Publications HAL de beugin du labo/EPI ESTAS

2024

Article dans une revue

titre
A Risk-Based Decision-Making Process for Autonomous Trains Using POMDP: Case of the Anti-Collision Function
auteur
Mohammed Chelouati, Abderraouf Boussif, Julie Beugin, El-Miloudi El-Koursi
article
IEEE Access, 2024, 12, pp.5630-5647. ⟨10.1109/ACCESS.2023.3347500⟩
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As the railway domain progresses towards autonomy, maintaining safety at levels comparable to human-operated systems is a crucial challenge. Autonomous trains require advanced systems capable of real-time risk assessment and decision-making, a task traditionally managed by human situational awareness. This paper introduces a novel risk-based decision-making approach for autonomous trains, using Partially Observable Markov Decision Processes (POMDPs) for continuous monitoring and evaluation of environmental collision risks. By consistently maintaining an acceptable risk level through ongoing risk estimation (in terms of occurrence probability and severity degree), the approach supports the decision-making capabilities of the autonomous driving system in autonomous trains, enabling safe and informed decisions despite the uncertainties in the train’s operational state and environmental conditions. The approach’s relevance and effectiveness are illustrated through its application in an anti-collision function for autonomous trains.
DOI
DOI : 10.1109/ACCESS.2023.3347500
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https://hal.science/hal-04402491/file/A_Risk-Based_Decision-Making_Process_for_Autonomous_Trains_Using_POMDP_Case_of_the_Anti-Collision_Function.pdf BibTex

Communication dans un congrès

titre
ERTMS/ETCS L3: Usable Formal Models for the "Loss of Train Integrity" Operation Scenario
auteur
Rim Saddem-Yagoubi, Julie Beugin, Mohamed Ghazel
article
Verification and Evaluation of Computer and Communication Systems, Belgacem Ben Hedia; Mohamed Ghazel; Bruno Monsuez, Oct 2024, Djerba, Tunisia. ⟨10.1007/978-3-031-85356-2_12⟩
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Railway safety standards recommend the use of formal modelling and verification techniques to guarantee processes' correctness and validate safety requirements. In this paper, we follow a generic methodology framework to produce usable formal models for the "Loss of Train Integrity" Operation Scenario.
DOI
DOI : 10.1007/978-3-031-85356-2_12
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https://hal.science/hal-04997909/file/646034_1_En_12_Chapter_Author.pdf BibTex
titre
Une approche orientée risques pour la prise de décision dans les trains autonomes : Cas de la fonction anti-collision
auteur
Mohammed Chelouati, Abderraouf Boussif, Julie Beugin, El Miloudi El Koursi
article
Congrès Lambda Mu 24 « Les métiers du risque : clés de la réindustrialisation et de la transition écologique », Institut pour la Maîtrise des Risques (IMdR), Oct 2024, Bourges, France
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En vue de l'intégration de systèmes autonomes dans le secteur ferroviaire, garantir un niveau de sécurité équivalent à celui des systèmes classiques pilotés par des opérateurs humains constitue un enjeu critique. L'exploitation de trains entièrement autonomes implique le déploiement de solutions avancées capables, sans perception humaine du contexte opérationnel, d'analyser et évaluer les risques en temps réel et de prendre des décisions complexes. Cet article présente une approche innovante pour la prise de décision orientée risques dans les trains autonomes, en se basant sur la mise en oeuvre de Processus Décisionnels de Markov Partiellement Observables (POMDPs). La méthodologie développée permet une évaluation et un suivi continus des risques de collision avec des obstacles de l'environnement, en veillant à ce que le système de conduite autonome des trains maintienne systématiquement un niveau de risque acceptable, caractérisé par une probabilité d'occurrence et un degré de sévérité spécifiques. Cette approche renforce les capacités décisionnelles du système autonome en favorisant l'adoption de décisions sécuritaires face aux incertitudes liées à l'état opérationnel du train et aux variables environnementales. La validité et l'efficacité de cette approche sont démontrées à travers son intégration dans un dispositif d'anticollision destiné aux trains autonomes.
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https://hal.science/hal-05016281/file/LM24_BCP_CHELOUATI_VE.pdf BibTex

