Formal Verifizierbare Objektorientierte Systemspezifikationen mit UML für Eisenbahnsicherungssysteme

Arabestani, Saeid

Um die Präzision und Überprüfbarkeit der Systemanforderungsspezifikationen zu erhöhen, empfehlen die CENELEC-Normen für die Eisenbahnsysteme den Einsatz von formalen Methoden, die über eindeutige Syntax und Semantik verfügen. In der vorliegenden Arbeit werden für die Spezifikation und Verifikation von Eisenbahnsicherungssystemen formal fundierte grafische Beschreibungsmittel zur Verfügung gestellt. Diese Beschreibungsmittel sind eine Auswahl von Diagrammen der Unified Modeling Language (UML), die unterschiedliche Sichten in der Systemanforderungsspezifikation darstellen. Durch die Klassendiagramme kann die Systemstruktur beschrieben werden. Die Zustandsdiagramme und die Sequenzdiagramme werden für die Spezifikation des dynamischen Systemverhaltens verwendet. In den Klassendiagrammen werden für die Relationen Assoziation, Aggregation, Komposition und Vererbung formale Definitionen eingeführt, die die präzise Spezifikation von Beziehungen unter den Systemkomponenten ermöglichen. Weiter werden auf Basis dieser Definitionen Kriterien für die Konsistenzüberprüfung zwischen den verschiedenen Teilen der Systemspezifikation eingeführt. In den Zustandsdiagrammen werden die Aktionen, ihre Ausführung, unterschiedliche Zustandsarten und ihre Aktivierung formal definiert. Transitionen zwischen den Zuständen und deren Ausführung sind weitere Punkte, die dabei präzisiert werden. Über die eingeführten formalen Semantiken für angewendete Notationen werden Schemata für die Transformation von Zustandsdiagrammen der UML in eine formal verifizierbare Form definiert. Dadurch ist eine formale Verifikation der Systemanforderungsspezifikation durchführbar, die auf der Technik Model-Checking basiert. Die Anwendbarkeit der präsentierten Spezifikationsmittel und die formale Verifikation über die Technik Model-Checking werden am Beispiel des eingleisigen Bahnübergangs im Funkfahrbetrieb demonstriert. Dadurch sind für die Erstellung einer formal verifizierbaren Systemanforderungsspezifikation Beschreibungsmittel bereitgestellt, die aufgrund ihrer grafischen Gestalt für die Ingenieure der Eisenbahnsicherungstechnik handhabbar sind, und die Forderung der CENELEC-Normen nach Erhöhung der Präzision und Verifizierbarkeit erfüllen.

In order to increase precision und verifiability of system requirements specifications the CENELEC standards for Railway Signalling and Safety Systems recommend the use of formal methods, which possess unambiguous syntax and semantics. In this thesis, formal-based graphical notations are provided for specifying and verifying Railway Signalling and Safety Systems. These notations are a selection of diagrams from the Unified Modeling Language (UML) which represent different views for system requirements specifications. System structures can be described by employing class diagrams. State diagrams and sequence diagrams are used for specifying the dynamic system behaviour. In class diagrams, formal definitions are introduced for the relations association, aggregation, composition and inheritance. This enables the precise specification of relations between system components. Furthermore, on the basis of these definitions criteria for consistency checks between the different parts of a system specification are introduced. By means of state diagrams actions, their execution, different kinds of states and their activation are defined formally. Transitions between states and their execution are further items which are rendered more precise within this scope. The introduced formal semantics of the notations employed are used to define rules for the transformation of UML state diagrams into formally verifiable forms. Thereby, the formal verification of system requirements specifications based on the technique of model checking becomes feasible. The applicability of the presented means of specification and formal verification by model checking is demonstrated on the example of the singletrack level crossing in radio-based operation. This ensures that notations for specification and formal verification of system requirements are provided, which are usable for engineers in Railway Signalling and Safety Systems and which meet the demands of the CENELEC standards for increasing precision and verifiability.

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Arabestani, Saeid: Formal Verifizierbare Objektorientierte Systemspezifikationen mit UML für Eisenbahnsicherungssysteme. 2005.

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