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Werkzeug zur Formalisierung von betrieblich-technischen Regelwerken der Eisenbahnen

Schön, Sebastian (2021):
Werkzeug zur Formalisierung von betrieblich-technischen Regelwerken der Eisenbahnen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00018926,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Das System Bahn ist über mehr als ein Jahrhundert in Bezug auf technische Ausprägung und betriebliche Abwicklung gewachsen. Für die Erstellung der technischen Ausstattung und die Abwicklung des Betriebs sind zahlreiche Regelwerke erforderlich. Regelwerke der Eisenbahn sind immer umfangreicher geworden. Der Umgang mit ihnen wird dadurch wesentlich anspruchsvoller – sowohl für Nutzer als auch Ersteller. Die Erstellung dieser Regelwerke ist derzeit Handarbeit, getrieben von Expertenwissen und teilweise gebunden an Einzelpersonen. Trotz ständiger Pflege durch Aktualisierungen können die sprachlich festgehaltenen Vorgaben Widersprüche enthalten, vom Nutzer widersprüchlich ausgelegt werden oder unvollständig sein. Eine automatisierte Kontrolle von Regelwerken auf Widersprüche und Vollständigkeit existiert nicht. Eine automatisierte Kontrolle ist nur möglich, wenn die zugrunde liegenden Regelwerke für das System in modellierter Form vorliegen. Automatisch in eine modellierte Form übertragbare, betriebliche Regelwerke gibt es bisher nicht. Die modellierte Form von betrieblichen Regelwerken kann auch als Grundlage für die Simulation des im Regelwerk beschriebenen Betriebs dienen. Dem Ersteller von Regelwerken für den Betrieb ist über eine Simulation des Betriebs bereits bei der Erstellung möglich, Fehler in den Betriebsprozessen aufzuzeigen. Die Simulation des Betriebs muss auf modellierte betriebliche Regeln zurückgreifen. Mit der formalen Modellierung der Betriebsregeln kann nicht nur der Ersteller unterstützt werden. Betriebspersonale können die gepflegten Querbezüge eines formalen Modells nutzen, um alle Informationen zu erhalten, die notwendig sind, um eine Betriebssituation mit erhöhter Handlungssicherheit abzuarbeiten. Diese Unterstützung zur Erhöhung der Handlungssicherheit ist voraussichtlich vor allem bei der Abarbeitung von selten auftretenden Betriebssituationen hilfreich. Die Auswertung von Unfallberichten zeigt, dass menschliche Fehler bei der Anwendung von Betriebsregeln zu gefährlichen Ereignissen führen können. Diese Fehler sind besonders risikobehaftet bei der Anwendung von Betriebsregeln zur Aufrechterhaltung des Betriebs bei Abweichungen vom Regelbetrieb, bei denen der Mensch Teile der Sicherungsfunktion der Sicherungstechnik übernimmt. Eine algorithmische Übertragung von Regelwerken in eine formal modellierte Form und auf dieser modellierten Form aufbauende Softwarewerkzeuge sind daher von hoher Relevanz. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird die Abbildung von Regelwerksinhalten in eine formal modellierte Form als „formale Modellierung“ bezeichnet.

