Investigation of complex accidents in the digitalised railway sector - A case study to investigate accidents involving the European Rail Traffic Management System (ERTMS)

Abstract

The objective is to study how complex accidents involving the railway signalling system European Rail Traffic Management System (ERTMS) systematically can be analysed and investigated. The study addresses whether accident investigators may continue to use the established accident models, or do they need something new. The study is based on literature review, meetings and discussions with supervisors, AIBN colleagues, the Rail Accident Investigation Branch (RAIB), Bane NOR etc. The literature in the thesis can roughly be divided in two parts, where the first part is general literature on the railway system and accident investigation methods. The second part is literature evaluating selected methods and the Systems-Theoretic Accident Model and Processes (STAMP) in particular. The Accident Investigation Board Norway (AIBN) published the AIBN-method in 2017 which is a framework and analysis process for systematic investigations. In this thesis, the STAMP based CAST-method (Causal Analysis based on Systems Theory) is studied and compared to the AIBN-method, in order to evaluate the benefit of using CAST as a systemic approach within the AIBN framework. A case example from the RAIB interim report on the loss of temporary speed restriction on the Cambrian ERTMS line has been used to demonstrate the AIBN- and CAST-methods. In addition formal methods have been evaluated as a tool for software investigation. The result of this study shows that the demonstrated methods can be used to investigate and analyse ERTMS accidents. The CAST-method adds value to the framework of the AIBNmethod, and formal method is a possible tool for specialised investigation of software. For the control-structure part of the CAST-method the thesis has introduced more elements to visualize the actors and hazards to improve the graphical output. A flowchart and a series of questions is proposed for guidance in the use of formal methods during accident investigation. It is recommended to include guidance material on the CAST-method and the formal method approach as possible tools in the framework of the AIBN-method.

Målet er å undersøke hvordan komplekse ulykker som involverer jernbanesignalsystemet European Rail Traffic Management System (ERTMS) systematisk kan analyseres og undersøkes. Studien omhandler hvorvidt ulykkesundersøkere kan fortsette å bruke de etablerte ulykkesmodellene, eller om de trenger noe nytt. Studien er basert på litteratur gjennomgang, møter og diskusjoner med veiledere, SHT kolleger, Rail Accident Investigation Branch (RAIB) etc. Litteraturen i avhandlingen kan grovt deles i to deler, hvor den første delen er generell litteratur om jernbanesystemet og ulykkesundersøkelsesmetoder. Den andre delen er litteratur som evaluerer utvalgte metoder og spesielt Systems-Theoretic Accident Model and Processes (STAMP). Havarikommisjonen publiserte SHT-metoden i 2017, som er et sikkerhetsfaglig rammeverk og analyseprosess for systematiske undersøkelser. Den STAMP-baserte CAST-metoden (Causal Analysis based on Systems Theory) studeres og sammenlignes med SHT-metoden, for å vurdere fordelene ved å bruke CAST, som en systemisk tilnærming innenfor SHT-rammen. Et eksempel fra RAIBs midlertidige rapport om tap av midlertidige hastighetsrestriksjoner på en ERTMS strekning på Cambrian linjen i Storbritannia er brukt til å demonstrere SHT- og CASTmetodene. I tillegg har formelle metoder blitt vurdert som et verktøy for programvareundersøkelse. Resultatet av denne studien viser at metodene kan brukes til å undersøke og analysere ulykker som involverer ERTMS. CAST-metoden forbedrer den systemiske beskrivelsen i SHTmetoden, og formelle metoder er et mulig verktøy for analyse av programvare. I utarbeidelsen av kontrollstrukturen i CAST-metoden har studien innført flere elementer for å visualisere aktører og sikkerhetsproblemer, og dermed forbedret den grafiske beskrivelsen. Et flytskjema med syv spørsmål er foreslått som veiledning i bruken av formelle metoder ved ulykkesundersøkelse. Det anbefales å inkludere veiledningsmateriale om CAST-metoden og veiledningen for bruk av formelle metoder som mulige verktøy innenfor rammen av SHT-metoden.