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RÉSUMÉ
Depuis le développement de la première application ferroviaire à base de logiciel, nommée SACEM, les méthodes formelles ont été largement utilisées et mises en œuvre par des industriels à différents niveaux (spécification, conception, code) et pour différents types d’applications (métros automatiques, sous-systèmes de signalisation, applications trains développées avec ControlBuild par exemple). La norme CENELEC 50128 dédiée à la réalisation des applications logicielles pointe l’intérêt de mettre en œuvre des méthodes formelles. Cet article présente le processus de développement des applications logicielles tel que mis en œuvre dans le domaine ferroviaire, et les évolutions induites par la mise en œuvre des méthodes formelles.
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Jean-Louis BOULANGER : Evaluateur-Certificateur Certifer (Anzin, France)
INTRODUCTION
Bien que les techniques d’analyses formelles de programme (voir les travaux de Hoare et de Dijkstra ) soient assez anciennes, leurs mises en place datent des années 1980. Les méthodes formelles permettent d’analyser le comportement d’une application logicielle décrite dans un langage de programmation. La correction (bon comportement, arrêt du programme, etc.) d’un programme est alors démontrée au travers d’une preuve de programme basée sur le calcul de la plus faible précondition .
Il a fallu attendre la fin des années 1990 pour que les méthodes formelles, Z , VDM et/ou la méthode B , soient utilisées sur des applications industrielles. Les méthodes formelles se basent sur des notations mathématiques pour décrire de façon précise les propriétés qu’un logiciel doit avoir.
L’un des écueils étant l’impossibilité de les mettre en œuvre dans le cadre d’une application industrielle (application de grande taille, contrainte de coût et de délais, etc.), la mise en œuvre – passage à l’échelle – ne peut se faire qu’au travers d’outils « suffisamment » matures et performants.
L’utilisation des méthodes formelles bien qu’en plein essor reste marginale, au vu du nombre de lignes de code. En effet, il y a à l’heure actuelle bien plus de lignes de code Ada (ANSI:1983, ISO 8652:1995, ), C (, ISO 9899:1999) ou C++ qui ont été produites manuellement qu’au travers d’un processus formel.
C’est pourquoi d’autres techniques formelles ont été mises en place afin de vérifier le comportement d’une application logicielle écrite dans un langage de programmation tel que le C ou l’Ada. La principale technique, nommée interprétation abstraite de programme, permet d’évaluer l’ensemble des comportements d’une application logicielle au travers d’une analyse statique. Ce type de techniques a donné naissance, à plusieurs outils tels que Codepeer, POLYSPACE, Caveat, Absint, FRAMAC et/ou ASTREE.
L’efficacité de ces techniques d’interprétation abstraite de programme a fortement progressé avec l’augmentation de la puissance des ordinateurs. Il est à noter que ces techniques nécessitent en général d’intégrer dans le code manuel des informations complémentaires telles que des préconditions, des invariants et/ou des postconditions.
À noter que la version 2012 du langage Ada introduit la possibilité de définir des préconditions, des invariants et des postconditions et qui peuvent être vérifiés durant l’exécution, et que l’environnement SPARK 2014 met à disposition un ensemble d’outils permettant de faire la preuve de ces propriétés.
Le domaine ferroviaire est réglementé et il est nécessaire de respecter les normes CENELEC EN 50126, 50129 et 50128 lors de la réalisation d’un système ferroviaire. Le référentiel CENELEC identifie les méthodes formelles comme moyen à mettre en œuvre.
Cet article fait le point sur l’utilisation des méthodes formelles dans la réalisation des applications ferroviaires de type signalisation, CBTC et contrôle/commande (unité de gestion de la traction, du freinage et/ou application TCMS pour Train Control/Management System).
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Normes ferroviaires
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1. Développement du logiciel
1.1 Réalisation d’une application logicielle
Afin de fixer les idées, nous proposons ci-dessous une définition pour caractériser une application logicielle.
Définition 1 – Application logicielle – Ensemble des programmes, des procédés et des règles et éventuellement de la documentation, relatifs au fonctionnement d’un ensemble de traitement de l’information.
Il est à noter que nous parlons ici de la réalisation d’une application logicielle et non du développement d’une application logicielle : la notion de réalisation d’une application logicielle couvre en effet les activités de développement mais aussi les activités de vérification, de validation, de production, d’installation et de maintenance de l’application logicielle (figure 1).
Dans le cadre des applications critique de sécurité, les activités de vérification et de validation sont importantes et seront plus ou moins développées en fonction du niveau de sécurité requis (cela est vrais pour l’ensemble des domaines). Concernant les activités de production et d’installation, elles sont cruciales et nécessitent la mise en place de processus spécifiques, mais qui n’impliquent pas le développement de l’application logicielle.
Le retrait d’une application logicielle est mentionné, mais il ne pose aucun souci contrairement au retrait d’un système complexe comme une centrale nucléaire ou une installation ferroviaire.
La maintenance de l’application logicielle reste l’activité la plus délicate. En effet, suite à une évolution, il faut maintenir un niveau de sécurité tout en maîtrisant le coût de l’évolution et en minimisant l’impact sur le système en service. La maintenance dans le cadre du logiciel introduit la nécessité de déployer une nouvelle version. Le déploiement nécessite de garantir que le système soit fonctionnel après l’installation de la nouvelle version du logiciel. La norme CENELEC EN 50128:2011 est la seule à introduire explicitement l’activité de déploiement.
La maintenance d’une application logicielle se confronte à une difficulté : la durée de vie de cette application logicielle. En effet, pour le domaine ferroviaire, la durée de vie est de quarante à cinquante ans, pour l’aéronautique, elle est de quarante ans, pour le nucléaire cinquante ans, pour l’automobile...
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Développement du logiciel
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ABRIAL Jr., The B Book - Assigning programs to meanings. - Cambridge University Press, Cambridge, août 1996.
-
(2) - BOULANGER (J.-L.), SCHÖN (W.) - Logiciel sûr et fiable : retours d’expérience. - Revue Génie Logiciel, n° 79, p. 37 à 40, déc. 2006.
-
(3) - BOULANGER (J.-L.), SCHÖN (W.) - Assessment of safety railway application. - ESREL (2007).
-
(4) - BOULANGER (J.-L.) - Expression et validation des propriétés de sécurité logique et physique pour les systèmes informatiques critiques. - Thèse, Université de Technologie de Compiègne (2006).
-
(5) - Sous la direction de BOULANGER (J.-L.) - Utilisations industrielles des techniques formelles – Interprétation abstraite. - Collection IC2, Hermès (2011).
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(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
CENELEC http://www.cenelec.eu/Cenelec/Homepage.htm
COFRAC http://www.cofrac.fr
EPSF http://www.securite-ferroviaire.fr/
ERTMS http://www.ertms.com
ISO http://www.iso.org/iso/home.html
MODUrban http://www.modurban.org/
STRMTG http://www.strmtg.equipement.gouv.fr/
UGTMS http://www.ugtms.jrc.cec.eu.int/
CodePeer http://www.adacore.com/codepeer/
Polyspace http://www.mathworks.com/products/polyspace/
Caveat https://ieeexplore.ieee.org/document/1028953
Absint http://www.absint.com/
FRAMAC http://frama-c.com/
ASTREE http://www.astree.ens.fr/
ADA 2012 http://www.ada2012.org/
SPARK 2014...
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