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23/11/2009 Analyses de sûreté de fonctionnement multi-systèmes Présenté par Romain Bernard Doctorant LaBRI / ONERA / Airbus

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23/11/2009

Analyses de sûreté de fonctionnement multi-systèmes

Présenté par

Romain BernardDoctorant LaBRI / ONERA / Airbus

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Plan

1. Introduction et objectifs de la thèse

2. Contexte

3. Raffinement AltaRica

4. Raffinement appliqué à la sûreté de fonctionnement

5. Conclusion

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Plan

1. Introduction et objectifs de la thèse

2. Contexte

3. Raffinement AltaRica

4. Raffinement appliqué à la sûreté de fonctionnement

5. Conclusion

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1. Conception de systèmes embarqués et SdF

• La sécurité dans l’aéronautique est une priorité: certificationBesoin d’analyses de sûreté de fonctionnement des systèmes

(SdF) pour garantir un niveau de sécurité requis

• Evolution des systèmes embarqués liée aux contraintes de poids:

systèmes multi-fonctions, intégration en haussecomplexité d’analyse croissante

Besoin d’outils d’aide aux analyses

• Les avionneurs s’intéressent aux méthodes formelles: modèles formels exploités à l’aide d’outils/services

Scade, Esterel, Simulink, etc… : conceptionAltaRica: sûreté de fonctionnement

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1. Utilisation des modèles dans le processus SdF

Documentsde

conception• Description du système

• Schéma d’architecture

AbstractionSdF du Système

InterpretationSdF

•Diagramme de dépendance

•Arbre de défaillances

Résultats de l’analyse SdF

Formalisationactuelle

Résultat informel lié à l’expertise de l’ingénieur

SdF

Modèle formel

Formalisationproposée

Générationautomatisée •Coupes minimales

exhaustives

Résultats de l’analyse SdF

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1. Objectifs industriels

• L’utilisation de modèles a introduit dans l’industrie le souhait d’une modélisation complète de l’avion:

Un modèle présentant tous les systèmes embarqués

Une méthodologie d’analyse multi-systèmes est nécessaire

• Les premières expérimentations de connexion de modèles ont montré:

Difficultés de création du modèle:– Gestion des interfaces entre modèles

Difficultés d’exploitation du modèle: – Lenteur des analyses, difficulté d’utilisation des résultats

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1. Approche proposée

• Raffinement: cohérence entre différents modèles d’un même systèmes

détaillé pour analyses mono-systèmeabstrait pour analyses multi-systèmes

• Cadre AltaRica: théorème de compositionnalité [Point2000]

bisimulation

A

A’bisimulation

AM

A’M’

• Objectif: théorème de compositonnalité pour du raffinementcoupler des modèles de niveaux de détail différents

• Conception industrielle de systèmes: processus incrémentalConception de modèles formels par raffinement progressif

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Plan

1. Introduction et objectifs de la thèse

2. ContexteSûreté de fonctionnementAltaRica et MecV

3. Raffinement AltaRica

4. Raffinement appliqué à la sûreté de fonctionnement

5. Conclusion

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2. Contexte détaillé: sûreté de fonctionnement

• Objectif:Vérifier que chaque système répond au critères réglementaires

imposés pour la certification

Fonctions

Ctl yaw

Situations redoutées

Loss of yaw ctl

HAZ

Coupes minimales

G.Fail & B.fail & P3.loss

• Principe:

Classification MIN MAJ HAZ CAT

Objectif (/FH) 10-3 10-5 10-7 10-9

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2. Processus actuel de SdF

Analysesfonctionnelles

→ fonctions → situations redoutées

Analyses de la sûreté de

fonctionnement

→ coupes minimales→ probabilité d’occurrence

(par heure de vol)

Vue système

Vue équipement

Vue avion

Vue multi-systèmes

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Plan

1. Introduction et objectifs de la thèse

2. ContexteSûreté de fonctionnementAltaRica et MecV

3. Raffinement AltaRica

4. Raffinement appliqué à la sûreté de fonctionnement

5. Conclusion

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2. Contexte détaillé: AltaRica

• Projet AltaRica:Collaboration chercheurs (LaBRI) et industriels (Dassault…)Création d’un langage formel pour la sûreté de

fonctionnement

• Langages AltaRica:Langage originel: contraintesLangage « industriel »: flot de données