HDR

titre
Contributions aux activités de sécurité des systèmes complexes critiques ferroviaires – Cadre des systèmes de contrôle-commande avancés
auteur
Julie Beugin
article
Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Lille, 2024
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L'évolution des systèmes de contrôle-commande ferroviaires, conçus pour gérer les circulations sur le réseau ferré de manière optimisée et en toute sécurité, constitue un levier important pour augmenter l’offre de transport ferroviaire, contribuant ainsi à l'enjeu central de décarbonation de nos mobilités. Les mutations technologiques de ces systèmes permettent une exploitation plus performante des trains. Cependant, elles soulèvent également des questions sur les mesures et conditions de sécurité à adapter face aux changements envisagés. En effet, le nombre croissant d'éléments interconnectés, principalement en raison de l'intégration des nouvelles technologies issues de l'ère de la « digitalisation », accroît davantage la complexité des systèmes de contrôle-commande ferroviaires. Cela élargit le champ d'analyse des risques de ces systèmes critiques et interroge sur la manière d’appréhender les nombreuses interactions supplémentaires engendrées par ces technologies, qu'elles soient de nature technique, fonctionnelle ou dysfonctionnelle. Pour garantir l'utilisation sûre de technologies sans fil de localisation et de communication dans les systèmes de contrôle-commande ferroviaires avancés, les travaux de recherche présentés dans le mémoire d'HDR visent à contribuer, en termes de sécurité, à différentes phases du processus de développement de ces systèmes. Le but de nos travaux est d’adapter et d’enrichir les processus actuels de gestion des risques pour relever les défis posés par l’emploi en sécurité de ces technologies, tout en respectant le cadre réglementaire européen dans ce domaine. Ainsi, nous avons développé des approches permettant d'allouer des objectifs de sécurité à différents niveaux de décomposition des systèmes de contrôle-commande avancés, ainsi que des approches permettant de démontrer ces objectifs sur les plans technique et opérationnel, malgré les incertitudes liées à l'occurrence de certains dangers, en particulier ceux émanant de la transmission de signaux satellitaires. Ces approches constituent des moyens méthodologiques originaux d'ingénierie de la sécurité dont peuvent bénéficier les différents acteurs ferroviaires (tels que les exploitants, les constructeurs et les évaluateurs) confrontés à la mise en œuvre de principes opérationnels novateurs utilisant ces technologies, tels que celui fondé sur les cantons mobiles. De plus, les méthodologies développées sont également applicables aux systèmes critiques complexes rencontrés dans d'autres secteurs que le ferroviaire.
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https://hal.science/tel-04789036/file/M%C3%A9moire_HDR_Beugin-Julie.pdf BibTex

2023

Article dans une revue

titre
Operational risk assessment of railway remote driving system
auteur
Abderraouf Boussif, Abhimanyu Tonk, Julie Beugin, Simon Collart Dutilleul
article
Journal of Safety and Reliability, 2023, 42 (2-3), pp.143-164. ⟨10.1080/09617353.2023.2226965⟩
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The level of automation in transportation systems is steadily on the rise, particularly in railways. However, this increase in automation implies a review of the previously established safety assessments, safety cases, and safety principles. Concretely, to ensure the overall safety of automated systems, it is crucial to provide conclusive assurance not only for their functional systems but also for any potential operational interactions that may arise unexpectedly. In this paper, we propose a risk assessment method to deal with the operational safety of the remote driving of freight trains. The established approach is based on the GAME principle (i.e. the French safety principle ‘Globally at least equivalent’), which tends to assure the non-regression of the railway safety level. Firstly, the approach aims to perform a risk gap analysis with respect to driver’s handbook procedures to identify the (operational) hazards and dangerous situations/scenarios generated by remote driving on the rail system. This analysis is completed by the identification of hazards due to the fact that the remote driving is not able to fully comply with the requirements of the driver’s handbook. Then, the methodology is used to identify the risk control measures and the safety requirements to meet safety targets (i.e. maintaining the safety level at least equivalent to that obtained so far with in-cab driver). The obtained results are presented and structured in a table inspired by the preliminary operational hazards analysis (P-OHA) process.
DOI
DOI : 10.1080/09617353.2023.2226965
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titre
Graphical safety assurance case using Goal Structuring Notation (GSN) - challenges, opportunities and a framework for autonomous trains
auteur
Mohammed Chelouati, Abderraouf Boussif, Julie Beugin, El-Miloudi El Koursi
article
Reliability Engineering and System Safety, 2023, 230, pp1-9. ⟨10.1016/j.ress.2022.108933⟩
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The development of fully autonomous vehicles is an ambition that took seed in the automotive industry a few years ago and is now growing in the railways considering their benefits. The main objective of autonomous train is to perform its operations and assure its mission with an acceptable safety level in all possible operational conditions. Such an objective needs to be supported by a safety demonstration. In order to authorize the operations of railway systems, they must be proven safe. This requires a technical and operational safety assessment, and also a safety assurance process during the system's whole life-cycle. The goal of such activities is to ensure that designed systems comply with railway safety standards and regulations. Both safety arguments and evidences are required to demonstrate that this compliance is achieved. These sets of evidence are documented in a so-called safety case. Recently, graphical safety cases, such as Goal Structuring Notation (GSN)-based safety case, have become an interesting alternative to narrative reports and plain texts. The graphical structure and visual properties improve the presentation and comprehension of the safety arguments. In this paper, we firstly review the use of the GSN for building graphical safety case for different transportation systems, with a focus on the railway domain. Then, we discuss the opportunities and challenges of considering such an approach in railway and we propose a high-level framework for building the GSN-based safety assurance case for the autonomous trains.
DOI
DOI : 10.1016/j.ress.2022.108933
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titre
Implementation of a Model-Oriented Approach for Supporting Safe Integration of GNSS-Based Virtual Balises in ERTMS/ETCS Level 3
auteur
Ouail Himrane, Julie Beugin, Mohamed Ghazel
article
IEEE Open Journal of Intelligent Transportation Systems, 2023, ⟨10.1109/OJITS.2023.3267142⟩
DOI
DOI : 10.1109/OJITS.2023.3267142
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https://hal.science/hal-04070711/file/Implementation_of_a_Model-Oriented_Approach_for_Supporting_Safe_Integration_of_GNSS-Based_Virtual_Balises_in_ERTMS_ETCS_Level_3.pdf BibTex