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Werkzeug zur formalen Modellierung von in betrieblich-technischen Regelwerken festgehaltenen Betriebsverfahren/Regeln zu entwickeln. Dieses Werkzeug besteht aus der Beschreibung der Prozessschritte der formalen Modellierung sowie aus den Grundbausteinen des formalen Modells zur Beschreibung von Betriebsverfahren und Regeln der Leit- und Sischerungstechnik in Form von Akteuren und Kommunikationsprozessen. Für die Erfassung der vorhandenen Beschreibungsmittel zur formalen Modellierung werden eine Literaturauswertung und eine Expertenbefragung in Form einer Fachinterviewreihe durchgeführt. Aus der Analyse der Literatur sowie aus der Expertenbefragung ergeben sich Anforderungen an das zu erstellende Werkzeug, die in einem Anforderungskatalog gesammelt dargestellt sind. Die Methoden zur Modellierung müssen gegen den aufgestellten Anforderungskatalog auf ihre Einsetzbarkeit über eine vergleichende Bewertung geprüft werden. Im nächsten Schritt muss die Richtlinie ausgewählt werden, an welcher die Anwendbarkeit der ausgewählten Methode zur Modellierung überprüft wird. Um eine möglichst relevante Richtlinie für die formale Modellierung auszuwählen, wurden Unfallberichte der detuschen und schweizerischen Bahnen systematisch auf die Unfallursache hin untersucht und die Ereignisse in vier Cluster eingeteilt. Der größte Nutzen für das System Bahn ist zu erwarten, wenn die ausgewählte Richtlinie eine Anwendung für den Nutzer ermöglicht, die eine Verringerung des Auftretens der häufigsten Unfallursachen erwarten lässt. Die denkbaren Anwendungen für den Nutzer, die sich aus der Expertenbefragung und einer strukturierten Analyse zu den möglichen Einsatzzwecken ergaben, werden in einem Katalog gesammelt. In diesem Katalog sind die Use Cases der denkbaren Anwendungen beschrieben. Über eine vergleichende Bewertung wird ein geeigneter Anwendungsfall für die ausgewählte Richtlinie selektiert. Unterschiedliche externe Einflüsse, wie die Anforderungen der zukünftigen Nutzer und die Herausforderungen bei der Erstellung einer Anwendung, die auf dem erstellten Werkzeug zur Modellierung basiert, werden bei der Auswahl ebenfalls berücksichtigt. Um das Werkzeug zur formalen Modellierung von in betrieblich-technischen Regelwerken festgehaltenen Betriebsverfahren und Regeln zu erstellen, werden im Hauptteil der Arbeit Modellierungsregeln beschrieben und Spezifikationen für Schnittstellen und Funktionen dokumentiert. Dieses Werkzeug besteht aus der Beschreibung der Prozessschritte der formalen Modellierung und der Beschreibung der Modellierungsregeln für Grundbausteine des formalen Modells. Die Grundbausteine werden in Akteure und Informationsflüsse durch Kommunikation unterschieden. Aus den modellierten Akteuren und der aus den Betriebsverfahren hergeleiteten Kommunikation ergeben sich notwendige Schnittstellen mit anderen Akteuren und Funktionen der Akteure zur Durchführung der zu modellierenden Betriebsverfahren und Regeln. Bisher gab es keinen Ansatz zur Überführung von Regelwerksinhalten betrieblicher Regelwerke in eine formale Modellierung und somit maschinenlesbare Form. Die betrieblichen Regelwerke sind Grundstein für den Betrieb des Systems Bahn. Das entwickelte Werkzeug ist mit seinen abstrakt modellierten Akteuren und Kommunikationen einsetzbar zur formalen Modellierung von Betriebsprozessen und Regelwerken aus betrieblich-technischen