These days, a wide range of autonomous systems, such as automobiles, delivery drones, and embedded household systems, are becoming more and more common in our society. This trend is projected to continue in the future. To effectively manage these dynamic systems, ensuring their safe operation is crucial for the well-being of our lives. Control of safety-critical systems has gained significant attention in recent years, particularly in the field of nonlinear control. While the mathematical tools for characterizing safety are well-established, there are still numerous challenges to be addressed when it comes to developing methodologies for synthesizing nonlinear control systems. This report investigates the similarity between the two control schemes, the prescribed performance control and control barrier function. Its purpose is to shed light on the development of control methodology in safetycritical systems. While both methods have been successfully constructed and developed recently, there is no existing report that clarifies their similarities. To gain a deeper understanding of the latest safety-critical control and investigate these similarities, this report aims to provide interesting insights and contribute to the further development of methodology. The key insight arises from the fact that the prescribed performance control can be considered a method based on barrier functions. Consequently, it can be regarded as a control barrier-based controller. In order to demonstrate the similarities and make a comparison between the two, a unified problem setting is presented. Once we have properly converted the problem, we can proceed with a comparison using numerical simulations. The results presented in this report demonstrate that the prescribed performance controller can be implemented using separate reciprocal CBF methods. Furthermore, it shows that the performance achieved is comparable to that of the CLF-CBF QP, which utilizes optimization techniques to ensure stability and safety requirements. These findings raise new questions regarding the relationship between these two approaches. Ultimately, the report delves into a deeper understanding of how model-free methods achieve superior performance compared to model-based methods that heavily rely on optimization. / Idag blir ett brett spektrum av autonoma system, som bilar, leveransdrönare och inbyggda hushållssystem, allt vanligare i vårt samhälle. Denna trend förväntas fortsätta i framtiden. För att effektivt hantera dessa dynamiska system är det avgörande att säkerställa att de fungerar på ett säkert sätt. Styrning av säkerhetskritiska system har fått stor uppmärksamhet under de senaste åren, särskilt inom området icke-linjär styrning. Även om de matematiska verktygen för att karakterisera säkerhet är väletablerade, finns det fortfarande många utmaningar att ta itu med när det gäller att utveckla metoder för att syntetisera olinjära styrsystem. Denna rapport undersöker likheten mellan de två kontrollsystemen, den föreskrivna prestandakontrollen och kontrollbarriärfunktionen. Syftet är att belysa utvecklingen av styrmetodik i säkerhetskritiska system. Även om båda metoderna har konstruerats och utvecklats framgångsrikt på senare tid, finns det ingen befintlig rapport som klargör deras likheter. För att få en djupare förståelse för den senaste säkerhetskritiska kontrollen och undersöka dessa likheter, syftar denna rapport till att ge intressanta insikter och bidra till den fortsatta utvecklingen av metodiken. Den viktigaste insikten härrör från det faktum att den föreskrivna prestandakontrollen kan betraktas som en metod baserad på barriärfunktioner. Följaktligen kan den betraktas som en styrbarriärbaserad styrenhet. För att visa på likheterna och göra en jämförelse mellan de två presenteras en enhetlig problemställning. När vi har omvandlat problemet på rätt sätt kan vi gå vidare med en jämförelse med hjälp av numeriska simuleringar. De resultat som presenteras i denna rapport visar att den föreskrivna prestandaregulatorn kan implementeras med separata reciproka CBF-metoder. Dessutom visar de att den uppnådda prestandan är jämförbar med den för CLFCBF QP, som använder optimeringstekniker för att säkerställa stabilitets- och säkerhetskrav. Dessa resultat väcker nya frågor om förhållandet mellan dessa två metoder. I slutändan ger rapporten en djupare förståelse för hur modellfria metoder uppnår överlägsen prestanda jämfört med modellbaserade metoder som i hög grad förlitar sig på optimering.

