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Für mehr Sicherheit auf der Schiene

Bremer Doktorarbeit untersucht, wie sich Kollisionen von Straßenbahnen oder Zügen vermeiden lassen

Mobiltelefonen, Unterhaltungselektronik, Autos, Luft- und Raumfahrt oder in Eisenbahnsteuerungssystemen: Elektronische Schaltungen und Systeme werden heutzutage in immer mehr Bereichen des täglichen Lebens eingesetzt. Das Versagen solcher Systeme kann Folgen haben, die von kleineren Unannehmlichkeiten bis hin zu schwerwiegenden Unfällen reichen können. Besonders in den Bereichen, in denen das Leben von Menschen gefährdet ist, sind die Sicherheitsanforderungen sehr hoch. „Einfaches Testen“, wie es derzeit gängige Praxis in industriellen Bereichen ist, reicht nicht mehr aus. Zu Fragen der Bahnsicherheit, insbesondere dem Prüfen von Bahnsteuerungssystemen arbeiten Bremer Informatiker und Spezialisten von Siemens in den beiden Graduiertenkollegs GESy (Doktorandenkolleg Eingebettete Systeme) der Universität Bremen und RA:GS! (Graduiertenkolleg Rail Automation Graduate School, Braunschweig) von Siemens zusammen. Das gemeinsame Ziel: Erarbeiten von Entwicklungs- und Prüfungsmethoden für die Bahnsteuerungscomputer von morgen. Jetzt wurde die erste GESy-Promotion erfolgreich abgeschlossen. Betreut vom Bremer Informatikprofessor Rolf Drechsler beschäftigte sich Sebastian Kinder in seiner Doktorarbeit „Automatisierte Validation und Verifikation von bahnspezifischen Komponenten und Systemen“ mit der Kollisionsfreiheit auf Schienen.

Der junge Bremer Informatiker untersucht die Verwendung formaler Methoden zur Prüfung von Komponenten und Systemen aus dem Bahnumfeld. Als zugrundeliegende formale Methode zur Verifikation wurde mit dem „Bounded Model Checking“ eine Spezialform der Eigenschaftsprüfung angewandt. Insbesondere wurde die Korrektheit eines Steuerungssystems für Straßenbahnen und einer sehr wichtige Komponente aus der Eisenbahnstellwerkstechnik mit diesem Verfahren formal nachgewiesen. Was bedeutet das? Für das Steuerungssystem beispielsweise wurde die sicherheitskritische Eigenschaft der Kollisionsfreiheit bewiesen. Kollisionsfreiheit bedeutet hier, dass Straßenbahnen (und damit potenziell auch Züge), die sich in einem Schienennetzwerk aufhalten, durch Signale und Weichen so gesteuert werden, dass sie niemals mit anderen Straßenbahnen innerhalb des Netzwerkes zusammen stoßen.

Eine Garantie vor Zusammenstößen ist aber nur dann gegeben, wenn zusätzlich die Korrektheit von Weichen, Signalen (zur tatsächlichen Steuerung der Bahnen) und von Sensoren (um festzustellen, wo sich die entsprechende Bahn im Gleisnetzwerk aufhält) nachgewiesen wurde. Exemplarisch wurde in der Arbeit ein Achszähler verifiziert, der von der Siemens AG (Transportation Systems) hergestellt wird. Achszähler werden in elektronischen Stellwerken für Eisenbahnen, unter anderem auch bei der Deutschen Bahn AG, eingesetzt, um automatisch feststellen zu können, wo genau sich ein Zug derzeit befindet. Dabei werden die Achsen eines Zuges gezählt und die Richtung des Zuges wird aufgenommen. Dadurch kann dann festgestellt werden, wie viele Achsen sich in einem bestimmten Gleisabschnitt befinden und ob dieser Abschnitt frei oder besetzt ist. Um die Korrektheit dieser Komponente zu beweisen, wurde eine Menge von Eigenschaften erstellt, deren Gültigkeit dann mittels „Bounded Model Checking“ nachgewiesen wurde.