• OutilsSimulationModel checkingGénération de coupes/séquences

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2. AltaRica: présentation

node Cpu1

edon

Hypothèses/spécification

state

Status : {ok, err, lost};

init

Status := ok;

flow

Output : {ok, err, lost} : out;

event

error, loss;

extern

law <loss> = exp (1 e -4)

law <error> = exp (1 e -7);

trans

Status = ok |- error -> Status := err;

Status != lost |- loss -> Status := lost;

assert

Output = Status;

Description textuelle d’un noeud AltaRica

• Soit un calculateur « Cpu1 »:

• deux modes de défaillances erroné et perdu

→Trois états possibles: ok (initial), err et lost

• une sortie correcte, erronée ou perdue

→Trois valeurs possibles: ok, err et lost

• deux défaillances: erreur et perte

Status = err

ErrorLoss

LossStatus = lost

Status = ok

• le signal en sortie correspond à l’état du calculateur

• Un composant AltaRica est appelé nœud

Représentation graphique du noeud AltaRica

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• La sémantique d’un nœud AltaRica est un système de transition interfacé:

Configurations: variables d’état et de fluxTransitions

2. AltaRica: sémantique

Status = err

Output = err

ErrorLoss

Loss

Status = lost

Output = lost

Status = ok

Output = ok

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2. AltaRica: hiérarchie

node RudderCtl

sub

P1,P2,P3:Cpu1;

assert

G.in = P1.Output;

sync

<P1.loss,P2.loss,P3.loss>;

edon

Description textuelle Représentation graphique

• Un nœud AltaRica peut contenir des instances d’autres nœuds.

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• AltaRica est adapté aux modèle dits « de propagation de défaillance »:

Actions nominales (reconfigurations, détections d’erreur…)Défaillances

2. AltaRica: modèle pour la SdF

Observateur

Modèle

Cpu

ServoCtl

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• Model checker développé au LaBRI (A.Vincent),

• Capable de:Traiter directement du code AltaRicaManipuler plusieurs nœuds à la foisEffectuer des calculs de points fixes (plus grand ou plus petit)

– pour un ensemble d’états donné, recherche du sous-ensemble d’états satisfaisant les conditions spécifiées

• Outil de calcul nécessitant l’écriture des formules souhaitées dans un langage propre (inspiré du µ-calcul)

2. MecV

ReachA(s) += nodeA!init(s)

| <u><e>(ReachA(u) & nodeA!t(u,e,s));

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Plan

1. Introduction et objectifs de la thèse

2. Contexte

3. Raffinement AltaRica

4. Raffinement appliqué à la sûreté de fonctionnement

5. Conclusion

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• Besoins industriels:Compositionnalité (pour analyses multi-systèmes)

Préservation des résultats d’analyse (coupes/séquences)

• La compositionnalité sous-entend que tout raffinement d’un système peut être utilisé dans un modèle multi-systèmes:

variables de flux du modèle abstrait à conserver

3. Objectifs liés aux besoins industriels

raffinement

A

A’raffinement

AM

A’M’

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• Substitution d’événement

3. Candidats au raffinement

node Cpu0’

event

loss1, loss2;

trans

Status != lost |- loss1, loss2 -> Status := lost;

edon

node Cpu0

event

loss;

trans

Status != lost |- loss -> Status := lost;

edon

Status = err

Output = err

Loss1

Status = lost

Output = lost

Status = ok

Output = ok

Loss2Loss

Status = lost

Output = lost

Status = ok

Output = ok

Status = err

Output = err

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• Renforcement de la garde d’une transition

3. Candidats au raffinement

Status = err

Output = err

ErrorLoss

Status = lost

Output = lost

Status = ok

Output = ok

node Cpu2

event

error, loss;

trans

Status = ok |- error -> Status := err;

Status = ok |- loss -> Status := lost;

edon

Status = err

Output = err

ErrorLoss

Loss

Status = lost

Output = lost

Status = ok

Output = ok

node Cpu1

event

error, loss;

trans

Status = ok |- error -> Status := err;

Status != lost |- loss -> Status := lost;

edon

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node Cpu3

sub

Com,Mon:Cpu2

flow

Output:{ok,err,lost}:out;

edon

• Ajout de hiérarchie

3. Candidats au raffinement

node Cpu2

flow

Output:{ok,err,lost}:out;

edon

Com

Mon

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• Ajout d’événement/transition

3. Candidats au raffinement

Status = err

Output = err

ErrorLoss

Loss

Status = lost

Output = lost

Status = ok

Output = ok

node Cpu1

event

error, loss;

trans

Status = ok |- error -> Status := err;

Status != lost |- loss -> Status := lost;

edon

node Cpu0

event

loss;

trans

Status != lost |- loss -> Status := lost;

edon

Status = err

Output = err

Loss

Status = lost

Output = lost

Status = ok

Output = ok

Loss

Non retenu car peut introduire de nouveaux états accessibles

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3. Raffinement AltaRica

• La relation de bisimulation forte interfacée [Point2000] est trop contraignante en pratique.

