Mit der Einführung des europäischen Zugsicherungssystems ETCS sind durch die umfassenden Telegrammdaten, die zwischen Zug und Strecke ausgetauscht werden, neue Herausforderungen bei der Planung, Projektierung, aber auch Prüfung und Validierung verbunden. Im Rahmen der Dissertation wird ein neuartiges Verfahren zur Validierung sicherheitskritischer Anteile von ETCS-Nachrichten entwickelt. Der Ansatz beruht auf der topologischen Aufbereitung der Nachrichteninhalte in einem vierstufigen Prozess. Das Ergebnis der Aufbereitung erlaubt sowohl den automatisierten Abgleich gegen Referenzdaten als auch eine visuelle Prüfung gegen Topologiepläne. Das Optimierungspotential des Ansatzes bei der Validierung wird im Rahmen einer Erprobung anhand realer Projektdaten bestätigt. Mit der topologischen Aufbereitung werden die komplexen Nachrichteninhalte in eine für den Prüfer erfassbare und zu den Referenzdaten vergleichbare Form überführt. Redundante Nachrichteninhalte werden im Zuge der Aufbereitung erkannt und zusammengefasst, was gleichermaßen zur Minimierung des Prüfaufwands sowie zur Erhöhung des Abdeckungsgrades beiträgt.

Im Rahmen der Arbeit wird der Begriff Sicherheit aus verschiedenen Blickwinkeln beleuchtet, Randbedingungen aus Theorie und Praxis zielorientiert strukturiert und ein Vorschlag für eine Integration betrieblicher Aspekte in Sicherheitsanalysen dargelegt. Dazu werden zunächst die normativ verankerten Lebenszyklusphasen des Bahnsystems und die darin festgelegten Verantwortlichkeiten vorgestellt. Darauf aufbauend erfolgt die beispielhafte Beschreibung einer neuen Analysemethode in Verfügbarkeits-Sicherheits-Diagrammen für betriebliche Szenarien des Bahnsystems. Die Arbeit endet mit der Vorstellung des Modells zur ganzheitlichen Sicherheitsbetrachtung des Bahnsystems, welches die zuvor gewonnenen Erkenntnisse integriert und die Grundlage für das Zulassungsverfahren von Bahnanlagen mit betrieblichem Sicherheitsnachweis legt. / This thesis deals with the detailed analysis of the term safety from different points of view. The main target of the document is the integration of operational aspects within technical solutions for railway systems. Operational use-cases have been analyzed using the availability-safety-diagram. The document concludes with the introduction of a model for holistic safety-related consideration of railway systems.

Diese Studienarbeit gibt einen Überblick über ausgewählte Teile des Softwareentwicklungsprozesses für sicherheitsrelevante Applikationen am Beispiel eines videobasierten Zugerkennungssystems. Eine IP-Kamera und ein externer Bildverarbeitungscomputer wurden dazu mit einer speziell entworfenen, verteilten Software ausgestattet. Die in Ada und C geschriebenen Teile kommunizieren dabei über ein dediziertes, UDP-basiertes Netzwerkprotokoll. Beide Programme wurden intensiv anhand verschiedener Techniken analysiert, die in der Norm EN 50128 festgelegt sind, welche sich speziell an Software für Eisenbahnsteuerungs- und überwachungssysteme richtet. Eine an der Norm orientierte Struktur mit Verweisen auf die diskutierten Techniken zu Beginn eines jeden Abschnitts erlaubt einen schnellen Vergleich mit den originalen Anforderungen des Normtexts. Zusammenfassend haben sich die Techniken bis auf wenige Ausnahmen als sehr geeignet für die praktische Entwicklung von sicherer Software erwiesen. Allerdings entbindet die Norm durch ihre teils sehr abstrakten Anforderungen das am Projekt beteiligte Personal in keinster Weise von seiner individuellen Verantwortung. Entsprechend sind die hier vorgestellten Techniken für andere Projekte nicht ohne Anpassungen zu übernehmen. / This paper intends to give an overview of selected parts of the software development process for safety-relevant applications using the example of a video-based train detection. An IP-camera and an external image processing computer were equipped with a custom-built, distributed software system. Written in Ada and C, the system parts communicate via a dedicated UDP-based protocol. Both programs were subject to intense analysis according to measures laid down in the EN 50128 standard specifically targeted at software for railway control and protection systems. Preceding each section, a structure resembling the standard document with references to the discussed measures allows for easy comparison with the original requirements of EN 50128. In summary, the techniques have proven to be very suitable for practical safe software development in all but very few edge-cases. However, the highly abstract descriptive level of the standard requires the staff involved to accept an enormous personal responsibility throughout the entire development process. The specific measures carried out for this project may therefore not be equally applicable elsewhere.

For railways, risk analysis is carried out to identify hazardous situations and their consequences. Until recently, classical methods such as Fault Tree Analysis (FTA) and Event Tree Analysis (ETA) were applied in modelling the linear and logically deterministic aspects of railway risks, safety and reliability. However, it has been proven that modern railway systems are rather complex, involving multi-dependencies between system variables and uncertainties about these dependencies. For train derailment accidents, for instance, high train speed is a common cause of failure; slip and failure of brake applications are disjoint events; failure dependency exists between the train protection and warning system and driver errors; driver errors are time dependent and there is functional uncertainty in derailment conditions. Failing to incorporate these aspects of a complex system leads to wrong estimations of the risks and safety, and, consequently, to wrong management decisions. Furthermore, a complex railway system integrates various technologies and is operated in an environment where the behaviour and failure modes of the system are difficult to model using probabilistic techniques. Modelling and quantification of the railway risk and safety problems that involve dependencies and uncertainties such as mentioned above are complex tasks. Importance measures are useful in the ranking of components, which are significant with respect to the risk, safety and reliability of a railway system. The computation of importance measures using FTA has limitation for complex railways. ALARP (As Low as Reasonably Possible) risk acceptance criteria are widely accepted as ’\'best practice’’ in the railways. According to the ALARP approach, a tolerable region exists between the regions of intolerable and negligible risks. In the tolerable region, risk is undertaken only if a benefit is desired. In this case, one needs to have additional criteria to identify the socio-economic benefits of adopting a safety measure for railway facilities. The Life Quality Index (LQI) is a rational way of establishing a relation between the financial resources utilized to improve the safety of an engineering system and the potential fatalities that can be avoided by safety improvement. This thesis shows the application of the LQI approach to quantifying the social benefits of a number of safety management plans for a railway facility. We apply Bayesian Networks and influence diagrams, which are extensions of Bayesian Networks, to model and assess the life safety risks associated with railways. Bayesian Networks are directed acyclic probabilistic graphical models that handle the joint distribution of random variables in a compact and flexible way. In influence diagrams, problems of probabilistic inference and decision making – based on utility functions – can be combined and optimized, especially, for systems with many dependencies and uncertainties. The optimal decision, which maximizes the total benefits to society, is obtained. In this thesis, the application of Bayesian Networks to the railway industry is investigated for the purpose of improving modelling and the analysis of risk, safety and reliability in railways. One example application and two real world applications are presented to show the usefulness and suitability of the Bayesian Networks for the quantitative risk assessment and risk-based decision support in reference to railways.