Regelwerken der Eisenbahnen. Bei der Erstellung des Werkzeuges zeigte sich, dass die Betriebsprozesse der Richtlinie 408 auf wenige abstrakte Grundarten der Kommunikation zurückführbar sind, einige Spezialfälle wie der Betrieb von anzeigegeführten Zügen werden jedoch ausgespart. Im Rahmen dieser Arbeit wird mit der Spezifizierung der Akteure, der Kommunikationsschnittstellen, der abstrakt klassifizierten Kommunikationsarten und der Funktionen der Akteure die Grundlage für eine ausführbare formale Modellierung für Anwendungsfälle im Eisenbahnbetrieb gelegt.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2021
Creators: Schön, Sebastian
Status: Publisher's Version
Title: Werkzeug zur Formalisierung von betrieblich-technischen Regelwerken der Eisenbahnen
Language: German
Abstract:

Das System Bahn ist über mehr als ein Jahrhundert in Bezug auf technische Ausprägung und betriebliche Abwicklung gewachsen. Für die Erstellung der technischen Ausstattung und die Abwicklung des Betriebs sind zahlreiche Regelwerke erforderlich. Regelwerke der Eisenbahn sind immer umfangreicher geworden. Der Umgang mit ihnen wird dadurch wesentlich anspruchsvoller – sowohl für Nutzer als auch Ersteller. Die Erstellung dieser Regelwerke ist derzeit Handarbeit, getrieben von Expertenwissen und teilweise gebunden an Einzelpersonen. Trotz ständiger Pflege durch Aktualisierungen können die sprachlich festgehaltenen Vorgaben Widersprüche enthalten, vom Nutzer widersprüchlich ausgelegt werden oder unvollständig sein. Eine automatisierte Kontrolle von Regelwerken auf Widersprüche und Vollständigkeit existiert nicht. Eine automatisierte Kontrolle ist nur möglich, wenn die zugrunde liegenden Regelwerke für das System in modellierter Form vorliegen. Automatisch in eine modellierte Form übertragbare, betriebliche Regelwerke gibt es bisher nicht. Die modellierte Form von betrieblichen Regelwerken kann auch als Grundlage für die Simulation des im Regelwerk beschriebenen Betriebs dienen. Dem Ersteller von Regelwerken für den Betrieb ist über eine Simulation des Betriebs bereits bei der Erstellung möglich, Fehler in den Betriebsprozessen aufzuzeigen. Die Simulation des Betriebs muss auf modellierte betriebliche Regeln zurückgreifen. Mit der formalen Modellierung der Betriebsregeln kann nicht nur der Ersteller unterstützt werden. Betriebspersonale können die gepflegten Querbezüge eines formalen Modells nutzen, um alle Informationen zu erhalten, die notwendig sind, um eine Betriebssituation mit erhöhter Handlungssicherheit abzuarbeiten. Diese Unterstützung zur Erhöhung der Handlungssicherheit ist voraussichtlich vor allem bei der Abarbeitung von selten auftretenden Betriebssituationen hilfreich. Die Auswertung von Unfallberichten zeigt, dass menschliche Fehler bei der Anwendung von Betriebsregeln zu gefährlichen Ereignissen führen können. Diese Fehler sind besonders risikobehaftet bei der Anwendung von Betriebsregeln zur Aufrechterhaltung des Betriebs bei Abweichungen vom Regelbetrieb, bei denen der Mensch Teile der Sicherungsfunktion der Sicherungstechnik übernimmt. Eine algorithmische Übertragung von Regelwerken in eine formal modellierte Form und auf dieser modellierten Form aufbauende Softwarewerkzeuge sind daher von hoher Relevanz. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird die Abbildung von Regelwerksinhalten in eine formal modellierte Form als „formale Modellierung“ bezeichnet.

