Ontologies for railway safety management : integration of the dysfunctional analysis into the design

Safety is an emergent property of safety critical systems (SCS), including railway systems. This emergent aspect exacerbates their development process and requires a thorough reasoning to reduce hazards. This thesis proposes an ontological approach that integrates safety activities from the early design stages of SCS. This structured framework provides a semantic harmonization between the involved domains, such as safety engineering and Goal Oriented Requirements Engineering (GORE). The business logic integrated in this approach is validated by real rail accident scenarios and a remotely operated task. At first, we proposed a dysfunctional analysis ontology called DAO and based on the high-level ontology UFO. DAO considers the socio-technical and environmental aspects of SCS and integrates the different types of faults and cognitive properties that are respectively related to technical failures and human errors. The DAO conceptual model is expressed in OntoUML and formalized in OWL language in order to provide a reasoning support. Then, a semantic bridge is established between safety measures, safety goals and safety requirements through the development of a goal-oriented security management ontology, called GOSMO. The management of safety decisions is based on the reinterpretation of the Or-Bac access control model from a safety point of view. In order to ensure the overall consistency of requirements, GOSMO allows structuring the management of requirements changes and their traceability
La sécurité-innocuité est une propriété émergente des systèmes critiques de sécurité (SCS), notamment les systèmes ferroviaires. Cet aspect émergent complexifie leur processus du développement et nécessite un raisonnement judicieux permettant de diminuer les dangers. Cette thèse propose une approche ontologique qui intègre les activités de sécurité dès les premières phases de conception des SCS. Ce cadre structuré offre une harmonisation sémantique entre les domaines impliqués, tels que l'ingénierie de sécurité et l'Ingénierie des Exigences Dirigée par les Buts (IEDB). La logique métier intégrée dans cette approche est validée par des cas d'étude ferroviaires d'accidents réels et d'une mission télé-opérée. Dans un premier temps, nous avons proposé une ontologie d'analyse dysfonctionnelle appelée DAO et fondée sur l'ontologie de haut niveau UFO. DAO considère les aspects sociaux-techniques et environnementaux des SCS et intègre les différents types de fautes et de propriétés cognitives liés respectivement aux défaillances techniques et aux erreurs humaines. Le modèle conceptuel de DAO est exprimé en OntoUML et formalisé en langage OWL afin de fournir un support de raisonnement. Ensuite, un pont sémantique est établi entre les mesures de sécurité, les buts de sécurité et les exigences de sécurité par le développement d'une ontologie de gestion de sécurité orientée-but, appelée GOSMO. La gestion des décisions de sécurité s’appuie sur la réinterprétation du modèle de contrôle d'accès Or-Bac d'un point de vue sécurité-innocuité. Afin d'assurer la cohérence globale des exigences, GOSMO permet de structurer la gestion des évolutions des exigences et leur traçabilité.