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The importance and requirements of certifying safety critical software is today more apparent than ever. This study focuses on the standards and practices used within the avionics, automotive and medical domain when it comes to safety critical software. We identify critical problems and trends when certifying safety critical software and propose a proof-of-concept using static analysis, model checking and incremental SAT solving as a contribution towards solving the identified problems. We present quantitative execution times and code coverage results of our proposed solution. The proposed solution is developed under the assumptions of safety critical software standards and compared to other studies proposing similar methods. Lastly, we conclude the issues and advantages of our proof-of-concept in perspective of the software developer community

Ce travail de thèse doctorale traite l'analyse de la vulnérabilité des systèmes critiques pour la sécurité (par exemple, les centrales nucléaires) dans un cadre qui combine les disciplines de l'analyse des risques et de la prise de décision de multi-critères.La contribution scientifique suit quatre directions: (i) un modèle hiérarchique et quantitative est développé pour caractériser la susceptibilité des systèmes critiques pour la sécurité à plusieurs types de danger, en ayant la vue de `tous risques' sur le problème actuellement émergeant dans le domaine de l'analyse des risques; (ii) l'évaluation quantitative de la vulnérabilité est abordé par un cadre de classification empirique: à cette fin, un modèle, en se fondant sur la Majority Rule Sorting (MR-Sort) Méthode, généralement utilisés dans le domaine de la prise de décision, est construit sur la base d'un ensemble de données (en taille limitée) représentant (a priori connu) des exemples de classification de vulnérabilité; (iii) trois approches différentes (à savoir, une model-retrieval-based méthode, la méthode Bootstrap et la technique de validation croisée leave-one-out) sont élaborées et appliquées pour fournir une évaluation quantitative de la performance du modèle de classification (en termes de précision et de confiance dans les classifications), ce qui représente l'incertitude introduite dans l'analyse par la construction empirique du modèle de la vulnérabilité; (iv) basé sur des modèles développés, un problème de classification inverse est résolu à identifier un ensemble de mesures de protection qui réduisent efficacement le niveau de vulnérabilité du système critique à l’étude. Deux approches sont développées dans cet objectif: le premier est basé sur un nouvel indicateur de sensibilité, ce dernier sur l'optimisation.Les applications sur des études de cas fictifs et réels dans le domaine des risques de centrales nucléaires démontrent l'efficacité de la méthode proposée. / This Ph. D. work addresses the vulnerability analysis of safety-critical systems (e.g., nuclear power plants) within a framework that combines the disciplines of risk analysis and multi-criteria decision-making. The scientific contribution follows four directions: (i) a quantitative hierarchical model is developed to characterize the susceptibility of safety-critical systems to multiple types of hazard, within the needed `all-hazard' view of the problem currently emerging in the risk analysis field; (ii) the quantitative assessment of vulnerability is tackled by an empirical classification framework: to this aim, a model, relying on the Majority Rule Sorting (MR-Sort) Method, typically used in the decision analysis field, is built on the basis of a (limited-size) set of data representing (a priori-known) vulnerability classification examples; (iii) three different approaches (namely, a model-retrieval-based method, the Bootstrap method and the leave-one-out cross-validation technique) are developed and applied to provide a quantitative assessment of the performance of the classification model (in terms of accuracy and confidence in the assignments), accounting for the uncertainty introduced into the analysis by the empirical construction of the vulnerability model; (iv) on the basis of the models developed, an inverse classification problem is solved to identify a set of protective actions which effectively reduce the level of vulnerability of the critical system under consideration. Two approaches are developed to this aim: the former is based on a novel sensitivity indicator, the latter on optimization.Applications on fictitious and real case studies in the nuclear power plant risk field demonstrate the effectiveness of the proposed methodology.

