Cette thèse traite de la vérification formelle de systèmes critiques où la correction du système dépend du respect des contraintes temporelles. La première partie étudie la modélisation et la vérification formelle par model-checking de systèmes temps réel dans le contexte de l’industrie aéronautique et spatiale. La deuxième partie décrit notre méthode d’exploitation des symétries pour les réseaux de Petri temporels. Nous définissons un opérateur de composition symétrique pour la construction de réseaux. Puis nous proposons des solutions pour la construction d’espaces d’états quotients par la relation d’équivalence induite par les symétries. Notre méthode s’applique aux réseaux de Petri, temporels ou non. A notre connaissance il s’agit de la première méthode applicable aux réseaux de Petri temporels. Des résultats expérimentaux encourageants sont présentés. / This thesis deals with formal verification of critical systems where the system’s correction depends on compliance with time constraints. The first part studies the formal modeling and verification by model-checking of realtime systems in the context of the aerospace industry. The second part describes our method for symmetry reduction of Time Petri Net. We define a symmetric composition operator for building Net. Then we present our solution for construction of quotients of the state spaces by the equivalence relation induced by symmetries. Our method applies to Petri nets, temporal or not, but to our knowledge this is the first methodology for Time Petri Nets. Encouraging experimental results are presented.

The Integrated Modular Avionics architecture , IMA, provides means for runningmultiple safety-critical applications on the same hardware. ARINC 653 is aspecification for this kind of architecture. It is a specification for space and timepartition in safety-critical real-time operating systems to ensure each application’sintegrity. This Master thesis describes how databases can be implementedand used in an ARINC 653 system. The addressed issues are interpartitioncommunication, deadlocks and database storage. Two alternative embeddeddatabases are integrated in an IMA system to be accessed from multiple clientsfrom different partitions. Performance benchmarking was used to study the differencesin terms of throughput, number of simultaneous clients, and scheduling.Databases implemented and benchmarked are SQLite and Raima. The studiesindicated a clear speed advantage in favor of SQLite, when Raima was integratedusing the ODBC interface. Both databases perform quite well and seem to begood enough for usage in embedded systems. However, since neither SQLiteor Raima have any real-time support, their usage in safety-critical systems arelimited. The testing was performed in a simulated environment which makesthe results somewhat unreliable. To validate the benchmark results, furtherstudies must be performed, preferably in a real target environment.The Integrated Modular Avionics architecture , IMA, provides means for runningmultiple safety-critical applications on the same hardware. ARINC 653 is aspecification for this kind of architecture. It is a specification for space and timepartition in safety-critical real-time operating systems to ensure each application’sintegrity. This Master thesis describes how databases can be implementedand used in an ARINC 653 system. The addressed issues are interpartitioncommunication, deadlocks and database storage. Two alternative embeddeddatabases are integrated in an IMA system to be accessed from multiple clientsfrom different partitions. Performance benchmarking was used to study the differencesin terms of throughput, number of simultaneous clients, and scheduling.Databases implemented and benchmarked are SQLite and Raima. The studiesindicated a clear speed advantage in favor of SQLite, when Raima was integratedusing the ODBC interface. Both databases perform quite well and seem to begood enough for usage in embedded systems. However, since neither SQLiteor Raima have any real-time support, their usage in safety-critical systems arelimited. The testing was performed in a simulated environment which makesthe results somewhat unreliable. To validate the benchmark results, furtherstudies must be performed, preferably in a real target environment.

This master thesis covers with the modern architecture of avionics system for EASA CS-23 AIRPL. The thesis contains EASA CS-23 and EU-OPS analysis and market analysis of avionics systems for this category of aircrafts. The thesis also includes the design of avionics system architecture and its safety and reliability assessment – used tool is Failure Mode and Effect Analysis (FMEA). At the end of the thesis there is assesment of potential attack of the avionics system by third part.

Tento projekt se podrobně zaměřuje na data z avioniky a může být chápán jako horní vrstva nad systémy monitorujícími poruchy, která poskytuje dodatečné informace o letu. Pro konkrétní návrh byly vybrány Airbus A320 a A340 jako zástupci moderních a rozšířených dopravních letadel. Vyvíjená aplikace analyzuje dvě vybrané komplexní situace z toku dat palubní avioniky a hledá podmínky, které vedou k abnormálnímu chování letadla (nikoliv poruchám). Práce je primárně zaměřena na letové fáze, strukturu dat (a jejich kategorizaci) a na vývoj aplikace na bázi fuzzy systému s expertní znalostí uloženou v jeho pravidlech.

