وتتوقف المركبات المستقلة على مجموعة متطورة من أجهزة الاستشعار الالكترونية لادراك بيئتها واتخاذ قرارات في الوقت الحقيقي والعمل بأمان، وهذه أجهزة الاستشعار - الصمامات )الكشف عن الاضواء والتمديد(، والرادار، والكاميرات، والمنتجات فوق الصوتية - عينا وآذان المركبة، وكل نوع من أنواع الاستشعار له قوة ونقاط ضعف فريدة، وهي مجتمعة لا توفر رؤية تكميلية للعالم.

وتحدد جمعية المهندسين الآليين ست مستويات من التشغيل الآلي للسيارات من المستوى صفر )لا آلية( إلى المستوى ٥ )التشغيل الآلي الكامل في جميع الظروف( ويجب أن يكون نظام تصور المركبات على مستويات أعلى متسامحا ومرنا، كما أن عدم وجود جهاز استشعار واحد - سواء بسبب تدهور المعدات أو التدخل البيئي أو عدم وجود برمجيات - قد يؤدي إلى تفسير غير سليم للمنظر، مما يؤدي إلى عدم سلامة السلوك.

طرائق الفشل المشتركة للمستشعرات الإلكترونية

ويمكن تصنيف حالات الفشل الحسّي في المركبات المستقلة تصنيفاً واسعاً إلى حالات الفشل المتأصلة (الاختلالات في البرمجيات أو البرامجيات)، والتدخل البيئي، وأخطاء المعايرة، والجمود المادي، والهجمات الخارجية، وكل فئة تؤثر على أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار بطرق مختلفة.

شغل الجهاز

ويشير خلل الحساس إلى الخسارة الكاملة أو الجزئية في الوظائف بسبب عيوب المعدات أو شذوذ البرامجيات.

فشل الموجات الصلبة

ويمكن أن تنشأ حالات اختلال في البرمجيات عن عيوب في التصنيع، مثل ضعف المبيعات، وثكنات صغيرة في شبه الموصلات، أو عدم كفاية الختم الرعي، وعلى مر الزمن، يفقد عصر المكونات: الليزر في تدهور الليدر، وأجهزة التصوير الضوئي الحساسية، وقد تنجرف أجهزة الإرسال بالرادار عن تواتر تشغيلها الاسمي.

ويمكن أن تفشل أجهزة الاستشعار فوق الصوتية المستخدمة في الكشف عن قرب بسبب تآكل عناصر الفطائر عندما تتعرض لملح الطرق والرطوبة، وقد تعاني الكاميرات من البكسلات الملصقة، أو المكوك المتحرك، أو الضجيج المشعر، وفي كل حالة لا يجوز للمجس أن ينتج بيانات أو بيانات غير منتظمة أو بيانات مع تعويض منهجي.

أجهزة التبديل

ويمكن أن تسبب الحشرات البرمجية البرمجية الخفيفة أو التدفقات الفوقية أو أخطاء التوقيت في خطوط تجهيز أجهزة الاستشعار تحطيم أو إنتاج ناتج مفسد، ومن الأمثلة المشتركة أن الفشل في برامجيات معالجة السائل المتشابكة التي لا تُرشّح بشكل صحيح، مما يولد مئات النقاط الإيجابية الكاذبة، وبالمثل، قد تواجه أنابيب الصور المصوّرة الدينامية تقلص النطاق بسبب صعوبة التحكم في التعرض للأشعة السوداء.

ألف - التدخل البيئي

وتؤثر البيئة التشغيلية تأثيراً كبيراً على أداء أجهزة الاستشعار، ويواجه كل نوع من أجهزة الاستشعار تحديات فريدة من نوعها من جراء الطقس والإضاءة والظروف المحيطة.

Lidar

ويتخذ الدار تدابير على بعد من خلال إطلاق نبضات الليزر وقياس وقتها في ضوء الشمس، كما يمكن أن يؤدي الثلوج والمطر والثلوج ورش الغبار إلى امتصاص هذه النبضات، مما يقلل من نطاق الكشف الأقصى، ويزيد من الضوضاء، ويمكن أن ينشر مصرف الضباب السككّي كل طاقة الليزر تقريبا، مما يؤدي إلى عدم عودة أي نقاط صالحة على بعد بضعة أمتار.

Radar

ويستخدم الرادار موجات إذاعية، وهو أكثر قوة من الليدار في الطقس المعاكس، غير أن الأمطار الغزيرة أو الكميص يمكن أن تخفف إشارات الموجات المتوسطة (مثل 77 جيهرتز) وتخفض نطاق الكشف بنسبة 30 إلى 40 في المائة، ويمكن أن تؤدي التأملات المتعددة التعاطف من أسطح الطرق السلسة أو الهياكل المعدنية الكبيرة إلى أهداف شبحية أو تسبب مقاييس سريعة غير واضحة.

