55
© IRT AESE “Saint Exupéry” - All rights reserved Confidential and proprietary document Sur la pratique des méthodes formelles par de non praticiens : Autopsie d'un robot Eric JENN, IRT Saint Exupéry et Thales Avionics Journée FMF LAAS, 10 octobre 2017

Sur la pratique des méthodes formelles par de non praticiens : …projects.laas.fr/IFSE/FMF/J8/slides/FMF10EJENN.pdf · 2017-10-12 · Sur la pratique des méthodes formelles par

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ent

Sur la pratique des méthodes formelles par de non praticiens : Autopsie d'un robot

Eric JENN, IRT Saint Exupéry et Thales Avionics

Journée FMF

LAAS, 10 octobre 2017

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do

cum

ent

2

Collaborative work in INGEQUIP project at IRT

Pierre-Alain BourdilArnaud DieumegardNing GeFaiez Zalila

with academic support from LAAS, ONERA, IRIT, ISAE

with financial backing from CGI, ANR, and industrial members:

Context

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ary

do

cum

ent

3

Formal verification of HMIs

Correctness by construction

Formal verif. of timed systems

Formal code verification

Formal verif. of conf. dataData

Time

HMIs

SW impl.

Numerical

The patient Pathologies Remedies

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cum

ent

4

The patient

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ary

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ent

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The patient Design spaceexploration

Virtual platforms

Formaldevelopment

methods

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do

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ent

6

The patient

methods

A robot

An environment

A supervision station

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ent

7

EMBEDDED SYSTEM

Ethernet CAM

TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

TwIRTee

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8

POWER

MISSION

CAN bus

Ethernet CAM

TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

TwIRTee

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9

CAN bus

Ethernet CAM

TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

N

TwIRTee

CHANNEL LEFT RIGHT

POWER

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ent

10

COM

CAN bus

MON

Ethernet CAM

TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

N

TwIRTee

CHANNEL LEFT

POWER

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cum

ent

11

COM

CAN bus

MONCOM: PPC

ZYNQ

Ethernet CAM

TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

N

MON: ZYNQ

TwIRTee

POWER

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cum

ent

12

COM

PPC

CAN bus

MON

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

TREK1000(on-board)

TwIRTee

COM: PPC

MON: ZYNQ

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ent

13

COM

PPC

CAN bus

MON

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

TREK1000(on-board)

TwIRTee

COM: PPC

MON: ZYNQ

OS: Trampoline

OS: Trampoline

OS : LINUX

OS : LINUX

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cum

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14

COM

PPC

CAN bus

MON

PPC

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

ZYNQ

TREK1000(on-board)

Clock synchronization: Verification of timed systems

RMS

Power control

ARP

GM

PM

RCS RM

Motorcontrol

RAM

LOC

MM

MiM

IBPM

OS: Trampoline

OS: Trampoline

OS : LINUX

MW: CAN driver

CS

CS

CS

RCSHMI

RAMHMI

PMHMI

OS : LINUX

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ent

15

COM

PPC

CAN bus

MON

PPC

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

ZYNQ

TREK1000(on-board)

Clock synchronization: Verification of timed systems

RMS

Power control

ARP

GM

PM

RCS RM

Motorcontrol

RAM

LOC

MM

MiM

IBPM

OS: Trampoline

OS: Trampoline

OS : LINUX

MW: CAN driver

CS

CS

CS

RCSHMI

RAMHMI

PMHMI

OS : LINUX

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cum

ent

17

COM

PPC

CAN bus

MON

PPC

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

ZYNQ

TREK1000(on-board)

RMS

Power control

ARP

GM

PM

RCS RM

Motorcontrol

RAM

LOC

MM

MiM

IBPM

OS: Trampoline

OS: Trampoline

OS : LINUX

MW: CAN driver

Verification of timed systems: Fiacre and Tina

CS

CS

CS

RCSHMI

RAMHMI

PMHMI

OS : LINUX

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ent

18

Verification of timed systems: Fiacre and Tina

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Verification of timed systems: Fiacre and Tina

Formalization (abstractions, hypothesis,…)

Clock synchronization protocol

STA

RT

VO

TEA

DJU

ST

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Verification of timed systems: Fiacre and Tina

The model (structure)

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Verification of timed systems: Fiacre and Tina

The model (structure)

The model (behaviour)

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cum

ent

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Verification of timed systems: Fiacre and Tina

From a crude HMI… … to a fancy Eclipse simulation environment

… with MSCs… … and causal diagrams.

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ent

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• From "simulation" to "advanced simulation"• Guided-simulation (property-driven simulation)

Verification of timed systems: Fiacre and Tina

• Some specific properties have been verified: are they worth the effort?

• How to gain confidence on the model?• How to debug the model ?

