Fiabilité et sûreté des systèmes informatiques critiques

Software systems are pervasive in all walks of our life and have become an essential part of our daily life. Information technology is one major area, which provides powerful and adaptable opportunities for innovation, and it seems boundless. However, systems developed using computer-based logic have produced disappointing results. According to stakeholders, they are unreliable, at times dangerous, and fail to provide the desired outcomes. Most significant reasons of system failures are the poor development practices for system development. This is due to the complex nature of modern software and lack of adequate and proper understanding. Software development provides a framework for simplifying the complex system to get a better understanding and to develop the higher fidelity quality systems at lower cost. Highly embedded critical systems, in areas such as automation, medical surveillance, avionics, etc., are susceptible to errors, which can lead to grave consequences in case of failures. This thesis intends to contribute to further the use of formal techniques for the development computing systems with high integrity. Specifically, it addresses that formal methods are not well integrated into established critical systems development processes by defining a new development life-cycle, and a set of associated techniques and tools to develop highly critical systems using formal techniques from requirements analysis to automatic source code generation using several intermediate layers with rigorous safety assessment approach. The approach has been realised using the Event-B formalism. This thesis has mainly two parts: techniques and tools and case studies. The techniques and tools section consists of development life-cycle methodology, a framework for real-time animator, refinement chart, a set of automatic code generation tools and formal logic based heart model for close loop modeling. New development methodology, and a set of associated techniques and tools are used for developing the critical systems from requirements analysis to code implementation, where verification and validation tasks are used as intermediate layers for providing a correct formal model with desired system behavior at the concrete level. Introducing new tools help to verify desired properties, which are hidden at the early stage of the system development. We also critically evaluate the proposed development methodology and developed techniques and tools through case studies in the medical and automotive domains. In addition, the thesis work tries to address the formal representation of medical protocols, which is useful for improving the existing medical protocols. We have fully formalised a real-world medical protocol (ECG interpretation) to analyse whether the formalisation complies with certain medically relevant protocol properties. The formal verification process has discovered a number of anomalies in the existing protocols. We have also discovered a hierarchical structure for the ECG interpretation efficiently that helps to find a set of conditions that can be very helpful to diagnose particular disease at the early stage. The main objective of the developed formalism is to test correctness and consistency of the medical protocolLes systèmes informatiques envahissent notre vie quotidienne et sont devenus des éléments essentiels de chacun de nos instants de vie. La technologie de l'information est un secteur d'activités offrant des opportunités considérables pour l'innovation et cet aspect paraît sans limite. Cependant, des systèmes à logiciel intégré ont donné des résultats décevants. Selon les constats, ils étaient non fiables, parfois dangereux et ne fournissaient pas les résultats attendus. La faiblesse des pratiques de développement constitue la principale raison des échecs de ces systèmes. Ceci est dû à la complexité des logiciels modernes et au manque de connaissances adéquates et propres. Le développement logiciel fournit un cadre contribuant à simplifier la conception de systèmes complexes, afin d'en obtenir une meilleure compréhension et d'assurer une très grande qualité à un coût moindre. Dans les domaines de l'automatique, de la surveillance médicale, de l'avionique..., les systèmes embarqués hautement critiques sont candidats aux erreurs pouvant conduire à des conséquences graves en cas d'échecs. La thèse vise à résoudre ce problème, en fournissant un ensemble de techniques, d'outils et un cadre pour développer des systèmes hautement critiques, en utilisant des techniques formelles à partir de l'analyse des exigences jusqu'à la production automatique de code source, en considérant plusieurs niveaux intermédiaires. Elle est structurée en deux parties: d'une part des techniques et des outils et d'autre part des études de cas. La partie concernant des techniques et des outils présente une structure intégrant un animateur de modèles en temps-réel, un cadre de correction de modèles et le concept de charte de raffinement, un cadre de modélisation en vue de la certification, un modèle du coeur pour la modélisation en boucle fermée et des outils de générations automatiques de code. Ces cadres et outils sont utilisés pour développer les systèmes critiques à partir de l'analyse des exigences jusqu'à la production du code, en vérifiant et en validant les étapes intermédiaires en vue de fournir un modèle formel correct satisfaisant les propriétés souhaitées attendues au niveau le plus concret. L'introduction de nouveaux outils concourt à améliorer la vérification des propriétés souhaitées qui ne sont pas apparentes aux étapes initiales du développement du système. Nous évaluons les propositions faites au travers de cas d'études du domaine médical et du domaine des transports. De plus, le travail de cette thèse a étudié la représentation formelle des protocoles médicaux, afin d'améliorer les protocoles existants. Nous avons complètement formalisé un protocole réel d'interprétation des ECG, en vue d'analyser si la formalisation était conforme à certaines propriétés relevant du protocole. Le processus de vérification formelle a mis en évidence des anomalies dans les protocoles existants. Nous avons aussi découvert une structure hiérarchique pour une interprétation efficace permettant de découvrir un ensemble de conditions qui peuvent être utiles pour diagnostiquer des maladies particulières à un stade précoce. L'objectif principal du formalisme développé est de tester la correction et la consistance du protocole médica