الكاميرات

فالكاميرات هي أجهزة استشعار سلبية تعتمد على ضوء مشرق، وقد يؤدي انخفاض الضوء، واللمح من الأضواء الأمامية، والضوء المباشر للشمس، والنطاق الديناميكي الذي يتجاوز قدرة جهاز الاستشعار إلى إنتاج صور ناقصة أو زائدة العرض، مما يؤدي إلى اكتشافات غير مقصودة، وقد يؤدي إعاقة الصداع عن طريق غسل الأمطار، أو الطين، أو الثلج، أو الحشرات إلى إحداث بقع عمياء.

أجهزة الاستشعار فوق الصوتية

إن أجهزة الاستشعار الصوتية تبعث على موجات صوتية وتقيس الوقت الصدى، وهي تتأثر بشدة بالحرارة والرطوبة، مما يغير سرعة الصوت، ويمكن للريح القوية أو الاضطراب أن يفسد شعاع الصوت، ويقلل من الدقة، ويمكن أن ينتج عن التكلم بين أجهزة الاستشعار فوق الصوتية المتعددة التي تعمل على نفس التردد صدى زائفة، وخاصة في سيناريوات مواقف ضيقة.

خروقات المعايرة

ويحدد المعايرة العلاقة الجيولوجية والبصرية الدقيقة بين كل عنصر داخلي من عناصر جهاز الاستشعار وإطار تنسيق المركبة، ويشمل معايرة الأصيل المعايير الداخلية )الطول الكهربي، والتشويه الحساس، والمواءمة الليزرية(.

عروض المعايرة الأولية

وإذا لم يكن جهاز الاستشعار معادلاً بشكل صحيح أثناء الإنتاج أو بعد الاستبدال، فإن نموذج الاندماج سيسيئ تسجيل البيانات، مثلاً، فإن زوجاً من الليدارات مع خطأ تناوبي من الدرجة الأولى سيسبب عقبات اكتشفها الليدار لرسم خريطة لموقع مختلف في صورة الكاميرا، مما يؤدي إلى جمعيات مزورة أو إلى كشف فوات.

معايضة دريفت عبر الزمن

ويمكن أن تؤدي الصدمات الميكانيكية الناجمة عن الارتطام بالسرعة أو الحد من الآثار أو الاهتزاز الطبيعي إلى تغيير بطء في جبال الاستشعار، وتتسبب تغيرات الحرارة في توسيع المواد وانكماشها، وتغيير الهندسة الدقيقة، وقد تستحدث نظم الدرك التي تعتمد على العناصر المتناوبة معادلة للارتداء، ويمكن أن تتحول قوسين الرادارات تحت حمولة مستمرة، دون حدوث أخطاء دورية في القياس، وتحلل كل العقبات التصورية.

وتستخدم بعض المركبات الحديثة الخوارزميات الإلكترونية أو " ذاتية المقاييس " التي تقوم باستمرار بتقدير وتصحيح التحولات الصغيرة عن طريق مقارنة بيانات الاستشعار من الملامح الثابتة )مثل علامات الممرات والعلامات( أو باستخدام تقنيات محلية ورسم الخرائط المتزامنة، غير أن التغييرات الكبيرة والمفاجئة في المعايرة - مثل التغييرات التي تنجم عن اصطدام طفيف - يمكن أن تتجاوز النطاق التصحيحي لهذه الخرطوم.

القفل المادي والاستمرارية

ويمكن أن تغطي جزئيا أو كليا منطقة جهاز الاستشعار العاملة، كما أن عدسة الكاميرا التي يغطيها رذاذ الطرق قد تنتج صورا غير واضحة أو مستبعدة، ويمكن أن تحجب نوافذ الدرك عن طريق حشرات أو جليد سميك، مما يؤدي إلى انخفاض في حقل العرض أو فقدان الإشارة الكاملة، ويمكن أن تحجب أجهزة الاستشعار الصوتية عن طريق نسيج متراكم أو متراكم.

ولمكافحة ذلك، تضم العديد من المركبات المستقلة نظما للتنظيف المشعر: مسخات لأجهزة التصوير ونوافذ الليدار، وممسحات صغيرة أو طائرات جوية للكاميرات، وأغطية أجهزة الاستشعار فوق الصوتية التي يمكن تطهيرها يدويا، ومع ذلك، فإن هذه النظم لا تكون فعالة دائما في الأحوال الجوية الشديدة أو المستمرة.