L'interaction sociale, l'éducation et la santé ne sont que quelques exemples de domaines dans lesquels l'évolution rapide de la technologie a eu un grand impact sur la qualité de vie. Les entreprises s’appuient de plus en plus sur les systèmes embarqués pour augmenter leur productivité, leur efficacité et leurs valeurs. Dans les usines, la précision des robots tend à remplacer la polyvalence humaine. Bien que les appareils connectés comme les drônes, les montres intelligentes ou les maisons intelligentes soient de plus en plus populaires ces dernières années, ce type de technologie a été utilisé depuis longtemps dans les industries concernées par la sécurité des utilisateurs. L’industrie avionique utilise des ordinateurs pour ses produits depuis 1972 avec la production du premier avion A300; elle a atteint des progrès étonnants avec le développement du premier avion Concorde en 1976 en dépassant de nombreuses années les avions de son époque, et ça a été considéré comme un miracle de la technologie. Certaines innovations et connaissances acquises pour le Concorde sont toujours utilisées dans les modèles récents comme A380 ou A350. Un système embarqué est un système à microprocesseur qui est construit pour contrôler une fonction ou une gamme de fonctions et qui n’est pas conçu pour être programmé par l'utilisateur final de la même manière qu'un ordinateur personnel. Un système temps-réel est un système de traitement de l’information qui doit répondre aux stimuli d’entrées générées de manière externe dans une période finie et spécifiée. Le comportement de ces systèmes prend en compte non seulement l'exactitude dépend non seulement du résultat logique mais aussi du temps dans lequel il a été livré. Les systèmes temps-réel peuvent être trouvés dans des industries comme l'aéronautique, l'aérospatiale, l'automobile ou l’industrie ferroviaire mais aussi dans les réseaux de capteurs, les traitements d'image, les applications multimédias, les technologies médicales, les robotiques, les communications, les jeux informatiques ou les systèmes ménagers. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur les systèmes temps-réel embarqués et pour la facilité des notations, nous leur nommons simplement des systèmes temps réel. Nous pourrions nous référer aux systèmes cyber-physiques si tel est le cas. Le pire temps d’exécution (WCET) d'une tâche représente le temps maximum possible pour qu’elle soit exécutée. Le WCET est obtenu après une analyse de temps et souvent il ne peut pas être déterminé avec précision en déterminant toutes les exécutions possibles. C'est pourquoi, dans l'industrie, les mesures sont faites uniquement sur un sous-ensemble de scénarios possibles, celui qui générerait les temps d'exécution les plus élevés, et une limite supérieure de temps d’exécution est estimé en ajoutant une marge de sécurité au plus grand temps observé. L’analyses de temps est un concept clé qui a été utilisé dans les systèmes temps-réel pour affecter une limite supérieure aux WCET des tâches ou des fragments de programme. Cette affectation peut être obtenue soit par analyse statique, soit par analyse des mesures. Les méthodes statiques et par mesure, dans leurs approches déterministes, ont tendance à être extrêmement pessimistes. Malheureusement, ce niveau de pessimisme et le sur-provisionnement conséquent ne peut pas être accepté par tous les systèmes temps-réels, et pour ces cas, d'autres approches devraient être prises en considération. / In our times, we are surrounded by technologies meant to improve our lives, to assure its security, or programmed to realize different functions and to respect a series of constraints. We consider them as embedded systems or often as parts of cyber-physical systems. An embedded system is a microprocessor-based system that is built to control a function or a range of functions and is not designed to be programmed by the end user in the same way that a PC is. The Worst Case Execution Time (WCET) of a task represents the maximum time it can take to be executed. The WCET is obtained after analysis and most of the time it cannot be accurately determined by exhausting all the possible executions. This is why, in industry, the measurements are done only on a subset of possible scenarios (the one that would generate the highest execution times) and an execution time bound is estimated by adding a safety margin to the greatest observed time. Amongst all branches of real-time systems, an important role is played by the Critical Real-Time Embedded Systems (CRTES) domain. CRTESs are widely being used in fields like automotive, avionics, railway, health-care, etc. The performance of CRTESs is analyzed not only from the point of view of their correctness, but also from the perspective of time. In the avionics industry such systems have to undergo a strict process of analysis in order to fulfill a series of certification criteria demanded by the certifications authorities, being the European Aviation Safety Agency (EASA) in Europe or the Federal Aviation Administration (FAA) in United States. The avionics industry in particular and the real-time domain in general are known for being conservative and adapting to new technologies only when it becomes inevitable. For the avionics industry this is motivated by the high cost that any change in the existing functional systems would bring. Any change in the software or hardware has to undergo another certification process which cost the manufacturer money, time and resources. Despite their conservative tendency, the airplane producers cannot stay inactive to the constant change in technology and ignore the performance benefices brought by COTS processors which nowadays are mainly multi-processors. As a curiosity, most of the microprocessors found in airplanes flying actually in the world, have a smaller computation power than a modern home PC. Their chips-sets are specifically designed for embedded applications characterized by low power consumption, predictability and many I/O peripherals. In the actual context, where critical real-time systems are invaded by multi-core platforms, the WCET analysis using deterministic approaches becomes difficult, if not impossible. The time constraints of real-time systems need to be verified in the context of certification. This verification, done during the entire development cycle, must take into account architectures more and more complex. These architectures increase the cost and complexity of actual, deterministic, tools to identify all possible time constrains and dependencies that can occur inside the system, risking to overlook extreme cases. An alternative to these problems is the probabilistic approach, which is more adapted to deal with these hazards and uncertainty and which allows a precise modeling of the system. 2. Contributions. The contribution of the thesis is three folded containing the conditions necessary for using the theory of extremes on executions time measurements, the methods developed using the theory of extremes for analyzing real-time systems and experimental results. 2.1. Conditions for use of EVT in the real-time domain. In this chapter we establish the environment in which our work is done. The use of EVT in any domain comes with a series of restrictions for the data being analyzed. In our case the data being analyzed consists in execution time measurements.