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cum

ent

24

COM

PPC

CAN bus

MON

PPC

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

ZYNQ

TREK1000(on-board)

Redundancy Mngt: Verification of synchronous SW:

Power control

ARP

GM

PM

RCS RM

Motorcontrol

RAM

LOC

MM

MiM

IBPM

OS: Trampoline

OS: Trampoline

OS : LINUX

MW: CAN driver

CS

CS

CS

RMSRCSHMI

RAMHMI

PMHMI

OS : LINUX

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ent

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Verification of synchronous SW: Redundancy MngtTwIRTee architecture

2/20/20174Guillaume RIPOLL

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” -

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t

Channel LEFT

Unit COM

Unit MON

bus

CAN

Channel RIGHT

Unit COM

Unit MON

4 ASYNCHRONOUS UNITS

LUSTRE HLL S3

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ent

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Verification of synchronous SW: Redundancy Mngt

Clock synchro

PALS

Synchronous RMS

Formal verification using S3

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do

cum

ent

27

COM

PPC

CAN bus

MON

PPC

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

ZYNQ

TREK1000(on-board)

Mission management: Verification of configuration data

RMS

Power control

ARP

GM

PM

RCS RM

Motorcontrol

RAM

LOC

MM

IBPM

OS: Trampoline

OS: Trampoline

OS : LINUX

MW: CAN driver

RCSHMI

RAMHMI

PMHMI

OS : LINUX

CS

CS

CS

MM

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riet

ary

do

cum

ent

28

Formal verification of configuration data

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y” -

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eser

ved

Co

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den

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an

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rop

riet

ary

do

cum

ent

29

Formal verification of configuration data

HLL S3

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Co

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riet

ary

do

cum

ent

30

• Consider dedicated tools!

Formal verification of configuration data

• A way to get acquainted to the formalism and tool…

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riet

ary

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cum

ent

31

COM

PPC

CAN bus

MON

PPC

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

ZYNQ

TREK1000(on-board)

Supervision: Formal verification of HMIs

RMS

Power control

ARP

GM

PM

RCS RM

Motorcontrol

RAM

LOC

MM

MiM

IBPM

OS: Trampoline

OS: Trampoline

OS : LINUX

MW: CAN driver

CS

CS

CS

RCSHMI

PMHMI

OS : LINUX

RAMHMI

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Co

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an

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riet

ary

do

cum

ent

32

Supervision: Formal verification of HMIs

RCSHMI

PMHMI

OS : LINUX

RAMHMIAlert 10some text

Alert 2

Alert 7

Alert 1Some text

Alert 3some text

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tial

an

d p

rop

riet

ary

do

cum

ent

33

Supervision: Formal verification of HMIs

RCSHMI

PMHMI

OS : LINUX

RAMHMI

Predefined slots

Alert 10some text

Alert 2

Alert 7

Alert 1Some text

Alert 3some text

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T A

ESE

“Sai

nt

Exu

pér

y” -

All

righ

ts r

eser

ved

Co

nfi

den

tial

an

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rop

riet

ary

do

cum

ent

34

Supervision: Formal verification of HMIs

RCSHMI

PMHMI

OS : LINUX

RAMHMI

Predefined slots

Alert 10some text

Alert 2

Alert 7

Alert 1Some text

Alert 3some text

Alert 2

Alert 7

Alert 10some text

Alert 1Some text

Alert 3some text

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All

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Co

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ary

do

cum

ent

35

Formal verification of HMIs

Alert 2

All alerts

Alert 1

Alert 3

Alert 4

Alert 5

Alert 6

Alert 7

Alert 8

Alert 9

Alert 10

Sortingnetwork

Inital target alert

Alert 2

Alert 10

Alert 4

Alert 5

Alert 6

Alert 7

Alert 8

Alert 9

Alert 10

Priority-sorted alerts

Alert 3

Target alertselection

Target alert move

move=up/down/none

target alert

Alert 10some text

Alert 2

Alert 7

Alert 1Some text

Alert 3some text

Target slot move

Target slot selection

Routing target slottarget alert

LUSTRE LUSTRE

LUSTRE

LUSTRE

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Co

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ent

36

Formal verification of HMI

© IRT AESE 2015 – All right reserved Confidential and proprietary document.