Electromagnetic Interference (EMI) and Cross —Talk

وتحتوي المركبات على العديد من النظم الإلكترونية التي يمكن أن تولد ضوضاء الكهرومغناطيسية، ويمكن للمحركات العالية التكتل، وتحويل إمدادات الطاقة، وهائيات الاتصالات اللاسلكية أن تتدخل في إشارات الاستشعار، كما يمكن لمستشعرات الرادار العاملة في ترددات مماثلة (مثل 77 جيهرتز) أن تتدخل فيما بينها عندما تكون أجهزة التصوير المقطعية متعددة الشُعب قريبة جداً، مما يتسبب في أهداف مزيفة أو في إحداث حواجز.

الهجمات الفيزيائية السيبرانية

وفي حين أن التلاعب المتعمد هو أمر لا يشكل طريقة للفشل بالمعنى التقليدي، فإن المهاجم يمكنه أن يبث إشارة من نوع GPS لإرسال المركبة بعيدا عن المسار، أو أن يقذف الليدار المزيف باستخدام جهاز ليزر لخلق عقبة " فونتوم " ، أو أن يكون هناك أنماط ضبابية في مشروع على علامة التوقف عن خداع شبكة التلاعب بالكاميرا (كما يدل على ذلك التشويش الذي يشن في أوساط الدار الصغيرة).

أثر الفشل في الحساس

وتتراوح نتائج إخفاقات أجهزة الاستشعار بين الاضطرابات الطفيفة والحوادث المفجعة، ويمكن أن يؤدي أي كشف مفقود أو إيجابي زائف إلى سلسلة من الأحداث التي تهدد السلامة، وتدفق المرور، والثقة العامة.

الزنوج (الكشف عن هوية)

وعلى الرغم من أن المجس لم يتصور شيئاً - على سبيل المثال، فإن عدم وجود أي عقبة في وجه المأساة الأولية التي تُعد في يد أحد المشاة التي تُعد من الغلور، قد يقرر عدم وجود أي عقبة، مما أدى إلى استمرار الطريق الذي يُعرَض له إلى خطر، وقد أدى عدم كفاية البرامجيات التي تستخدمها المركبة في إطار نظام " شاشات " (FLT:0) إلى حدوث قيود على الرادار.

False Positives (Phantom Braking)

ويحدث هذا الوضع الإيجابي عندما يكتشف جهاز الاستشعار خطأ عقبة مثل تجاوز أو قطعه من الحطام التي تهبها الرياح، أو تستغل المركبة لتنفيذ مناورة غير ضرورية، مثل المكابح الصلبة أو المفاجئة، ويمكن أن يبدئ ذلك عقب السائقين، أو يؤدي إلى صدمات مكررة، أو إلى وقف الظل في موقع غير آمن.

الأداء المتدهور

وحتى عندما لا يتسبب الفشل في حادث مباشر، فإن تدهور الاستشعار يمكن أن يرغم المركبة على العمل بطريقة محدودة، فعلى سبيل المثال، قد يتسبب وجود سحلية مغطى بالثلج في أن تقلل سرعة الارتفاع إلى 15 متراً وتعتمد على الرادار وحده وتبطئ حركة المرور خلفه، وقد تؤدي التباطؤات المتكررة بسبب التدخل البيئي إلى إحباط السائقين البشريين وتقويض الثقة في التكنولوجيا المستقلة.

مخاطر الموثوقية المنهجية

وفي أسطول من آلاف المركبات المستقلة، يمكن أن يؤدي انخفاض احتمال إخفاق أجهزة الاستشعار في كل ميل إلى مئات الحوادث في السنة، فالغلطة الإحصائية لحادثات التصادم الخطيرة في المركبات تجعل كل حدث واضحا للغاية، ويضعف القبول العام، ويدعو إلى التدقيق التنظيمي، وبالتالي، يجب على شركات السيارات والتكنولوجيا أن تثبت ليس فقط أن أجهزة الاستشعار موثوقة منفردة، ولكن النظام بأكمله يمكن أن يعالج بشكل معقول أي مزيج من الإخفاقات.

الاستراتيجيات الرامية إلى التخفيف من حدة الإخفاق

ولا يوجد جهاز استشعار واحد مثالي، ولكن من خلال تصميم نظام دقيق، وازدواج النظام، والتحسين المستمر، يمكن تخفيض المخاطر إلى مستويات مقبولة.

