Analyse et spécification formelle des systèmes d’enclenchement ferroviaire basés sur les relais

Analysis and formal specification of relay-based railway interlocking systems

• Auteur / Autrice : Dalay Israel De Almeida Pereira
• Direction : Simon Collart-Dutilleul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, Automatique
• Date : Soutenance le 15/10/2020
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Évaluation des systèmes de transports automatisés et de leur sécurité (ESTAS) - Évaluation des Systèmes de Transports Automatisés et de leur Sécurité / COSYS-ESTAS
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Bodeveix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Bon, Matthieu Perin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Dubois, Treharne Helen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Signal, Théorie du (télécommunications)

Enclenchements (chemins de fer)

B (méthode formelle)

Sécurité ferroviaire

Méthodes formelles (informatique)

Mots clés libres

Systèmes d'enclenchement ferroviaire

Diagrammes de relais

Méthodes formelles

Méthode B

Spécifications formelles

Modèles logiques

Railway interlocking systems

Relay diagrams

Formal methods

B-Method

Formal specification

Logical models

Résumé

Les Systèmes d'Enclenchement Ferroviaire (SEF) basés sur des relais sont des systèmes critiques, ils doivent être spécifiés et leur sécurité doit être prouvée afin de garantir l'absence de dangers lors de leurs exécutions. Toutefois, il s'agit d'une tâche difficile, car les SEF à relais ne sont généralement modélisés que de manière structurelle, de sorte que leur analyse comportementale est effectuée manuellement sur la base des connaissances des experts sur le système. Cependant, l'existence d'une description formelle du comportement des SEF est impérative pour pouvoir effectuer des preuves de sécurité. En outre, comme les SEF informatisés ont tendance à être moins chers, plus faciles à entretenir et à faire évoluer, le secteur ferroviaire a intérêt à ce qu'il existe une méthodologie pour transformer des SEF à relais existants en SEF informatisés.Les méthodologies formelles de spécification sont fondées sur des bases mathématiques solides qui permettent de prouver la sécurité des systèmes. En outre, de nombreux langages de spécification formelle prennent en charge non seulement la vérification, mais aussi la mise en œuvre de ces systèmes par un processus de développement formalisé. Ainsi, les méthodes formelles peuvent être la clé pour prouver la sécurité des SEF et les mettre en œuvre en utilisant des technologies informatiques.Cette thèse aborde deux propositions principales. Premièrement, elle présente une analyse des informations des diagrammes à relais et de la formalisation de la structure et du comportement des SEF basés sur des expressions mathématiques afin de créer un certain niveau de formalisation des systèmes. Le modèle résultant peut être étendu et adapté afin de se conformer à différents contextes ferroviaires et il peut aussi être utilisé afin de soutenir la spécification de ces systèmes dans différents langages de spécification formels. Ensuite, cette thèse présente comment le modèle formel des SEF peut être adapté afin de spécifier formellement ces systèmes selon la méthode B, un langage de spécification formel qui a déjà été utilisé avec succès dans le domaine ferroviaire et qui permet de prouver la sécurité du système et de le mettre en œuvre en tant que système informatique.En définitive, cette thèse présente une méthodologie complète pour la spécification et la vérification des Systèmes d'Enclenchement Ferroviaire basés sur des relais, en fournissant un support pour la preuve des systèmes dans différents contextes et pour leur spécification et leur mise en œuvre dans de nombreux langages formels différents.

Relay-based Railway Interlocking Systems (RIS) are critical systems and must be specified and safety proved in order to guarantee the absence of hazards during their execution. However, this is a challenging task, since Relay-based RIS are generally only structurally modelled in a way that their behavioural analysis are made manually based on the experts knowledge about the system. Thus, the existence of a RIS behavioural formal description is imperative in order to be able to perform safety proofs. Furthermore, as Computer-based RIS tend to be less expensive, more maintainable and extendable, the industry has interest in the existence of a methodology for transforming the existing Relay-based RIS into Computer-based RIS.Formal specification methodologies are grounded in strong mathematical foundations that allow the systems safety proof. Besides, many formal specification languages support not only the verification, but also the implementation of these systems through a formal development process. Thus, Formal Methods may be the key in order to prove the RIS safety and implement them with computer-based technologies.This thesis addresses two main propositions. Firstly, it presents an analysis of the relay diagrams information and a formalisation of the Relay-based RIS structure and behaviour based on mathematical expressions as a way to create a certain level of formalisation of the systems. The resulting model can be extended and adapted in order to conform to different railway contexts and it can be used in order to support the specification of these systems in different formal specification languages. Then, this thesis presents how the RIS formal model can be adapted in order to formally specify these systems in B-method, a formal specification language with a successful history in the railway field and which allows the system safety proof and implementation as computer-based systems.As a result, this thesis presents a complete methodology for the specification and verification of Relay-based Railway Interlocking Systems, giving support for the systems safety proof in different contexts and for their specification and implementation in many different formal languages.