Contribution à l’évaluation de la sécurité et des performances opérationnelles des systèmes de localisation ferroviaire utilisant le GNSS par une approche fondée sur les modèles formels

Contribution to safety and operational performance evaluation of GNSS-based railway localization systems using a formal model-based approach

• Auteur / Autrice : Ouail Himrane
• Direction : Mohamed Ghazel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Évaluation des systèmes de transports automatisés et de leur sécurité (ESTAS)
• Jury : Président / Présidente : Juliette Marais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Beugin, Rim Saddem, Imane Ben Hafaiedh, Bob Janssen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Sallak, Ouajdi Korbaa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de transport intelligent

Méthodes formelles (informatique)

Évaluation

Localisation par satellites, Systèmes de

Sécurité ferroviaire

Signalisation ferroviaire

Localisation

Transports ferroviaires

Mots clés libres

Approche fondée sur les modèles

Positionnement des trains par GNSS

ERTMS/ETCS

Railway System Safety

Model-Based approach

GNSS-Based train positioning

Formal methods

ERTMS/ETCS

Intelligent transportation systems

Résumé

Les systèmes de transport ferroviaire sont des systèmes critiques dont les défaillances peuvent entraîner des pertes considérables (humaines, matérielles ou environnementales). Afin d'éviter les collisions et les déraillements de trains, des systèmes de Contrôle-Commande et de Signalisation ferroviaire (CCS) fournissent au conducteur les informations et les avertissements nécessaires lui permettant d'ajuster la vitesse du train ou de freiner si nécessaire.Dans le but d'harmoniser les systèmes ferroviaires à travers l'Europe, le système européen ERTMS (European Rail Traffic Management System) a été défini. Plus précisément, l'utilisation de sa composante de contrôle des trains ETCS (European Train Control System) est requise pour garantir l'exploitation sûre et interopérable des trains. Afin de répondre à la demande croissante et renforcer la compétitivité des services de transport ferroviaire, l'introduction de solutions innovantes est actuellement à l'étude en vue de l'évolution de l'ETCS. Dans ce contexte, les technologies de rupture comme celles s'appuyant sur les GNSS (systèmes globaux de navigation par satellites) sont explorées pour permettre aux trains de déterminer leur position de manière autonome et continue. Ainsi, il sera possible d'implémenter des principes d'exploitation plus flexibles (tels ceux liés aux cantons mobiles) permettant d'augmenter la capacité des lignes tout en réduisant les coûts de maintenance et d'exploitation.Toutefois, l'introduction de ces innovations technologiques entraîne l'apparition de nouveaux risques qui doivent être analysés méticuleusement. En conséquence, l'un des principaux défis consiste à fournir des preuves de sécurité permettant la certification de ces nouveaux systèmes. En outre, les approches classiques d'analyse de la sécurité (par exemple, AMDEC, HAZOP, FTA) montrent des limites face à la complexité de ces systèmes. Ainsi, des techniques d'analyse de sécurité et de performance plus adaptées doivent être élaborées.Ces travaux de thèse s'inscrivent dans ce contexte en proposant une approche orientée modèles afin d'évaluer des propriétés de sécurité et de performance liées à l'utilisation de systèmes de localisation intégrant les GNSS pour l'exploitation ferroviaire. Compte tenu de l'aspect critique de la sécurité liée à la fonction de localisation, les méthodes formelles qui reposent sur des fondements mathématiques et logiques rigoureux sont mises à profit. En particulier, les formalismes d'automates temporisés probabilistes sont employés. Concrètement, ces notations permettent de prendre en compte les aspects temporels et aléatoires dans le comportement de la fonction de localisation, de manière à refléter les incertitudes liées au GNSS d'une manière fiable.Les modèles élaborés étant paramétrables, divers scénarios opérationnels considérant une large variété de configurations, peuvent ainsi être étudiés. Sur la base des modèles développés, des propriétés de sécurité et de performance à vérifier peuvent être formulées au moyen de logiques temporelles. En conséquence, l'analyse de ces caractéristiques peut être réalisée à l'aide de techniques de vérification analytique et de simulation. Cette phase d'évaluation permet d'obtenir des résultats qualitatifs et quantitatifs et offre la capacité d'anticiper l'impact de différents paramètres et choix fonctionnels sur la sécurité et les performances. Dans cette thèse, l'outil UPPAAL-SMC est utilisé comme support à notre approche et nous permet d'obtenir des résultats d'analyse numérique illustratifs en considérant divers cas d'étude opérationnels.La contribution proposée adoptant des techniques fondées sur des modèles répond avantageusement à la volonté croissante de réduire le recours aux essais sur site ferroviaire pour vérifier des conditions ou propriétés de sécurité. Ces essais étant coûteux et chronophages, ils peuvent compromettre l'introduction d'innovations techniques dans le secteur ferroviaire.

Railway transportation systems are safety-critical systems whose failures may result in considerable losses (human, material, or environmental). To avoid train collision or derailment, safety-related functions (e.g., management of routes allocation, safe distance separation between trains, and over-speed prevention) are implemented. These functions are at the core of railway control-command and signaling systems (CCS) which provide the driver with the relevant information and warnings to adapt the speed of the train or brake when necessary.The European Rail Traffic Management System (ERTMS) standard was defined with the aim of harmonizing the railway systems throughout Europe. More specifically, its component, the European Train Control System (ETCS) is essential to guarantee the safe and interoperable operation of trains. To enhance the competitiveness of rail transport services, the introduction of innovative solutions is under study in view of the evolution of ETCS. In this context, the adoption of Global Navigation Satellite System (GNSS) for train localization is investigated as a technology that can ensure an undeniable added value for railways. In particular, the adoption of such satellite-based solution should permit the train to determine its location autonomously and continuously. Hence, implementing more flexible operating principles (i.e., Moving Block) that pave the way for increasing line capacity while reducing maintenance and operating costs shall be possible.However, the introduction of such technological innovations leads to the emergence of new risks that need to be investigated meticulously. Accordingly, a main challenge is to provide safety evidence permitting the certification of these new systems. In particular, classical safety analysis approaches (e.g., AMDEC, HAZOP, FTA) show limitations in dealing with the complexity of such systems. Therefore, more adapted safety and performance analysis techniques need to be elaborated.The contribution of this thesis falls within this context by proposing a model-based approach to evaluate performance and safety properties related to the use of GNSS-based localization systems in railway. Specifically, the investigated method consists in translating the relevant behavior of the train localization system through a modular and configurable representation.Considering the safety-critical aspect of the localization function in railways, formal methods which are based on rigorous mathematical foundations are adopted in the present work. Namely, probabilistic timed automata formalisms are employed. Concretely, such notations allow for considering stochastic and dynamic aspects, so as to reflect the GNSS-related uncertainties in a trustworthy way.The elaborated models being parameterizable, various operational scenarios, considering a wide range of configurations, can be investigated. Such a feature is particularly relevant considering the impact of the environmental conditions on the GNSS performances.Then, the safety and performance properties to be checked can be formulated by means of temporal logics. Accordingly, the analysis of such features can be achieved by means of model-checking and simulation techniques. This evaluation phase yields both qualitative and quantitative results and allows for assessing the impact of various parameters and functional choices on both safety and performance. In this thesis, UPPAAL-SMC is used to set the tooling chain of our approach, and to provide illustrative numerical analysis results considering various operational cases study.Finally, as the present contribution implements a model-driven technique to perform safety analysis in railways, it is fully in line with the increasing willingness to reduce recourse to on-site tests in the railway sector (These tests being costly and time-consuming, they jeopardize the introduction of technical innovations in railway).