Simulation-based testing of an all-electric subsea valve for safety demonstration

Abstract

Forskningsenteret for Subsea Produksjon og Prosessering har et pågående prosjekt med formål å utvikle en digital tvilling for sikkerhetsdemonstrasjon av et hel-elektrisk aktuatorsystem for en subsea ventil. Doktorgradskandidat Ludvig Björklund står for forskningen. Selv om hel-elektriske ventiler ikke er nye i bransjen, er de nye innenfor sikkerhetskritiske funksjoner i Norge. Før den hel-elektriske ventilen kan brukes til dette formålet, kreves det dokumentasjon som viser at den oppfyller sikkerhetskravene.

Digitalisering og automatisering fortsetter å drive fremkomsten av komplekse systemer. I denne sammenhengen har det dukket opp nye teknikker, som simuleringstyrte metoder, for automatisert testing og verifisering av komplekse systemer. Disse metodene bruker simuleringer av en digital modell for å teste ulike scenarioer.

For å takle disse utfordringene undersøker denne avhandlingen to typer simuleringstyrt testingmetoder, hvorav den ene er implementert på en digital tvilling. Den digitale tvillingen av den hel-elektriske ventilen inkluderer blant annet et lithium-ion-batteri og et batteristyringssystem. I parallell med denne masteroppgaven har Ludvig Björklund implementert en enkel digital tvilling. Forfatteren av denne avhandlingen har eksportert og implementert den digitale tvillingen i Python for å skape et allsidig testmiljø.

I Python har det blitt implementert optimeringsstyrt falsifisering ved hjelp av signaltemporal logikk og bayesisk optimering. Dette har blitt anvendt på flere feilscenarier på den digitale tvillingen. Batteristyringssystemet har ansvaret for å observere og håndtere feil i batteriet. Målet var å bruke optimeringsstyrt falsifisering for å finne dårlige parametere som kan injisere feil i batteriet og observere håndteringen av batteristyringssystemet. Én test-case er implementert i et grafisk brukergrensesnitt for å demonstrere testmetoden for testingeniører.

Metoden klarte å identifisere eksempler på falsifisering og injiserte feil som batteristyringssystemet ikke klarte å håndtere.

The Research Center for Subsea Production and Processing has an ongoing project to develop a digital twin for the safety demonstration of an all-electric actuation system for a subsea valve. The research is conducted by Ph.D. candidate Ludvig Björklund. All-electric valves are not new to the industry but are new for safety-critical functions in Norway. Before the all-electric valve can be used for this, it should be provided documentation that the valve meets the safety requirements.

Digitization and automation continue to drive the emergence of complex systems. In this context, novel techniques such as simulation-guided approaches are emerging for automatic testing and verification of complex systems. These approaches utilize a digital model and simulations to test different scenarios.

To address these challenges, this thesis investigates two types of simulation-guided testing approaches where one is implemented on a digital twin. The all-electric valve's digital twin comprises a lithium-ion battery and a battery management system, among other things. For this master thesis, a simple digital twin has been implemented by Ludvig Björklund. As part of this thesis work, the digital twin has been exported to a functional mock-up unit and implemented in Python to provide a versatile testing environment.

In Python, optimization-guided falsification using signal temporal logic and Bayesian optimization have been implemented and applied to several fault scenarios on the digital twin. The battery management system is responsible for observing and handling faults in the battery. The objective was to use the optimization-guided falsified to search for bad inputs to inject faults into the battery and observe the management of the battery management system. One test case has been implemented in a graphical user interface to showcase the testing method to test engineers.

The method successfully identified falsifying examples and injected faults the battery management system could not resolve.