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Institut für Verkehrssicherheitund Automatisierungstechnik
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
Integration of Petri Nets into CAST by the Example of
7.23 Accident
Dipl.-Wirtsch.-Ing. René S. Hosse, Dirk Spiegel M.Sc. M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Eckehard Schnieder
27. March 2013
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
Institut für Verkehrssicherheitund Automatisierungstechnik
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
René
Dirk
27. March 2013
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Hosse, Spiegel, Schnieder | 2nd STAMP Workshop | MIT
1) Motivation
2) Goal of Hybrid Approach
3) Methodology
(1) STAMP/CAST (to be known)
(2) ProFunD
(3) Hybrid Approach
4) Sample Application on Accident 7.23
5) Results and Discussions
6) Conclusions
Contents
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
1. Motivation What do we do?
27. March 2013 Hosse, Spiegel, Schnieder | 2nd STAMP Workshop | MIT
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Ground transportation safety
• Automotive
• Driver assistant systems / automous driving
• E.g. time series analyses
• Railway
• ERTMS/ETCS development
• Satellite based localisation services
• Safety cases (or: hazard cases)
System Safety Engineering, primarily model-based engineering
Automation Engineering (e.g. SmallCAN)
Terminology and Requirements Engineering
Institute für Traffic Safety
and Automation Engineering
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1. Motivation Why we do need STAMP + ?
Why we need STAMP + ?
But:
• Little normative background
• Partly conflicting with RAMS
standards (reliability, availability,
maintainability, safety)
• Little distribution throughout ground
transportation industry in Europe,
only few application known
• No accepted formal methods
included, except System Dynamics
27. March 2013 Hosse, Spiegel, Schnieder | 2nd STAMP Workshop | MIT
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Advantages of STAMP for Railway
applications:
Understandable for non-engineers
(interdisciplinary application) and relatively
easy to use
High amount of detection of control lacks
Involving complex human decision making,
software error, systemic accidents and
organizational risk
Performing STAMP analysis improves
significantly system understanding
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1. Motivation System Development in Europe Railway Standards: V-Model
27. March 2013 Hosse, Spiegel, Schnieder | 2nd STAMP Workshop | MIT
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“For developing precise system definitions and for simplifying the
evidence of safety, the use of formal methods is highly
recommended in the new European CENELEC standards for safe
railway systems (EN 50126, EN 50128, DIN EN 61508).“
[Arabestani et. al. 2004, p.119]
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1. Motivation Orthogonality: Thinking in Means of Description, Methods and Tools (1/3)
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Mean of
Description
Method Tool
System Dynamics
Reliability Block
Diagrams
Pen & Paper
Failure Trees
Petri net
STAMP/CAST/STPA
ProFunD
FMEA
CREAM
SpecTRM
PiTool
Any Logic
Vensim
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1. Motivation Orthogonality: Thinking in Means of Description, Methods and Tools (2/3)
27. March 2013 Hosse, Spiegel, Schnieder | 2nd STAMP Workshop | MIT
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Mean of
Description
Method Tool
System Dynamics
Reliability Block
Diagrams
Pen & Paper
Failure Trees
Petri net
STAMP/CAST/STPA
ProFunD
FMEA
CREAM
SpecTRM
PiTool
Any Logic
Vensim
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1. Motivation Orthogonality: Thinking in Means of Description, Methods and Tools (3/3)
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Mean of
Description
Method Tool
System Dynamics
Reliability Block
Diagrams
Pen & Paper
Failure Trees
Petri net
STAMP/CAST/STPA
ProFunD
FMEA
CREAM
SpecTRM
PiTool
Any Logic
Vensim
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Hosse, Spiegel, Schnieder | 2nd STAMP Workshop | MIT
1) Motivation
2) Goal of Hybrid Approach
3) Methodology
(1) STAMP/CAST (to be known)
(2) ProFunD
(3) Hybrid Approach
4) Sample Application on Accident 7.23
5) Results and Discussions
6) Conclusions
Contents
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
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STAMP + ProFunD
STAMP
ProFunD
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2. Goal of Hybrid Approach Hybridization of qualitative approach and quantitative approach
qualitative quantitative
Organization
Technology
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Hosse, Spiegel, Schnieder | 2nd STAMP Workshop | MIT
1) Motivation
2) Goal of Hybrid Approach
3) Methodology
(1) STAMP/CAST (to be known)
(2) ProFunD
(3) Hybrid Approach
4) Sample Application on Accident 7.23
5) Results and Discussions
6) Conclusions
Contents
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
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3. Methodology (2) ProFunD – Fundamental Concepts
Func onalSystemSafetyAnalysis
SystemHazardLog
HazardAnalysis
Model-basedAnalysis
Model-basedAnalysis
HazardousSitua on
Implementa on
TechnicalSynthesisandlocaldependabilitymodeling
Model3TechnicalDesign
