Requirements Specification, Behavioral Specification and Checking of object-oriented Interlocking Systems using Multi-Object Logics, UML State Machines and Multi-Object Checking

Rechner haben durch ihre Programmierbarkeit und ihre Leistungsfähigkeit in nahezu sämtliche Bereiche des täglichen Lebens Einzug gehalten. Für den Einsatz rechnergestützter Systeme in sicherheitskritischen Umgebungen ist ein Nachweis für die korrekte Funktion von Hard- und Software zu erbringen. Unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit erfordert die Entwicklung sicherheitskritischer Systeme den Einsatz automatisierbarer Verfahren, die diesen Nachweis unterstützen. Während relevante Normen die Anwendung formaler und damit automatisierbarer Verfahren empfehlen, existieren keinerlei Kriterien, welche Formalismen wie adäquat oder gar effizient eingesetzt werden können. Universelle Beschreibungssprachen wie die Unified Modeling Language (UML) erfahren durch die hohe Verfügbarkeit von Entwicklungswerkzeugen zunehmende Verbreitung, können den Anforderungen an Formalität und Verifikationsunterstützung jedoch nicht nachkommen. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses sicherheitskritischer Systeme an einem Beispiel aus der Leit- und Sicherungstechnik im Eisenbahnwesen entwickelt. Die Methodik greift dabei Darstellungskonzepte der UML geeignet auf, so dass vorhandene Entwicklungswerkzeuge weiterhin Verwendung finden können. Die vorgestellte Methodik umfasst die Formalisierung der funktionalen Anforderungen in Formeln in der Multi-Objektlogik D1, die über mehrfach erweiterten Kripke-Strukturen interpretiert werden. Mehrfach erweiterte Kripke-Strukturen bilden ebenfalls die Grundlage für kommunizierende Zustandsmaschinen, die durch Zerlegung aus UML-Zustandsmaschinen generiert werden können. Durch die gemeinsame Basis von Anforderungs- und Verhaltensspezifikation wird die Anwendung des effizienten, automatisierbaren Multi-Object Checking Verfahrens zur Verifikation möglich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde dieses Verfahren um einen Mechanismus zur Generierung von Fehlerszenarien erweitert. Dieser findet sowohl bei der Verifikation zur Fehlerlokalisation im Modell als auch bei der Validation zur Generierung von Testfällen Anwendung, so dass nicht nur die Verifikation sondern auch die Validation geeignet unterstützt werden. Die Anwendbarkeit der Methodik wird an einem Fallbeispiel, der Entwicklung einer Stellwerkslogik, demonstriert.Due to their programmability and their high capabilities, computers have entered almost all areas of everyday life. In order to use computer-based systems in a safety-critical environment, the proper function of hardware and software has to be certified. For economic reasons, the development of safety-critical systems requires automation providing such evidence. Whereas relevant norms recommend the application of formal and for this reason automatable methods, criteria regarding how to apply which formalism adequately or even efficiently do not exist yet. As a result of their large amount of available development tools, modeling languages like the Unified Modeling Language (UML) have become more and more popular. However, the UML does not meet the requirements as to formality or as to verification support. In this thesis, a methodology to support the development process of safety-critical systems is developed, using an example of the operation and control technology in railway systems. The methodology reuses UML concepts in such a way that existing development tools can be applied. The provided methodology includes the formalization of functional requirements as Multi-Object Logic D1 formulas. These formulas are interpreted over several times extended Kripke structures which are the basis for communicating state machines. As UML state machines can be decomposed into communicating state machines, UML state machines become applicable in the behavior specification phase. Due to the common basis of the requirements and the behavioral specification, the Multi-Object Checking procedure can be utilized for verification. In this thesis, the Multi-Object Checking procedure is extended by a scenario generation feature in case a Multi-Object Checking property does not hold. This feature can be applied both to verification for fault localization in the model and to validation for test case generation. The applicability of the methodology is demonstrated, using the example of the development of an interlocking logic