將 系 統. 代 碼 表 示，並 儲 存 於 資 料 庫 中，以 便 將 來. 分 成 兩 層 不 同 角 度 的 狀 態 圖，第 一 層 為 主 要 模 式 狀 態 圖 (Primary. mode. 用 於電腦 搜尋、 排列和 比對。 其中自 動. state. 化系統反應動作可從軟體規格和需求得. diagra m) ， 第 二 層 為 感 應 值 組 合 狀 態 圖. 到。而 操 作 員 反 應 動 作 主 要 可 根 據 操 作 員. (Co mbination of se nsor state diagra ms)。. 對 於 系 統 的 常 識 (commo n se nse) 作 為 判. 第一層的主要模式狀態圖包含各種. 斷依據。. 正 常 和 異 常 的 狀 態 模 式，表 達 整 體 系 統 的 模 式。第 二 層 的 感 應 值 組 合 狀 態 圖 表 達 系. 3.2 執行階段的模式混淆偵測方法. 統 的 細 部 狀 態。我 們 將 系 統 每 一 種 感 應 器. 在 人 機 介 面 模 式 混 淆 的 議 題 中，除 了. 的 (sensor)量 測 數 值 劃 分 成 數 個 區 段 ， 例. 事 前 找 出 可 能 發 生 的 問 題 以 外，如 何 在 執. 如 將 量 測 水 位 區 分 成 高 中 低 三 種 水 位，並. 行階段也能夠預測或是偵測可能的問題. 依照不同感應器的量測區段來進行組. 也 是 一 項 相 當 重 要 的 課 題。所 以 我 們 在 系. 合，這 樣 的 組 合 表 示 系 統 目 前 的 狀 況。每 3.
(4) 統 中 加 入 模 式 混 淆 偵 測 模 組 (mode. 模 式，所 以 我 們 必 須 進 一 步 分 析 系 統 的 狀. confusion detection module) 來 幫 助 系 統. 況 條 件，來 判 斷 出 系 統 的 改 變 是 在 哪 一 狀. 和 操 作 員 之 間 的 運 作，圖 1 為 我 們 所 提 出. 態 模 式 中。故 我 們 希 望 模 式 混 淆 偵 測 模 組. 的系統架構圖。. 能夠由操作員動作來推論操作員的內心 模式。我們的步驟如下： 1.. 比對已建立的模式混淆偵測模組資 料 庫，一 旦 發 現 模 式 混 淆，則 以 訊 息 回 應 操 作 員 ， 否 則 繼 續 步 驟 2~4。. 2.. 把 所 有 的 硬 體 動 作 組 合 全 部 列 出，假 設 系 統 中 有 四 個 硬 體 設 備，每 種 硬 體 設 備 有 三 種 不 同 的 操 作，則 系 統 共 會 有 81 種 的 動 作 組 合 。. 3.. 每 種 動 作 組 合 必 定 對 應 一 種 目 的。例 如打開給水閥是為了使鍋爐水位上 升，而 這 樣 的 目 的 必 定 對 應 一 個 以 上. 圖 1. 系 統 架 構 圖. 的 系 統 狀 態 模 式。舉 例 而 言，在 正 常 模 式 可 以 加 水，在 低 水 位 模 式 也 可 以. 圖 1 中系統的硬體可以藉由電腦自. 加 水，所 以，不 同 的 動 作 組 合 將 可 對. 動 化 或 操 作 員 來 控 制，由 於 系 統 動 作 的 執. 應 到 系 統 不 同 的 模 式，因 此 我 們 可 以. 行 會 使 得 系 統 狀 態 改 變 並 回 饋 給 電 腦，電. 條 列 出 動 作 組 合 與 對 應 的 系 統 模 式。. 腦 再 將 訊 息 顯 示 給 操 作 員，根 據 不 同 的 訊 4.. 息，操 作 員 便 可 以 判 斷 下 一 操 作 步 驟。在. 最 後 分 析 感 應 器 得 到 的 訊 息 值，便 可 以 推 論 出 操 作 員 所 認 為 的 模 式，若 是. 圖中因此我們將模式混淆偵測模組加入. 推論出來的模式與系統的現行模式. 