Func onalSynthesisandglobaldependabilitymodeling
Model2Func onalDesign
ModelingofOpera veProcess
Model1RequirementsAnalyzes
Opera veProcess
RiskAnalysis
SystemHazardAnalysis
Physical Processes
Functional Layer
(Human, Soft- and
Hardware)
Component
Dependability
[Slovák 2006]
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3. Methodology (3) Hybrid Approach – Analysis Process on the example of CAST
Identification of Proximate Events
Construction of Safety Control Structure
ProFunD-based Petri Net Model
Model Analysis and Evaluation
Recommendations
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Hosse, Spiegel, Schnieder | 2nd STAMP Workshop | MIT
1) Motivation
2) Goal of Hybrid Approach
3) Methodology
(1) STAMP/CAST (to be known)
(2) ProFunD
(3) Hybrid Approach
4) Sample Application on Accident 7.23
5) Results and Discussion
6) Conclusions
Contents
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Lightning caused track circuit failure
TC continued transmitting to the TTC the “block free signal”
Transmitting incorrect signals
Communication channel of D3115 was damaged
CTC dispatcher “forgot” to track the train
7:30 pm track circuit was damaged
7:39 pm failure was detected
8:30 pm the accident happened
~ 1 hour to fix and consider the failure
Most of the accident report was dedicated
to assign responsibilities and its punishments
4. Sample Application Accident introduction of the Wenzhou accident
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[Dajiang Suo 2012]
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Application is based on
the control structure by
Airong Dong
Multiple simplifications
have been made
(Signal flows)
Pi-Tool has been used
(Provided by iQST
GmbH)
4. Sample Application Control Structure as basis for the Petri net modelling
Train Schedule TSR Orders Legend:
Dispatching Center
Human Controller
Routing Status Display
Dispatching Communication
Control Feedback
Station
TSR TSR Status Control Action
Routing Block Status
Track occupancy Status
Status Display Signal Status
TSR TSR Status
Route Status Block Status
Track Circuit Occ Status
Signal Status
Wayside
Speed Limits TSR
Occupancy Status Ahead Line Parameters
On-board Movement Authority Limit
Operation Mode
Mode Selection Overspeed Alarm
Propulsion Cab Signal
Brake Train Speed Brake Brake Status
TSR
Setting
TCC
Train Operator
Signal
Display
On-board ATP System
Train Subsystem
CTC Dispatcher
Block Signal Track Circuit Transponder
Station Interlocking
System including Track
Circuits
Station Interlocking
Computer
Station Operator
CTC
CTC Station Workstation
Signal
Control
Signal
Status
TC
coding
TC
Status
Transponder
messaging
Transponder
Status
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[Airong Dong 2012]
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4. Sample Application Transforming standard control loop
Controller
Controlled Process
Control
ActionsFeedback
System State System Events
[Leveson 2011]
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4. Sample Application System-theory element transformation - simple control loop with control flaws
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4. Sample Application State tree (simplified reachability graph)
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1) Motivation
2) Goal of Hybrid Approach
3) Methodology
(1) STAMP/CAST (to be known)
(2) ProFunD
(3) Hybrid Approach
4) Sample Application on Accident 7.23
5) Results and Discussion
6) Conclusions
Contents
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Same amount of critical system states as in Airong Dong are detected
General design rules as the fail-safe principle are detected in either analysis
(except the station operator who was neglected during the formal model)
Grade of detail is much higher within the new method due to the PN which force the
analysis for a high precision modelling
5. Results and Discussions Comparison with CAST analysis
CAST Analysis by keywords New Method
Did not track leading train Wrong assumptions in mental model (“T1
time passed since train entered” &
“communication bus intact”)
Did not track TC 5829 AG failure status Forgetting of “abnormal condition”
Unable to report train cannot start in OS
mode
“T1 FP OS failed to restart” &
“Communication bus b1 defect”
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[Airong Dong 2012]
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Hosse, Spiegel, Schnieder | 2nd STAMP Workshop | MIT
1) Motivation
2) Goal of Hybrid Approach
3) Methodology
(1) STAMP/CAST (to be known)
(2) ProFunD
(3) Hybrid Approach
4) Sample Application on Accident 7.23
5) Results and Discussion
6) Conclusions
Contents
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The new method:
enables to detect as many failures as CAST-Analysis
shows the system states on which basis decisions were made including contextural
factors
enables analysis technique with larger analysis capabilities (qualitative / quantitative)
Systems are easily too complex to be analyzed with a reachability graph
has shown STAMP / CAST can be applied orthogonally
does not help to determine when a system is safe
Future Work: Provide Open Source Tools for STAMP / CAST
6. Conclusions
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
[Airong Dong 2012] Airong Dong: Application of CAST and STPA to Railroad Safety in China. Master Thesis, Boston, 2012.