Nous nous intéressons dans cette thèse à la maîtrise de processeurs multi-cœurs COTS dans le but de les rendre utilisables dans des équipements avioniques, qui ont des exigences temps réelles dures. L’objectif est de permettre l'application de méthodes connues d’évaluation de pire temps d’exécution (WCET) sur un ensemble de tâches représentatif d’applications avioniques. Au cours de leur exécution, les tâches exécutées sur différents cœurs vont accéder simultanément à des ressources matérielles qui sont partagées entre les cœurs, en particulier la mémoire principale. Cela pourra entraîner des mises en attente de certains accès que l'on qualifie d'interférences. Ces interférences peuvent avoir un impact élevé sur le temps d'exécution du logiciel embarqué. Sur un processeur COTS, qui est acheté dans le commerce et vise un marché plus large que l'avionque, cet impact n'est pas borné. Nous cherchons à garantir l'absence d'interférences grâce à des moyens logiciels, dans la mesure où les processeurs COTS ne proposent pas de mécanismes adéquats au niveau matériel. Nous cherchons à étendre des concepts de logiciel déterministe de telle sorte à les rendre compatibles avec un objectif de réutilisation de logiciel existant. A cet effet, nous introduisons la notion de logiciel de contrôle, qui est un élément fonctionnellement neutre, répliqué sur tous les cœurs, et qui contrôle les dates des accès des cœurs aux ressources communes de telle sorte à offrir une isolation temporelle entre ces accès. Nous étudions dans cette thèse le problème de faisabilité d'un logiciel de contrôle sur un processeur COTS, et de son efficacité vis à vis d'applications avioniques. / We focus in this thesis on issues related to COTS multi-core processors mastering, especially regarding hard real-time constraints, in order to enable their usage in future avionics equipment. We aim at applying existing Worst Case Execution Time (WCET) evaluation methods on a set of tasks similar to those we can find in avionics software. At runtime, tasks executed among different cores are likely to access hardware resources at the same time, e.g. the main memory. It may lead to additional delays due to hardware contention, called “interferences”. Interferences slow down embedded software within ranges that may be important. Additionnally, no bound has been established for their impact on WCET when using COTS processors, that target larger markets than avionics. We try to provide guarantees that all interferences are eliminated through software, as COTS processors do not provide adequate mechanisms at hardware level. We extend deterministic software concepts that have been developed in the state of the art, in order to make them compliant with the use of legacy software. We introduce the concept of "control software", which is functionnaly neutral, is replicated among all cores, and performs active control of core's accesses to shared resources, so that concurrent accesses are temporally isolated. We formalize and study in this thesis the problem of control software feasibility on COTS processors, and questions of efficiency with regard to legacy avionics software.