在 電 腦 和 操 作 員 之 間，一 方 面 收 集 系 統 目. 有所差異，則產生警示。. 前 的 狀 況，另 一 方 面 擷 取 操 作 員 控 制 系 統 的 指 令，其 中 在 模 組 內 部 的 比 對 方 式 是 藉. 4. 實作案例. 由 擷 取 操 作 員 的 指 令 動 作，來 推 論 操 作 員. 本 章 中 我 們 將 以 鍋 爐 (steam boiler). 認 為 系 統 目 前 的 模 式，並 加 以 比 對 系 統 目. 的案例來說明我們的方法。. 前 的 狀 況 和 模 式，若 是 推 論 的 模 式 和 系 統 目 前 的 模 式 並 不 一 致，則 可 能 是 產 生 了 模. 4.1 案 例 :蒸 氣 鍋 爐 系 統. 式 混 淆，此 時 必 須 即 時 給 予 操 作 員 適 當 警. 4.1.1 系 統 描 述. 訊，避免模式混淆的情況發生。. 針 對 鍋 爐 系 統 硬 體 和 環 境 (Physical enviro nme nt)描 述 [1][2]：. 由 操 作 員 動 作 推 論 操 作 員 的 認 知，可. A . 鍋 爐 ( s t e a m - b o i l e r )：鍋 爐 內 定 義 四 個 水. 能 產 生 多 種 推 論 結 果。舉 例 來 說，操 作 員. 位 ， 包 含 最 高 水 位 (M2) 、 最 低 水 位. 可 以 在 正 常 水 位 時，希 望 水 位 上 升，也 可. ( M 1 )、最 大 正 常 水 位 ( N 2 ) 與 最 小 正 常 水. 以 在 低 水 位 時，希 望 水 位 上 升，因 此 水 位. 位 ( N 1 ) 限 制， 當 鍋 爐 正 常 運 作 時， 水 位. 上 升 是 我 們 希 望 系 統 完 成 的 動 作，而 正 常. 應處於最大正常與最小正常水位之. 水位和低水位卻是系統兩種不同的狀態. 間，若是水位高於最高水位或是低於 4.
(5) 最 低 水 位 時，將 會 造 成 意 外 事 故 發 生 。. 急模式。. B. 給 水 閥 (pump)： 提 供 鍋 爐 進 水 控 制 。 C. 洩 水 閥 (valve)： 提 供 鍋 爐 出 水 控 制 。 D. 加 熱 器 (heater)： 提 供 鍋 爐 爐 水 加 熱 。 E. 空 氣 閥 ： 調 節 鍋 爐 內 壓 力 。 F. 蒸 氣 閥 ： 蒸 氣 出 口 。 G. 感 應 器 (sensor)： . 水 位 感 應 器 ( wa t e r - l e v e l s e n s o r, W)： 量 測 鍋 爐 內 水 位 。. . 溫 度 感 應 器 (temperature. s e n s o r,. T)： 量 測 鍋 爐 水 溫 度 。 . 壓 力 感 應 器 ( p r e s s u r e s e n s o r, P ) ： 量 測鍋爐內壓力，鍋爐內可承受的最 大 壓 力 為 P1， 最 大 正 常 承 受 壓 力 為. 圖 2： 主 要 模 式 狀 態 圖. P2。. 根據系統中的感應器建立第二層的 感 應 值 組 合 狀 態 圖 (Combination. 4 . 1 . 2 設計階段的模式混淆偵測. sensor state diagrams)， 依 照 系 統 三 種 不. 第一步驟先建構系統主要模式狀態圖. 同感應器所量測出來的不同條件狀態來. (Primar y mode sta te diagra m)， 其 中 鍋 爐. 組 合 鍋 爐 的 狀 況，在 此 我 們 以 系 統 模 式 為. 系 統 包 含 七 個 主 要 模 式 ( m o d e )，如 圖 2 所. 正 常 模 式 下 的 “ 壓 力 正 常 、 溫 度 >100 度. 示，分別為： . 與正常水位”為探討的案例。. 測 試 模 式 ( t e s t m o d e )：測 試 鍋 爐 內 的 硬. 