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Werkzeug zur formalen Modellierung von in betrieblich-technischen Regelwerken festgehaltenen Betriebsverfahren/Regeln zu entwickeln. Dieses Werkzeug besteht aus der Beschreibung der Prozessschritte der formalen Modellierung sowie aus den Grundbausteinen des formalen Modells zur Beschreibung von Betriebsverfahren und Regeln der Leit- und Sischerungstechnik in Form von Akteuren und Kommunikationsprozessen. Für die Erfassung der vorhandenen Beschreibungsmittel zur formalen Modellierung werden eine Literaturauswertung und eine Expertenbefragung in Form einer Fachinterviewreihe durchgeführt. Aus der Analyse der Literatur sowie aus der Expertenbefragung ergeben sich Anforderungen an das zu erstellende Werkzeug, die in einem Anforderungskatalog gesammelt dargestellt sind. Die Methoden zur Modellierung müssen gegen den aufgestellten Anforderungskatalog auf ihre Einsetzbarkeit über eine vergleichende Bewertung geprüft werden. Im nächsten Schritt muss die Richtlinie ausgewählt werden, an welcher die Anwendbarkeit der ausgewählten Methode zur Modellierung überprüft wird. Um eine möglichst relevante Richtlinie für die formale Modellierung auszuwählen, wurden Unfallberichte der detuschen und schweizerischen Bahnen systematisch auf die Unfallursache hin untersucht und die Ereignisse in vier Cluster eingeteilt. Der größte Nutzen für das System Bahn ist zu erwarten, wenn die ausgewählte Richtlinie eine Anwendung für den Nutzer ermöglicht, die eine Verringerung des Auftretens der häufigsten Unfallursachen erwarten lässt. Die denkbaren Anwendungen für den Nutzer, die sich aus der Expertenbefragung und einer strukturierten Analyse zu den möglichen Einsatzzwecken ergaben, werden in einem Katalog gesammelt. In diesem Katalog sind die Use Cases der denkbaren Anwendungen beschrieben. Über eine vergleichende Bewertung wird ein geeigneter Anwendungsfall für die ausgewählte Richtlinie selektiert. Unterschiedliche externe Einflüsse, wie die Anforderungen der zukünftigen Nutzer und die Herausforderungen bei der Erstellung einer Anwendung, die auf dem erstellten Werkzeug zur Modellierung basiert, werden bei der Auswahl ebenfalls berücksichtigt. Um das Werkzeug zur formalen Modellierung von in betrieblich-technischen Regelwerken festgehaltenen Betriebsverfahren und Regeln zu erstellen, werden im Hauptteil der Arbeit Modellierungsregeln beschrieben und Spezifikationen für Schnittstellen und Funktionen dokumentiert. Dieses Werkzeug besteht aus der Beschreibung der Prozessschritte der formalen Modellierung und der Beschreibung der Modellierungsregeln für Grundbausteine des formalen Modells. Die Grundbausteine werden in Akteure und Informationsflüsse durch Kommunikation unterschieden. Aus den modellierten Akteuren und der aus den Betriebsverfahren hergeleiteten Kommunikation ergeben sich notwendige Schnittstellen mit anderen Akteuren und Funktionen der Akteure zur Durchführung der zu modellierenden Betriebsverfahren und Regeln. Bisher gab es keinen Ansatz zur Überführung von Regelwerksinhalten betrieblicher Regelwerke in eine formale Modellierung und somit maschinenlesbare Form. Die betrieblichen Regelwerke sind Grundstein für den Betrieb des Systems Bahn. Das entwickelte Werkzeug ist mit seinen abstrakt modellierten Akteuren und Kommunikationen einsetzbar zur formalen Modellierung von Betriebsprozessen und Regelwerken aus betrieblich-technischen Regelwerken der Eisenbahnen. Bei der Erstellung des Werkzeuges zeigte sich, dass die Betriebsprozesse der Richtlinie 408 auf wenige abstrakte Grundarten der Kommunikation zurückführbar sind, einige Spezialfälle wie der Betrieb von anzeigegeführten Zügen werden jedoch ausgespart. Im Rahmen dieser Arbeit wird mit der Spezifizierung der Akteure, der Kommunikationsschnittstellen, der abstrakt klassifizierten Kommunikationsarten und der Funktionen der Akteure die Grundlage für eine ausführbare formale Modellierung für Anwendungsfälle im Eisenbahnbetrieb gelegt.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 144, ccxlv
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institutes of Transportation > Institute for Railroad Systems and Technology
Date Deposited: 29 Jun 2021 09:37
DOI: 10.26083/tuprints-00018926
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/18926
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-189261
Referees: Oetting, Prof. Dr. Andreas ; Hähnle, Prof. Dr. Reiner
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 24 June 2020
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

The railway system has been developed and extended in the course of over a century in terms of both technical characteristics and operational handling. Numerous sets of railway regulations govern the creation of technical equipment and the opeartional handling. These regulations have become more and more extensive, as a result, dealing with them has become much more demanding - both for the users and creators. Currently, the above discussed regulations are created and maintained manually, driven by expert knowledge and partially bound to individuals. Despite constant maintenance through updates, natural language specifications can contain contradictions, be interpreted contradictorily by the user or may be incomplete. Automated check of rules and regulations for contradictions and completeness is not possible at the moment. An automated check is only possible if the underlying rules and regulations for the system