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ÅF Digital Solutions AB are looking to replace their current legacy system for audio transmissions within aircrafts with a new system based on Ethernet. They also want the system to be as closely matching the current Audio Integration System as possible as well as preferably using commercial off the shelf components. The issue evaluated in this thesis is whether it is feasible to port the legacy protocol over to an Ethernet based solution with as few modifications as possible, what performance requirements are present on the Ethernet solution as well as what remaining capacity is available in the network. Furthermore is ÅF Digital Solutions AB interested in what avionics related Ethernet based protocols and standards are already present on the market.The work is conducted in two tracks - one track of experimental measurements and statistical analysis of the latency present in the proposed solutions and one track with a survey regarding the integration of the present Audio Integration System protocol into the propesed Ethernet based solutions. The study finds two standards present on the market: Avionics Full-Duplex Ethernet (AFDX) and Time-Triggered Ethernet (TTEthernet). Two prototype implementations are built, one implementing AFDX and one custom built upon Ethernet and UDP. The latency of these are measured and found to be largely similar at ideal conditions. Ethernet is found to be more flexible, whilst AFDX allow for interoperation with other manufacturers and TTEthernet facilitates strict timing requirements at the cost of specialised hardware. The bandwidth utilisation of AFDX at ideal conditions is found to be 0.980% per stream and for the Ethernet solution 0.979% per stream.It is proposed that ÅF Digital Solutions AB pursue a custom Ethernet based solution unless they require interoperability on the same network with other manufacturers as a custom solution with full control over the network allows the largest flexibility in regards to timings and load. If interoperability is required is AFDX proposed instead as it is a standardised protocol and without the, for ÅF Digital Solutions AB, unnecessary overhead of TTEthernet. / Åf Digital Solutions AB vill undersöka möjligheterna att byta sitt nuvarande legacysystem för kommunikation inom flygplan till ett Ethernet-baserat system. Detta på ett sätt som håller implementationen så nära deras nuvarande Audio Integration System som möjligt. Problemet som undersöks är huruvida det är rimligt att flytta legacyprotokollet till Ethernet med så lite modifikationer som möjligt. Utöver detta vill ÅF Digital Solutions AB veta prestandakraven som blir på en Ethernet-lösning samt hur mycket resterande kapacitet som eventuellt finns kvar för framtida användning. Vidare vill de veta vilka standarder som redan finns på marknaden.Arbetet genomförs genom två spår - ett med experimentella mätningar och statistisk analys och en med ett case-study av integrationen av Audio Integration System och Ethernet. Undersökningen finner två standarder på marknaden relaterat till avionik; Avionics Full-Duplex Ethernet (AFDX) samt Time-Triggered Ethernet (TTEthernet).Två prototyper byggs, en baserad på AFDX och en baserad på UDP och Ethernet. Latencyn för dessa två mäts och finns vara snarlika vid deras respektive ideala scenarion. Ethernet finns vara mer flexibelt, AFDX merinteroperabel och TTEthernet mer lämplig vid strikta tidskrav. Bandbreddsutnyttjandet för AFDX finns vara 0.980% vid ideala förhållanden och 0.979% för Ethernetvid ideala förhållanden.Det rekommenderas att ÅF Digital Solutions använder sig av en egenutformad Ethernetbaserad lösning om de inte har krav på interoperabilitet ty det ger mer flexibilietet gällande tidskrav, protokoll och dataflödet.

International Telemetering Conference Proceedings / October 25-28, 1999 / Riviera Hotel and Convention Center, Las Vegas, Nevada / This paper provides a current review of a new installed system test facility (ISTF) capability for the Air Force and Navy. The requirements, design characteristics, and status of the joint-service Communications, Navigation, Identification Simulator (CNIS) developments will be covered along with their relationships with the Air Force’s Avionics Test and Integration Complex (ATIC) and the Navy’s Air Combat Environment Test and Evaluation Facility (ACETEF) ISTFs. These developments provide the services an interactive spatially, temporally, and tactically coherent signal environment for development and operational test and evaluation. The Joint Communications Simulator (JCS) and Joint Data Link Simulator (JDLS) capabilities, integration aspects, and development schedules (2000 IOC) will also be addressed. Finally, installed system test and evaluation concepts, both Air Force and Navy, using the simulators will be previewed to assist upcoming development programs in identifying potential applications.

Les systèmes avioniques s'étoffent et se complexifient de plus en plus. Avec l'augmentation des capacités de calcul, de nouvelles architectures basées sur le partage de ressources émergent. Effectuer le diagnostic d'un système n'est désormais plus une opération anodine. L'enjeu actuel est donc de mettre en place des techniques de diagnostic performantes tout en optimisant les capacités de monitoring nécessaires.Ce mémoire donne une caractérisation basée modèle d'un système sous diagnostic, puis propose des techniques pour en évaluer les performances de diagnostic, ainsi que celles de son monitoring (relativement à ces performances). Le contexte industriel dans lequel s'inscrit cette thèse amène d'autres contraintes, notamment la prise en compte de la taille des systèmes avioniques à analyser. Cette thèse étudie alors l'applicabilité des techniques introduites dans ce contexte et en propose une adaptation. / Avionics systems become more and more complex. With the improvment of computing possibilities, new architectures based on resources sharing are growing up. Perform diagnosis of a system is no longer a trivial operation. The challenge is to develop efficient techniques of diagnosis while optimizing capabilities of monitoring required.This thesis give a model-based characterization of a system under diagnosis, and proposes techniques to assess diagnostic performances, as well as its monitoring ones (with respect to these diagnostic performances). The industrial context of this thesis brings other constraints, and in particular the need to handle the size of avionics systems to analyze. That thesis then examines the applicability of the introduced techniques to this particular context, and proposes an adaptation.