我 們 對 系 統 模 式 為 正 常 模 式，而 感 應. 體是否正常。 . 組 合 為 “壓 力 正 常 、 溫 度 > 1 0 0 度 與 正 常 水. 啟 動 鍋 爐 模 式 (start boiler mode)： 將. 位 ”的 狀 態 下 ， 由 系 統 的 需 求 規 格 分 析 出. 鍋爐注水到一定量，並加熱直到產生. 對 應 的 條 列 式 規 則 表 (rule-based table)來. 蒸氣。 . 表達自動化系統的操作方式，如表 2 所. 正 常 模 式 (normal mode )： 水 位 和 壓 力. 示 。 例 如 當 系 統 的 反 應 是 “壓 力 逐 漸 上. 皆處於正常範圍的標準操作模式。 . 升 、 溫 度 快 速 下 降 、 水 位 快 速 上 升 ”且 硬. 減 水 模 式 (reduce mode) ： 當 水 位 低 於. 體 的 狀 態 為 “給 水 閥 ： 功 率 大 、 加 熱 器 ：. 最 小 正 常 水 位 (N1)時 ， 則 必 須 加 水 。 . 功 率 小 、 蒸 氣 閥 ： on 、 洩 水 閥 ： off 、 空. 提 升 模 式 ( e n h a n c e m o d e )：當 水 位 高 於. 氣 閥 ： o f f ”時 ， 此 時 自 動 化 系 統 的 反 應 動. 最 大 正 常 水 位 (N2)時 ， 則 必 須 釋 放 鍋. 作 則 為 “給 水 閥 功 率 降 一 級 ” 。接 下 來，我. 爐內的水。 . 們利用操作員的常識來分析操作員的模. 超 壓 模 式 (over-pressur e mode) ： 當 壓. 式，如表 3 為操作員對應的條列式規則. 力 超 過 設 定 的 最 大 正 常 承 受 壓 力 (P1). 表。. 時，則必須釋放壓力。 . 危 急 模 式 (emerge nc y mode)：. of. 當水. 位超過最高水位、低於最低水位或是 壓力高於最大承受壓力時，則進入危 5.
(6) 表2 自動化系統條列式規則表. 比較自 動 化 系 統 的 條 列 式 規 則 表 ( 表 2) 與操作員的條列式規則表(表 3)，我們可以得知自 動化系統反應與操作員反應有所出入，其中第 一 個混淆地帶為操作員在每一種操作動作 後，必 須 要 有 3 秒 鐘 的 等 待 回 應 時 間，但 是表 3 的操作員反應動作中完全疏忽 了。第 二 個 是 系 統 在 正 常 模 式 中，溫 度 和 水 位 同 時 有 問 題 時，則 必 須 以 溫 度 為 優 先 來 考 慮，在 表 3 編 號 5 中，卻 只 考 慮 到 水 位。另 外 第 三 個 是 為 了 防 止 快 速 熱 漲 冷 縮 對 鍋 爐 產 生 的 不 良 影 響，所 以 當 溫 度 快 速 上 升 時，操 作 員 必 須 有 相 對 應 的 動 作，但 是 表 3 中 的 編 號 6， 操 作 員 並 沒 有 任 何 的 反 應 動 作 ； 因 此 藉 由 條 列 式 規 則 表 (rule-based table)的 方 式 ， 在 設 計 階 段 便 可 發 現 模 式 混 淆 的 地 方，如 此 一 來 便 可 進 一 步 地 改 善 設 計 上 的 缺 失，加 強 人 機 界 面 設計的明確性。. 4.1.4 執行階段的模式混淆偵測 表 3 操作員條列式規則表. 在執行階段的偵測，首先我們在系統中加入 模 式 混 淆 偵 測 模 組 (mode. confusion. detection module)。 藉 由 擷 取 操 作 員 的 指 令 動 作，來 推 論 操 作 員 認 為 系 統 目 前 的 模 式，在 模 組 中 我 們 以 硬 體 動 作 對 應 系 統 模 式資料庫為主要的推論依據，如表 4 所 示。 表 4 模式混淆偵測模組資料庫. 6.
