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Fakultät Verkehrswissenschaften, Institut für Luftfahrt und Logistik, Professur Technologie und Logistik des Luftverkehrs Model-based Safety Requirements Engineering for complex ATM Systems Dipl.- Ing. Lothar Meyer Dr.-Ing. Michael Schultz

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Model-based Safety Requirements Engineering

for complex ATM Systems

Dipl.- Ing. Lothar MeyerDr.-Ing. Michael Schultz

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Evaluation of a virtual control tower HMI design

• Safety Assessment of a virtual control tower HMI design• Identification of information demand [1]• Substituting visual information cues by display systems• Evaluation of virtual control tower HMI design by applying

safety criteria

2Dipl.- Ing Lothar Meyer

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Display Systems used for the Virtual Control Tower

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Airborne Surveillance Ground surveillance

Video Surveillance

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Preliminary System Safety Assessment

• Second step of the Safety Assessment [2]• Precondition is the availability of identified hazards and its

safety objectives

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Preliminary System Safety Assessment

• Determining system architecture• Identification of causal events that contribute to the

probability of hazard occurrences• Identification of causal logic• Modeling fault tree for identified hazards

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causes consequences

hazard

FTA ETA

true

fa lse

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Performing evaluation studies were performed

• Hazard causes need to be identified with respect to the ability of the operator to detect visual information.

• Experimental design included 12 student probands and three test arrangements of the virtual tower design

• Performing tests with factorial plan

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Proband

Traffic Generator Sequence

Local hazards

Procedual failures

Traffic situation

Clear traffic

Display Situation

Traffic data

Percept events

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Results of the experimental cause identification

• Determining the occurrence probability of• separation minima violation by giving incorrect clearance,• runway incursion by giving incorrect clearance,• detecting events as e.g.

• Unauthorized stop bar overrun and• Animal occurrence.• Missed approach

• Sensitivity analysis of probability according to variation of design

• Interviewing probands for causes of failure and non- detection qualitatively.

• Causes were e.g.• lack of resolution on the holding points and take-off position• Redundancy of visual information• A low information density (detection time)• Loss of depth information e.g. missed approach on the ground

surveillance displayDipl.- Ing Lothar Meyer 7

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Modeling in fault trees and apportionment

• Modeling perceptual lacks in the system design as causative events

• More than three fault trees were modeled

• Apportionment of safety objectives into safety requirements according to given causal logic

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A/C position not detected

P=10-9

Stopp bar not localizable

 

Spatial recognition of A/C decreased

Lack of contrast

Resolution of A/C is unsufficent

Displayed A/C dimensions are unsufficent

Movements are not predictable

Altitude of A/C not detectable

 

Visual information too distributed

 

Used too many types ot Display systems

Too many display fields

Density of visual information insufficent

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Introduction of causal network models

• Performing apportionment fault tree modeling don’t respect multidependencies of the causal events.

• Redundant allocation of causal events with safety requirements

• Performing apportionment by use of a causal network would take into account multidependencies

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Parameter 1

Parameter 2

Parameter 3

Hz1Hz1

Hz2Hz2

Hz3Hz3

AccidentAccident

Major Incident

Major Incident

Case 1: simple impact Case 1: simple impact

Case 2: multi impactCase 2: multi impact

Case 3:no impactCase 3:no impact

Serious Incident (Runway Incursion)

Serious Incident (Runway Incursion)

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Mathematic modeling for causal network models

Kolmogorov's axioms of unification and intersection

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Hazard H1

Cause C1

Cause C2

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Mathematic modeling for causal network models

• Modeling multidependency by means of linear algebraic expressions• Vectors are defined as n-tuple (one column matrix)• Nonlinear term with dependent input parameters• Generalized with • effects the multiplicative combination without repetition of

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Mathematic modeling for causal network models

• Final transfer function for mapping causal probabilities to hazards probabilities.

• Safety objectives complies when hazards probabilites are equal or less then corresponding safety objectives

• With that effects the combination without repetition by means of exponentiation.

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EMF – Eclipse Modelling Framework ( GMF)

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Demonstration of causal networks models

• Trivial sample of the experimental identification in the virtual control tower

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A/C presence not detectable (SO=10-9)

H1H1

A/C position not detectable (SO=10-9)

H2H2

Wildlife presence not detectable (SO=1.5 10-4)

H3H3

resolution too low

C2C2

contrast too low

Vision system too diversive

C3C3

C1C1

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Result

• Solution space of safety requirements that comply to given safety objectives

• Sample shows boundaries of three dimensional case. • Visualization realized by Matlab 3D Plot functions

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Boundary conditions

• Using ratios

• Possible weighting of technical components reliability

• Degree of exceeding safety objectives

• When J is zero, safety objectives are met perfectly• J indicates the degree of additional safety that excees mandatory

safety objectives• Virtual tower case: J=1.5 10-4 at any boundary solution

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Summary

• An experimental identification hazard cause has been performed to the virtual control tower design

• Modeling of fault trees does not take into account multidependencies (redundancy of safety requirements)

• Apportionment method that is extended by use of a causal network offers the possibility to determine safety requirements that meets personalized optimization criterion

• A static transfer function has been deduced that maps causal probabilities to hazard probabilities

• A software framework has been developed that supports modeling, parameterizing and visualization of the extended apportionment method

• the method has been applied to a sample of the virtual tower and criterion and related final safety requirements has been set

• The method demands for additional validation with safety related air navigation systems.

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Bibliography

[1]L. Meyer et al. (2010), Functional Hazard Analysis of Virtual Control Towers, Valenciennes, IFAC.

[2]SAM-TF (2004), Preliminary system safety assessment, Eurocontrol, Brussels, Belgium.

[3]H. Kruegle, Ed., CCTV Surveillance: Analog and Digital Video Practices and Technology. USA: Elsevier, 2007.

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