L’acquisition de paramètres physiques tels que la température, la pression, le couple et la vitesse est nécessaire aux systèmes aéronautiques critiques afin d’atteindre et d’assurer les performances requises de disponibilité et de sécurité de fonctionnement. L’acquisition de ces paramètres physiques nécessite donc la mise en oeuvre de technologies et de techniques hautement éprouvées pouvant supporter les conditions de fonctionnement sévères.L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire est de proposer une nouvelle architecture de chaîne d'acquisition de grandeurs physiques pour être intégrée à un système aéronautique critique. Le but de cette architecture est d'améliorer l'intégrité des données mesurées tout en maintenant leur disponibilité et le niveau de sûreté de fonctionnement propre aux systèmes aéronautiques de haute criticité. La solution se déploie sous la forme d'une amélioration de la tolérance aux défauts de la chaîne de traitement du signal issu du capteur. Pour ce faire, nous intégrons des fonctions supplémentaires, dont le modèle mathématique de la chaîne d'acquisition, rendant ainsi le système plus intelligent.Dans le cadre de nos travaux de recherche, nous nous appuyons sur les spécifications techniques d'un projet industriel typique des systèmes aéronautiques critiques, qui est le coeur de notre thématique principale. / The acquisition of physical parameters as such as temperature, pressure, torque, and speed are necessary to flight critical systems in order to reach and ensure safety and availability required. Consequently, it requires implementing high technologies and techniques which are able to work in rugged environments.The aim of our work is to design a new architecture for sensor acquisition systems in order to be integrated onto a flight critical system. The goal of the architecture is to ensure data integrity, system's availability and safety relative to airborne critical systems. The solution adds the fault tolerance ability to the signal conditioning. Consequently, we implement additional functionalities, as such as mathematical model of the signal conditioning, in order to make the acquisition system more intelligent.Our research work is partially based on technical specifications from SYRENA project, which is a typical example of flight critical systems, which is the main thematic of our purpose.

In der vorliegenden Arbeit werden eine sichere FPGA-Stellwerksplattform und ein Transformationsverfahren entwickelt, mit dem die Schaltungen bestehender Relaisstellwerke in eine FPGA-Logik überführt werden können. Die FPGA-Stellwerksplattform ersetzt die Innenanlage eines Relaisstellwerks. Ihre Schnittstellen entsprechen den bisherigen Schnittstellen am Kabelabschlussgestell und zur Bedien- und Meldeeinrichtung. Damit ist eine einfache Migration bestehender Stellwerke möglich. Das Sicherheitskonzept basiert auf einer zweikanaligen Struktur mit sicherem Vergleicher und zusätzlichen Selbsttests zur schnellen, datenflussunabhängigen Ausfalloffenbarung. Die erreichbare Gefährdungsrate liegt im Bereich von SIL 4 und entspricht damit dem Sicherheitsziel für Stellwerke der Deutschen Bahn. Die Transformation sieht eine Trennung der Stellwerkslogik in Logik- und Leistungsteil vor. Der Logikteil wird auf dem FPGA realisiert. Die im Leistungsteil verbliebenen Kontakte und Überwacherrelais werden durch sichere Stellteile ersetzt. Die logischen Ansteuerbedingungen der Relais werden in Schaltnetze überführt. Die gesteuerten Relais werden durch Instanzen generischer Zustandsmodelle ersetzt. Für jeden verwendeten Relaistyp wurde ein entsprechendes Modell entwickelt, das bei der Transformation als Baustein eingesetzt werden kann. Die generischen Zustandsmodelle berücksichtigen auch die sicherheitsrelevanten konstruktiven Eigenschaften der Relais. So wird bei der Auftrennung einer Schaltung in Logik- und Leistungsteil sichergestellt, dass die in getrennte Schaltungsteile überführten Öffner und Schließer eines Relais nie gleichzeitig geschlossen sein können (Zwangsführung der Kontakte). Dies ist eine Voraussetzung für die Beibehaltung der sicherheitsrelevanten Funktionsbedingungen der Originalschaltung. Das Transformationsverfahren und die implementierten Mechanismen zur Ausfalloffenbarung sind unabhängig von der Anwenderlogik und vom gewählten Schaltkreistyp. Damit kann der generierte VHDL-Code bei Obsoleszenz eines Schaltkreises auch auf andere FPGA-Typen portiert werden. In einer Ressourcenabschätzung wird gezeigt, dass der gewählte Lösungsansatz geeignet ist, die Schaltungen kleinerer Relaisstellwerke vollständig auf einem FPGA zu realisieren. Die Anwendung des vorgestellten Verfahrens wird am Beispiel der Weichengruppe des Stellwerkstyps GS II DR demonstriert. Das Transformationsverfahren ist aber auch für andere Stellwerksbauformen geeignet. Dabei ist es unerheblich, ob diese nach dem tabellarischen Verschlussplanprinzip oder dem Spurplanprinzip arbeiten.