are available in a fomally modelled form. However, operational rules and regulations that can be automatically transferred into a modelled form do not yet exist. The modelled form of operational regulations can also serve as a basis for simulating the operationial procedures described in the regulations. The creator of the operating rules and regulations is able to identify errors in the operating processes by simulating the operations during the creation. The simulation of the operations must rely on the modelled operational rules. The formal modelling of the operational rules not only provides a support framework for the creator, but also for the operational staff, who can use the maintained cross-references of a formal model to obtain all information necessary to process an operational situation with increased confidence of action. A supporting framework for increasing the confidence of action might be particularly important when dealing with operational situations that occur infrequently. The evaluation of accident reports shows that human errors in the application of operating rules can lead to dangerous events. These errors are especially risky in the application of operating rules to maintain the operations during deviations from the regular operations and where humans take over parts of the safety function from the safety technology. An algorithmic transfer of sets of rules into a formally modelled form and software tools based on this modelled form are therefore highly relevant. The aim of this work is to develop a tool for the formal modelling of operational procedures/rules recorded in operational-technical rules and regulations. The sought tool consists of a description of the process steps of formal modelling as well as the basic building blocks of the formal model for the description of operating procedures and rules of the railway control and safety technology in the form of actors and communication processes. A literature review and a survey of experts in the form of a series of specialist interviews are carried out to record the existing means of formal modelling. The analysis of the literature as well as the expert survey permit to derive the requirements for the tool to be created, which are collected in a catalogue of requirements. The methods for formal modelling must be contrasted against the established catalogue of requirements for their applicability via a comparative evaluation. The next step is to select the operational-technical regulation against which the applicability of the selected modelling method will be tested. In order to select a the most relevant operational-technical regulation for formal modelling, accident reports from recent years on German and Swiss railways were systematically examined for the cause of the accident and the events were divided into four clusters. The greatest benefit for the railway system can be expected when the selected operational-technical regulation enables an application fort he user that counteracts the most frequent causes of accidents. Possible applications for the user that emerged from the expert survey and a structured analysis of the possible uses are collected in a catalogue. The use-cases of the conceivable applications are described in this catalogue. A comparative evaluation is used to select a suitable use-case for the selected operational-technical regulation. Different external influences, such as the requirements of future users and the challenges of creating an application based on the created modelling tool, are also taken into account during the selection process. In order to create the tool supporting the formal modelling of operational procedures and rules laid down in operational-technical regulations, modelling rules are described and specifications for interfaces and functions are documented in the main part of the thesis. The developed tool consists a the description of the process steps of formal modelling and a description of the modelling rules for the basic building blocks of the formal model. The basic building blocks are differentiated into actors and information flows through communication. From the modelled actors and the information flow through communication derived from the operational procedures, necessary interfaces with other actors and functions of the actors result in the implementation of the operational procedures and rules to be modelled. Prior to this work, there has been no approach to transfer the contents of operational rules and regulations into a formal modelling and, thus, into a machine-readable form. The operational rules and regulations are the cornerstone for the operation of the railway system. The developed tool with its abstractly modelled actors and communications can be used for the formal modelling of both operational processes and sets of rules from operational-technical sets of rules. During the development of the tool, it became apparent that the operational processes of regulation 408 can be traced back to a few abstract basic types of communication; however, some special cases such as the operation of indicator-guided trains are omitted. Within the scope of this work, the specification of the actors, the communication interfaces, the abstractly classified communication types and the functions of the actors lays the foundation for an executable formal modelling for use cases in railway operations.

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