(7) 每一種硬體設備的動作都會對應到. 系 統 人 機 介 面 模 式 混 淆 偵 測 的 方 法，利 用. 一 種 到 兩 種 模 式。對 應 兩 種 模 式 的 動 作 例. 狀 態 圖 與 條 列 式 規 則 表 的 方 式，不 僅 能 夠. 子 如 操 作 員 的 動 作 為 “洩 水 閥 為 關 、 給 水. 在 早 期 系 統 開 發 階 段，偵 測 系 統 中 潛 在 的. 閥 轉 至 大 且 加 熱 器 功 率 為 小 ”時 ， 則 在 模. 模 式 混 淆 設 計，加 強 並 改 善 系 統 人 機 界 面. 組 中 可 能 對 應 的 是 提 升 模 式 (Enhance. 設 計 上 的 缺 失；亦 能 夠 在 執 行 階 段 即 時 偵. mode)和 超 壓 模 式 (Over-pressure mode)，. 測 模 式 混 淆 的 發 生，盡 早 通 知 操 作 人 員 相. 接下來此模組便根據判斷感應器所測量. 關 的 警 訊，以 降 低 模 式 混 淆 發 生 的 機 率 ，. 的數值來推論，若是壓力處於正常狀況. 避 免 因 模 式 混 淆 所 造 成 的 重 大 危 害 事 件。. 下，則 推 論 為 提 升 模 式，反 之 則 推 論 為 超. 6. 參考文獻. 壓模式。 鍋 爐 系 統 的 模 擬，如 圖 3 所 示。我 們. [1] 江坤達, “ 電腦控制系統中模式混淆偵測之發展. 利 用 此 模 擬 系 統 [1]， 模 擬 模 式 混 淆 的 偵. 與應用” ,元智大學資訊工程研究所,碩士論文,. 測。模 式 混 淆 可 能 因 操 作 員 的 疏 忽，也 可. 2004, 六月。. 能 是 硬 體 的 問 題，更 可 能 是 操 作 員 的 訓 練. [2] Jean- Raymond Abrial, “ Steam-boiler control. 不 足。因 此 此 模 擬 系 統 不 僅 能 夠 即 時 偵 測. specification problem,”August 10, 1994. [3] E. Bachelder et al. “ Describing and Probing. 模 式 的 混 淆，也 能 夠 訓 練 操 作 員 正 確 的 操 作 反 應，提 高 操 作 員 對 於 系 統 內 部 運 作 的. Complex. 認知。. Approach,”In the proceedings of the Aviation. System. Behavior:. A. Graphical. Safety Conference, Seattle, Sept. 2001. [4] R.W. B ut ler, S.P. M il l er, J . N. P o tt s, V. A. Car r eno,“A For malMet hodsAppr oach t ot he Anal ys i s of Mode Conf us i on, ” P r o c. o f 1 7 t h Di g it al Avio n ic s S ys t e ms co n f er e nc e,. Vo l. 1 , p p .C4 1 /1 - C4 1 /8 ,. 1998. [5]. N.. Leves on et al . “Anal yzi ng. G.. So ft war e. Sp eci f ic at io n s. fo r. Mo d e. Conf us i on Pot ent i al , ” Pr oceedi ngs of th e Wo r k s ho p o n H u ma n Er r o r a nd S ys te m De v elo p me n t, Gla sco w, M ar c h 1997. [ 6 ] N. G. Leveson and E. Palmer. “ Designing Automation to Reduce Operator Errors,”I nt h e. 圖 3 鍋爐系統模擬. Proceedings of Systems, Man, and Cybernetics. 5. 結論. Conference, Oct. 1997. 複合式系統的人機介面可能隱藏潛. [7]. D.. Ma c ke nz ie. “Co mp ut er-r ela ted. 在 模 式 混 淆 的 地 方，除 了 操 作 員 誤 解 資 訊. accid e nt al. 的 涵 意 外，缺 乏 即 時 的 回 應 訊 息 一 樣 會 導. exp lo r a tio n, ”S c ien c e a n d Pu b li c Po l ic y ,. 致 人 為 操 作 錯 誤。本 研 究 提 出 一 套 複 合 式. vo l 2 1 No ( 4 ) , p p .2 3 3 -2 4 8 , 1 9 9 4 . 7. d e at h :. an. e mp ir ica l.
(8) [ 8 ] J . R us hb y, J . Cr o w, E. Pal mer , “An Au to ma ted Me t ho d to Det ect P o te n tia l Mode Conf us i ons , ” P r o c.. of. 17th. Di g ita l Av io nic s S ys te ms co n f er e nc e, vo l 1 /1 7 , p p . 4 .B .2 -1 -4 . B .2 -6 , 1 9 9 9 . [ 9 ] Mario Rodriguez et al. “ Identifying Mode Confusion Potential in Software Design,”Digital Aviation Systems Conference, October 2000.. 8.
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