Model-driven methods for developing ISO-certified safety-critical systems

Abstract

Since the release of the IEC 61508 international standard for Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic (E/E/PE) Safety-related Systems and its specific variants, classical methods of system development have quickly reached their limits due to sophisticated safety requirements such as full traceability. One possible approach to address the issue of managing the ever increasing complexity in the development processes of certified safety-critical systems is model-based systems engineering (MBSE). Different model-based methods are applied depending on their safety-critical domains and specific safety standards such as the ISO 26262 for functional safety of road vehicles rather than applying a set of general methods based only on the parent standard IEC 61508. The first part of the work comprises a Systematic Mapping Study (SMS) investigating and classifying a high number of scientific publications to analyze the similarities and differences of the applied model-based methods and their reasons of application in the standards IEC 61508, ISO 26262 for road vehicles, EN 50128 for railway systems, and DO-178 for airborne systems. Based on the results, a Systematic Map is created in order to identify patterns of model-based methods in different sectors of industry. The second part of the thesis addresses the question of an appropriate means to represent the ISO 26262 Automotive Safety Integrity Level (ASIL) tailoring and decomposition concept in a SysML extension. This includes the development of a SysML profile, a use case, and a descriptive evaluation based on the requirements specified in the ISO 26262 series of standards. This SysML profile can help to simplify the modeling and decomposition requirements for the Automotive Safety Integrity Level concept.

Seit der Veröffentlichung der internationalen Normenserie IEC 61508 für die funktionale Sicherheit elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer (E/E/PE) Systeme, die eine Sicherheitsfunktion ausführen, und ihrer anwendungsspezifischen Varianten sind die klassischen Methoden der Systementwicklung aufgrund anspruchsvoller Sicherheitsanforderungen wie der vollständigen Rückverfolgbarkeit an ihre Grenzen gestoßen. Ein möglicher Ansatz zur Bewältigung der immer komplexer werdenden Entwicklungsprozesse von zertifizierten sicherheitskritischen Systemen ist die modellbasierte Systementwicklung. Je nach dem sicherheitskritischen Anwendungs- und Geltungsbereich und der zu erfüllenden Sicherheitsnorm, zum Beispiel die ISO-Norm 26262 für die funktionale Sicherheit von Kraftfahrzeugen, werden unterschiedliche spezifische modellbasierte Methoden angewandt, anstatt eine Reihe allgemeiner Methoden anzuwenden, die nur auf der übergeordneten Norm IEC 61508 basieren. Der erste Teil der Arbeit umfasst eine Systematic Mapping Study (SMS), in der eine große Anzahl wissenschaftlicher Publikationen untersucht und klassifiziert wird, um die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der angewandten modellbasierten Methoden und die Gründe für ihre Anwendung in den Normen IEC 61508, ISO 26262 für Kraftfahrzeuge, EN 50128 für Eisenbahnsysteme und DO-178 für Avionik-Systeme zu analysieren. Auf der Grundlage der Ergebnisse wird eine Systematic Map erstellt, um Muster modellbasierter Methoden in verschiedenen Industriesparten zu identifizieren. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Frage nach einem geeigneten Mittel zur Darstellung des in der ISO-Norm 26262 spezifizierten Automotive Safety Integrity Level (ASIL) Zuweisungs- und Zerlegungskonzepts in einer SysML-Erweiterung. Dies beinhaltet die Entwicklung eines SysML-Profils, eines Anwendungsfalles und einer ausführlichen deskriptiven Evaluierung auf der Grundlage der in der ISO 26262 Normenreihe festgelegten Bedingungen. Das entwickelte SysML-Profil kann dazu beitragen, die Modellierungs- und ASIL-Zerlegungsanforderungen für das Konzept des Automotive Safety Integrity Level zu vereinfachen.