• Nous avons souhaité étudier de nouvelles relations:moins fines: relations de type simulationapplicables aux enrichissements choisisprincipe de compositionnalité

– Étudier les restrictions sur le langage nécessaires pour pouvoir établir le théorème de compositionnalité

• Chaque relation étudiée est spécifiée en MecV:1.Simulation interfacée paramétrée

2.Simulation quasi-branchante interfacée paramétrée

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• Classiquement, un objet A simule un objet B si:toute séquence d’événements depuis l’état initial de B peut

être effectuée depuis l’état initial A, les états atteints étant comparables

• MecV nécessite de spécifier les relations permettant de comparer:

les états respectifs (RelF)les événements considérés comme similaires (RelEvt)

3. La relation de simulation

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• Simulation interfacée paramétrée:Tout état s’ du nœud détaillé est en relation avec

un état s du nœud abstrait.

Pour toute transition (s’,e’,t’) du nœud détaillé et tout état s en relation avec s’, il existe une transition (s,e,t) du nœud abstrait telle que sont respectivement en relation:

– les flux,– les événements,– les états cibles.

3. La relation de simulation

sim(s,s’) -= RelF(s,s’) &

([e’][t’](transA’(s’,e',t’) =>

<e><t >(transA(s,e,t) & RelEvt(e,e’) & sim(t,t’))));

s

t

s’

t’

relF

sim

e e’

relEvt

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• Soit un calculateur de type Cpu1.

• Pour restreindre le comportement, défaillances seulement considérées depuis l’état initial.

• La relation sur les flux est l’égalité.

• La relation sur les événements est l’identité.

3. Renforcement de garde

Status = err

errorloss

Status = lost

Status = ok

Status = err

loss

Status = lost

Status = ok

Cpu1 Cpu2

Cpu2 ne simule pas Cpu1

Cpu1 simule Cpu2

loss

error

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• Soit un calculateur de type Cpu0.

• Pour analyses SdF, nécessité de différencier loss1 et loss2 (même effet mais probabilités d’occurrence différentes).

• La relation sur les flux est l’égalité.

• La relation sur les événements est: {loss}≡{loss1,loss2}.

3. Substitution de défaillance

Cpu0 simule Cpu0’

Cpu0’ simule Cpu0

Status = err

loss1 loss2

Status = lost

Status = ok

Cpu0’

Status = err

loss

Status = lost

Status = ok

Cpu0

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• Restrictions du langagePriorités

Diffusion dans les vecteurs de synchronisation

• Théorème de compositionnalitéSoient M et M’ deux nœuds hiérarchiques sans priorité ni

diffusion. Alors M simule M’ si tout sous-nœud Ni de M simule un sous-nœud N’i de M’.

3. Compositionnalité

a b

A

a

A’

A simule A’

Hiérarchie:

« b plus prioritaire que a » a

M’

b

M

M ne simule pas M’

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• Le théorème permet en plus de calculer des séquences détaillées à partir des séquences abstraites

3. Calcul de séquences

G.fail & B.fail & P3.loss

G.fail & B.fail & P3.loss1

G.fail & B.fail & P3.loss2

{loss} ≡ {loss1, loss2}

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• Besoins:Relation de simulationDistinction: événements observables et non observables

• Travaux existants: Van Glabbeek, Van Benthem

• Simulation quasi-branchante interfacée

3. Simulation quasi-branchante

*

e

*

e’

qb-sim

qb-sim

qb-sim e *

e’

qb-sim

qb-sim

qb-sim

Si aucun événement non observable dans

le nœud abstrait

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• Illustration:

• Théorème de compositionnalitéSoient M et M’ deux nœuds hiérarchiques sans priorité ni

diffusion. Alors M qb-simule M’ si tout sous-nœud Ni de M qb-simule un sous-nœud N’i de M’.