VISIBILITY

TASK RELATED

RELIABILITY

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y” -

All

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Co

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do

cum

ent

37

Formal verification of HMIs

Formal specification

Formal design

Formal verification of

implementation

Informal specification

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Co

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do

cum

ent

39

• HMIs deserve formal specification and verification

• HMIs are (probably) in the area where model-checkingtechniques are very efficient

Formal verification of HMIs

• A very simple HMI designed using formal modelsand methods…

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y” -

All

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Co

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an

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riet

ary

do

cum

ent

40

COM

PPC

CAN bus

MON

PPC

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

ZYNQ

TREK1000(on-board)

Anticollision function: Correction by construction

RMS

Power control

GM

PM

RCS RM

Motorcontrol

RAM

LOC

MM

MiM

IBPM

OS: Trampoline

OS: Trampoline

OS : LINUX

MW: CAN driver

CS

CS

CS

RCSHMI

RAMHMI

PMHMI

OS : LINUX

ARP

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Co

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ary

do

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ent

41

Anticollision function: Correction by construction

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y” -

All

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Co

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den

tial

an

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rop

riet

ary

do

cum

ent

42

Anticollision function: Correction by construction

Refinement strategy

Requirements classification

Requirements layering

Event-B model

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ESE

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y” -

All

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ved

Co

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ent

43

Anticollision function: Correction by construction

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Co

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ent

44

Anticollision function: Correction by construction

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ESE

“Sai

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Exu

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y” -

All

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Co

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riet

ary

do

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ent

45

Anticollision function: Correction by construction

Category 1.a: writing rules

aimed at avoiding

modelling errors Category 1.b:

writing rules aimed at

facilitating theproof process

Category 1.c: writing rules

aimed at facilitating the review process Category 2.a:

review rules aimed at revealing modelling

errors

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46

• Automation?

Anticollision function: Correction by construction

• A complete (simple) function formally developedtop to bottom using a combination of Robin and S3

• No floating point operations

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ent

48

COM

PPC

CAN bus

MON

PPC

ZYNQ

Ethernet CAM

H-bridgeMotorEncoder

Compas

left and right wheel

Buck analogpart

discrete

I2C

analog

discrete TREK1000(ground)

ethernet

WiFi

MIS

SIO

NP

OW

ER

ZYNQ

TREK1000(on-board)

Image-based position monitoring: Numerical issues

RMS

Power control

ARP

GM

PM

RCS RM

Motorcontrol

RAM

MM

MiM

OS: Trampoline

OS: Trampoline

OS : LINUX

MW: CAN driver

CS

CS

CS

RCSHMI

RAMHMI

PMHMI

OS : LINUX

IBPM

LOC

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49

Image-based position monitoring: Numerical issues

© IRT AESE 2015 – All right reserved Confidential and proprietary document.

Odometry

In-doorpositioning

Compass

Complianceimage / location

Segment extraction

Segments

Envelope computation

Envelope

Pose OK

Pose KO

CameraImage

Hybridation

Pose

Error ellipsoid

Map

PPC (COM)

ZYNQ (MON)

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y” -

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50

• Matrix inversion(Kalman)

Image-based position monitoring: Numerical issues

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51

Image-based position monitoring: Numerical issues

𝑣1 = 1 + 10−11 ∙ 1020

𝑣2 = 1 − 10−11 ∙ 1020

𝑣3 = 0.98

𝑣1 = 1 ∙ 1020

𝑣2 = 1 ∙ 1020

𝑣3 = 0.98

Exact

Approx

• Matrix inversion(Kalman)

• Eigenvectors(error ellipsoïd)

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Co

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rop

riet

ary

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cum

ent

52

Image-based position monitoring: Numerical issues

(146.608,240)(146.608,240)(174.359,240)(162.089,44.2376)(158.034,44.2377)(157.953,45.6318)(157.852,44.2377)(153.796,44.2497)(144.245,240)(146.608,240)

(158.017,44.2377)(157.852,44.2377)(157.852,44.2382)(153.796,44.2497)(144.245,240)(146.608,240)(157.953,45.6318)(172.002,240)[…](158.034,44.2377)(158.017,44.2377)

polygon #0 polygon #1

U =

• Matrix inversion(Kalman)

• Eigenvectors(error ellipsoïd)

• Geometricalcomputations(enveloppe computation)

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ent

53

• Excerpt from the BOOST library

Image-based position monitoring: Numerical issues

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ent

54

Image-based position monitoring: Numerical issues

CGAL

Speed = 1

Strange, strange…

BOOST

Speed = 50

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do

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ent

55

• Find the best representation for hardware implementation

Formal verification of configuration data

• Found a place where 𝟎. 𝟏 + 𝟎. 𝟏 ≠ 𝟎. 𝟐… and where it actually matters…

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ent

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To conclude: dealing with (so) many methods and tools…

???

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To conclude: dealing with (so) many methods and tools…

© IRT AESE 2015 – All right reserved Confidential and proprietary document.

Datalogprogram

ETB

Verificationarguments Translation

Derivation tree Rules Leaves are "facts".

Translation

Safetycase

GSN

Structured argument

Evidences

Execution

Tools

Orchestration

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09/10/2017 58

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