Protecting intellectual property in multi-supplier ship powertrain co-simulation
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024-01-22
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
78
Series
Abstract
Ship powertrains are multi-component systems, whose components are often provided by different suppliers. For optimizing the performance of a ship powertrain, combining its components into a full system simulation is necessary during powertrain design. Full system simulation would be possible in most cases, as suppliers have accurate simulation models of their components. However, the simulation models often contain intellectual property (IP), making suppliers reluctant to share them. Measures are needed to protect IP in simulation models before sharing the models. The present study investigates the protection of IP in simulation models. A comprehensive literature review was conducted to identify methods that can be used to transform component models into versions that hide IP while maintaining the original dynamics. Four protection methods were identified: 1.) binary-only Co-simulation Functional Mock-up Units (FMU), 2.) data-driven reduced order modelling, 3.) model-based reduced order modelling, and 4.) source code obfuscation. FMUs are standard format for simulation models, described in Functional Mock-up Interface (FMI) which is a tool independent standard for sharing simulation models and integrating component models together. A case study was conducted, considering a simple powertrain model that encompasses several subsystems. For each subsystem, a Simulink model was developed. The subsystem models were protected with the following methods: 1.) Converting them into binary-only FMUs, 2.) Training Long Short-Term Memory (LSTM) network to mimic the models, and 3.) Source code obfuscation. Four distinct system simulations were constructed: one combining the non-protected subsystem models, and three IP-protected system simulations. These system simulation models were executed, and simulation accuracy and performance were analysed. Qualitative analysis was conducted to evaluate the IP protection methods according to several criteria: level of protection, accessibility, distributability and workload. For this evaluation, information gathered from the literature review, as well as practical experiences from protecting models in the case study, were used. The analysis recognized FMUs as the most preferable method. The results encourage the use of Co-simulation FMUs for IP protection. The internal workings of such FMUs are hidden to a large extent when the model code is distributed in binary format. Additional measures to increase the security of FMUs were recognized, most prominent being remote execution and limiting the inputs of an FMU to a certain range, while producing random outputs for inputs outside the range. Moreover, the results indicate that FMUs not only enable IP protection but facilitate conversion into a common format, ensuring a seamless workflow for collaboration between collaborators using different simulation tools.Laivojen voimalinjat koostuvat useista komponenteista, joilla on usein eri valmistajat. Voimalinjan suorituskyvyn optimoimiseksi systeemisimulointia, jossa komponentit simuloidaan yhdessä, tarvitaan suunnitteluvaiheessa. Systeemisimulointi olisi usein mahdollista, sillä komponenttivalmistajilla on yleensä tarkkoja simulaatiomalleja tuotteilleen. Valmistajat eivät kuitenkaan yleensä jaa tarkkoja simulaatiomallejaan, sillä ne voivat sisältää aineetonta omaisuutta. Tämän vuoksi tarvitaan menetelmiä, joilla simulaatiomalleja voidaan suojata ennen niiden jakamista. Tätä kutsutaan IP-suojaukseksi. Tämä diplomityö tutkii simulaatiomallien IP-suojausta. Aiheesta tehtiin kirjallisuuskatsaus, jossa tunnistettiin seuraavat IP-suojaukseen soveltuvat menetelmät: 1.) Mallien jakaminen Co-simulation Functional Mock-up Unit (FMU) -malleina 2.) Datapohjaisen mallin kouluttaminen alkuperäisestä mallista 3.) Dynaamisen systeemin redusointi ja 4.) Mallin jakaminen tarkoituksellisesti monimutkaistettuna lähdekoodina. Menetelmistä FMU-mallit liittyvät Functional Mock-up Interface (FMI) -standardiin, joka on kehitetty simulaatiomallien jakamiseen ja yhdistämiseen. Työssä toteutettiin case-tutkimus, joka keskittyi useasta komponentista koostuvaan voimalinjamalliin. Kullekin komponentille kehitettiin Simulink-malli, joista kukin IP-suojattiin seuraavilla menetelmillä: 1.) Binäärimuotoinen Co-simulation FMU, 2.) takaisinkytketty neuroverkko lyhytkestomuistiarkkitehtuurilla (engl. long short-term memory, lyh. LSTM), 3.) Monimutkaistettu lähdekoodi. IP-suojatuista malleista rakennettiin systeemisimulaatiot niin, että kullakin menetelmällä suojatut komponenttimallit yhdistettiin omiksi malleikseen. Myös suojaamattomat komponenttimallit yhdistettiin omaksi systeemisimulaatiokseen. Siten neljä eri systeemisimulaatiota suoritettiin, ja niiden suoritusaikoja ja suojattujen simulaatioiden tarkkuuksia vertailtiin. Kirjallisuuskatsauksessa tunnistetuille IP-suojausmenetelmille suoritettiin kvalitatiivinen analyysi hyödyntämällä kirjallisuuskatsausta ja case-tutkimuksen käytännön kokemuksia. Analyysin tavoitteena oli vertailla menetelmiä seuraavien laadullisten kriteerien perusteella: suojaustaso, menetelmän on saatavuus, menetelmällä suojatun mallin jaettavuus, ja menetelmän työläys. Vertailussa FMU-mallit pärjäsivät parhaiten. Työn tulokset kannustavat IP-suojauksen toteuttamiseen binäärimuotoisilla FMU-malleilla, joilla mallin sisäinen toiminta voidaan pitkälti peittää. Mahdollinen lisäkeino FMU-mallien turvallisuuden lisäämiseen on niiden suorittaminen etäyhteydellä. Turvallisuutta lisäävänä keinona ehdotetaan myös FMU-mallin toiminnan rajoittamista siten, että se tuottaa tuloksia vain tietyillä sisääntulojen alueilla. Laajemmasta näkökulmasta katsottuna tulokset osoittavat, että FMU-mallit tarjoavat yhdessä sekä yhteisen esitystavan simulaatiomalleille että mallien IP-suojauksen, mikä helpottaa yhteistyötä eri simulaatiotyökaluja käyttävien suunnittelun osapuolten välillä.Description
Supervisor
Viitala, RaineThesis advisor
Ala-Laurinaho, RikuKeywords
intellectual property, simulation model, IP protection, functional mock-up Unit