In der vorliegenden Arbeit werden eine sichere FPGA-Stellwerksplattform und ein Transformationsverfahren entwickelt, mit dem die Schaltungen bestehender Relaisstellwerke in eine FPGA-Logik überführt werden können. Die FPGA-Stellwerksplattform ersetzt die Innenanlage eines Relaisstellwerks. Ihre Schnittstellen entsprechen den bisherigen Schnittstellen am Kabelabschlussgestell und zur Bedien- und Meldeeinrichtung. Damit ist eine einfache Migration bestehender Stellwerke möglich. Das Sicherheitskonzept basiert auf einer zweikanaligen Struktur mit sicherem Vergleicher und zusätzlichen Selbsttests zur schnellen, datenflussunabhängigen Ausfalloffenbarung. Die erreichbare Gefährdungsrate liegt im Bereich von SIL 4 und entspricht damit dem Sicherheitsziel für Stellwerke der Deutschen Bahn. Die Transformation sieht eine Trennung der Stellwerkslogik in Logik- und Leistungsteil vor. Der Logikteil wird auf dem FPGA realisiert. Die im Leistungsteil verbliebenen Kontakte und Überwacherrelais werden durch sichere Stellteile ersetzt. Die logischen Ansteuerbedingungen der Relais werden in Schaltnetze überführt. Die gesteuerten Relais werden durch Instanzen generischer Zustandsmodelle ersetzt. Für jeden verwendeten Relaistyp wurde ein entsprechendes Modell entwickelt, das bei der Transformation als Baustein eingesetzt werden kann. Die generischen Zustandsmodelle berücksichtigen auch die sicherheitsrelevanten konstruktiven Eigenschaften der Relais. So wird bei der Auftrennung einer Schaltung in Logik- und Leistungsteil sichergestellt, dass die in getrennte Schaltungsteile überführten Öffner und Schließer eines Relais nie gleichzeitig geschlossen sein können (Zwangsführung der Kontakte). Dies ist eine Voraussetzung für die Beibehaltung der sicherheitsrelevanten Funktionsbedingungen der Originalschaltung. Das Transformationsverfahren und die implementierten Mechanismen zur Ausfalloffenbarung sind unabhängig von der Anwenderlogik und vom gewählten Schaltkreistyp. Damit kann der generierte VHDL-Code bei Obsoleszenz eines Schaltkreises auch auf andere FPGA-Typen portiert werden. In einer Ressourcenabschätzung wird gezeigt, dass der gewählte Lösungsansatz geeignet ist, die Schaltungen kleinerer Relaisstellwerke vollständig auf einem FPGA zu realisieren. Die Anwendung des vorgestellten Verfahrens wird am Beispiel der Weichengruppe des Stellwerkstyps GS II DR demonstriert. Das Transformationsverfahren ist aber auch für andere Stellwerksbauformen geeignet. Dabei ist es unerheblich, ob diese nach dem tabellarischen Verschlussplanprinzip oder dem Spurplanprinzip arbeiten.