3. Simulation quasi-branchante

Bus 1Bus 2

Loss of Bus 1

Loss of Bus 2

Loss of Bus 2

Loss of Bus 1Bus 1Bus 2

Bus 1Bus 2

Bus 1Bus 2

Bus

Bus

Loss

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Restrictions CompositionCalcul

séquences

Adéquation besoins

industriels

Bisimulation Non Oui -

SimulationPas de

prioritésOui Oui =

Simulation quasi-

branchante

Pas de priorités

Oui ? +

3. Bilan

• Définition de deux relations de simulation

• Théorèmes de compositionnalité

• Implémentation en MecV de ces relations

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Plan

1. Introduction et objectifs de la thèse

2. Contexte

3. Raffinement AltaRica

4. Raffinement appliqué à la sûreté de fonctionnement

5. Conclusion

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4. Opérations préparatoires

• En SdF, les séquences ne contiennent que des défaillances:

Nécessité de masquer les événements nominaux

• Le raffinement ne peut être vérifié que si le modèle détaillé n’introduit pas de nouvel état accessible (vis-à-vis de RelF)

Status = errError Correction Loss

Status = lostStatus = ok Status = ok

Error LossStatus = lostStatus = ok Status = ok

État « transitoire »

Transition à masquermasquage

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4. Raffinement pour la sûreté de fonctionnement

• Formules MecV de vérification du raffinement implémentées pour être génériques:

Seuls quelques éléments communs à toutes les relations sont à initialiser par l’utilisateur.

• Liberté d’utilisation restreinte à la définition des relations RelF et RelEvt

• MecV permet deux approches:– vérification : relations spécifiées par l’utilisateur– exploration : relations calculées

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4. Approches vérification/exploration

• Approche vérification: Travail coûteux pour spécifier tous les événements en

relation

Si la relation est vérifiée par MecV alors le raffinement est prouvé sans travail supplémentaire

• Approche exploration Pas de spécification initiale: RelEvt(e,e’) = true

Si relation non vérifiée par MecV alors pas de raffinement

Si relation vérifiée alors nécessité de vérifier les couples d’événements calculés par MecV

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4. Méthodologie de vérification du raffinement

1. Masquage des événements/transitions nominales

2. Test des états accessibles

3. Vérification qualitative Existe-t-il une relation?

4. Analyse quantitative: Génération des séquences détaillées et quantification

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4. La compositionnalité pour la SdF

raffinementraffinement

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• Méthodologie appliquée sur deux cas d’étude:Calculateur raffiné jusqu’à contenir une architecture

contrôle/commandeSystème de génération électrique

• Expérimentations de vérification globale du raffinement:Vérification possible sur modèles les plus abstraits mais

rapidement impossible sur des modèles plus détaillésConfirme le besoin d’appliquer un raffinement progressif et

de tirer partie de la compositionnalité

4. Bilan

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Plan

1. Introduction et objectifs de la thèse

2. Contexte

3. Raffinement AltaRica

4. Raffinement appliqué à la sûreté de fonctionnement

5. Conclusion

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• Apports: deux relations étudiées simulation paramétrée interfacée

– Compositionnalité préservée et théorème établi– Algorithmes de calcul des séquences écrit– Relation adaptée au raffinement sans ajout de hiérarchie

simulation quasi-branchante paramétrée interfacée– Compositionnalité préservée et théorème établi– Relation adaptée au raffinement par ajout de hiérarchie

• Perspectives à court terme:Étudier la préservation des séquences pour la relation de

simulation quasi-branchanteAlgorithme de calcul des séquences détaillées à partir des

séquences abstraites pour la simulation quasi-branchante

5. Conclusion: travaux académiques

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• Apports industriels:Méthodologie détaillée de raffinementSpécification générique des relations en MecV

– utilisation facilitée– manipulations nécessaires réduites

Enseignement: le raffinement est difficilement vérifiable a posteriori

• Industrialisation:Développer une IHM pour:

– saisir les relations RelF et RelEvt– appels aux différentes relations dans MecV

Identifier de nouveaux besoins (principe de conception) de nouvelles relations à étudier

5. Conclusion: travaux industriels

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• Dependable Control of Discrete Systems (DCDS’07)Experiments in model-based safety analysis: flight controls

• International System Safety Conference (ISSC’08)Failure propagation modeling: multi-system safety analysis

• Lambda-Mu (LM16)Raffinement AltaRica pour l’étude de systèmes à différents

niveaux de détail

5. Publications / Communications

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