[Dajiang Suo 2012] Dajiang Suo: System Theoretic Analysis of the “7.23” Yong-Tai-Wen Railway Accident. Master Thesis, Beijing, 2012.
[DIN EN 50126] Deutsches Institut für Normung:: Railway application: The specification and demonstration of Reliability, Availability, Maintainability and Safety(RAMS).
[Kaiser et al. 2007] Kaiser, B.; Gramlich, C.; Förster, M.: State/event fault trees—A safety analysis model for software-controlled systems, in: Reliability Engineering & System Safety, Vol. 92 (2007) No. 11, pp. 1521–1537.
[Leveson 2011] Leveson, N.: Engineering a safer world. Systems thinking applied to safety, MIT Press, Cambridge Mass, 2011.
[Meyer zu Hörste 2004] Meyer zu Hörste, M.: Methodische Analyse und generische Modellierung von Eisenbahnleit- und -sicherungssystemen. Dissertation. 571, VDI-Verl, Düsseldorf, Braunschweig, 2004.
[Ministry of Railway China 2011] Ministry of Railway China: Investigation Report of "7.23 Yong-Wen Severe Railway Transportatoin Accident", 2011.
[Slovák 2006] Slovák, R.: Methodische Modellierung und Analyse von Sicherungssystemen des Eisenbahnverkehrs. Dissertation, Braunschweig, 2006.
Literature
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
Dipl.-Wirtsch.-Ing. René Sebastian Hosse
Dirk Spiegel, M.Sc., M.Sc.
Institute for Traffic Safety and Automation Engineering
Technische Universität Braunschweig
Germany
{hosse; spiegel}@iva.ing.tu-bs.de
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Contacts
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
Backup
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2. Goal of Hybrid Approach Comparison of STAMP and ProFunD Approach
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f T
oo
ls
IEC
No
rm
ETA - - - ○ - ○ - + B-U - ○ ○ ○ + ○ 62502
FMECA - - - ○ - - - - B-U - + + ○ + + 60812
FTA + + - + - - + - T-D + ○ + ○ + + 61025
HAZOP - - - - - - - - B-U - ○ ○ ○ + ○ 61882
Markov ○ ○ ○ - + ○ + + T-D + - ○ - - ○ 61165
RBD + - ○ + + - + - T-D + - ○ ○ + ○ 61078
PN/ProFun
D + + + + + + + + T-D + - - - + ○ 62551
SD/STAMP + + - - - - + + T-D + + - - ○ ○ 62740
SoTeRiA + + - + + + + + T-D - - - - ○ ○ ---
CREAM /
DREAM
○ ○ - + - - ○ + T-D - - - ○ ○ ○ ---
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Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. E. Schnieder
Accidental condition = 2 trains in one block
Application of STHAR
Petri net of the process
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[Slovák 2006]
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Application of STHAR
Petri Net of CTC dispatcher mental model
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Application of STHAR
Petri net of the CTC Dispatcher functional model
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Application of STHAR
Dependability CTC dispatcher
“Forgetting” of abnormal condition
Assumptions of mental tracking
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2. Goal of Hybrid Approach Objectives of the Hybrid Approach
• To use the control structure as a basis for the combination
• To take socio-technical elements into consideration
• To retain the foundations of system theory (emergence and hierarchy, communication and control, process model)
• To facilitate a state-based analysis method
• To ensure safety by integrating safety constraints
Objectives of STAMP
• To provide guidance for the model building process
• To enable hazard and accident analyses
Objectives of ProFunD
• To maintain nonlinearity
• To allow investigation into causal effects
• To allow detection of states leading to hazards
• To facilitate qualitative and quantitative analysis
Objectives of STAMP/ProFunD
[Leveson 2011] [Slovák 2006]