تنوع الاستشعار والارتقاء

ومن أهم هذه التدابير استخدام أجهزة استشعار متعددة ومتجانسة تغطي نفس المجال، ومن هنا، إذا فشل جهاز استشعار واحد - مثل الدرك، فإن الرادار والكاميرا يمكن أن يوفرا بيانات ذات معنى، كما أن الخوارزميات المتناثرة في الصمامات يمكن أن تدمج النواتج في تمثيل موحد، مما يثقل في كثير من الأحيان على ثقة كل جهاز من أجهزة الاستشعار التي تستخدم في الظروف البيئية الراهنة.

إعادة التفرغ الوظيفي

وفيما عدا تنوع المعدات، يستخدم التكرار الوظيفي مقاييس مختلفة أو مسارات تجهيز للتحقق من نفس الحدث، ويمكن اكتشاف الجسم بصورة مستقلة بواسطة شبكة كاميرا عميقة التعلم، وخرقي كلاسيكي من الخوارزميات المُضمِنة للحلية، وإذا لم يوافقا على ذلك، يمكن للنظام أن يُعلِّم الملاحظة ويطلب تأكيدا أو أن يدخل دولة أكثر أمانا.

معايرة منتظمة وعلم النفس

وينبغي أن تقوم المركبات المستقلة بالفحص الذاتي في كل مرة تُستخدم فيها القوة في العمليات وتستمر أثناءها، ويمكن التحقق من المعايرة الأساسية عن طريق مقارنة السمات المعروفة (مثل نمط علامات مواقف السيارات) مقابل ناتج الاستشعار المتوقع، ورصد المعايرة التطرفية باستخدام أخطاء متبقية بين بيانات الاستشعار المزيفة؛ وإذا تجاوز الخطأ عتبة، يمكن للسيارة أن تبادر إلى دفع معايرة.

ويستخدم العديد من الأساطيل تحديثات البرامجيات في الهواء لتحسين معايير المعايرة استنادا إلى القياس عن بعد من الأسطول بأكمله، مما يلتقط أجهزة الاستشعار العائمة قبل أن تسبب مشاكل، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لرسوم مراقبة العمليات الإحصائية من الضوضاء المستشعرة أو النطاق أو معدلات الكشف أن تكشف عن التدهور التدريجي.

التكيف البيئي

ويجب أن تتكيف نظم القذائف المضادة للمركبات مع البيئات المتغيرة في الوقت الحقيقي.

  • Active clean:] Heated elements on lidar and camera covers prevent ice buildup; small exalesrs or compressed air jets clear lenses and windows of water or mud.
  • Adaptive sensor settings:] Camera exposure can be adjusted dynamically based on light level. Lidar pulse power can be increased in fog (within eye-safety limits) to punch through light precipitation. Radar wave parameters can be altered to reject interference.
  • Algorithmic compensation:] Machine learning models trained on data from foggy, rainy, or icey conditions can learn to ignore sensor artifacts. Sensor fusion algorithms may assign spatial or temporal uncertainty to measurements from degraded sensors.

تصميم برامجيات صلبة

وتُغلق أجهزة الاستشعار لتصميم المصانع لتحمل البيئات الارتطامية القاسية، وتُغلق أجهزة الكشف على معايير IP67 أو IP69K لإبقاء المياه والغبار والمواد الكيميائية، وتُحدِّد جبال التذبذبذب المتحركة من سوء الفهم البصري، وتحافظ الأطراف الميكانيكية المكتملة على معايرة عبر أشكال متطرفة من - 40 درجة مئوية إلى + 105 درجة مئوية.

البرمجيات المقاتلة الافتراضية وهيكل النظام

ويجب أن يكون مصمماً تماماً للتصوير من أجل التحلل بشكل معقول، وإذا فشل جهاز الاستشعار، ينبغي أن يتجنب النظام التحولات المفاجئة، فعلى سبيل المثال، إذا تم وقف الكاميرة الأمامية، يمكن للسيارة أن تقلل بسرعة وتعتمد على كاميرات الرادار والجانب، بدلاً من أن تغلق المكابح، فإن طبقة الإشراف على السلامة (مثل وحدة " حارس " ) يمكن أن تتخطى عتبة القيادة الرئيسية إذا كانت الثقة.

ويوفر المعيار الدولي للتوحيد القياسي 26262 (الأمان الوظيفي للالكترونيات الآلية) والجهاز الدولي للاستشعارات والمسح الضوئي () المقبل ([FLT:]) SISO/PAS 21448 " سلامة الأداء " (SOTIF) أطرا لتحليل مخاطر الفشل في أجهزة الاستشعار والتخفيف من حدتها، ويكفل اتباع هذه المعايير التحديد المنهجي لوسائل الفشل وتنفيذ آليات السلامة المقابلة.

تدابير الأمن السيبرانية

ولمكافحة الهجمات الخداعية، يمكن توثيق أو تشفير بيانات الاستشعار، وتقنيات مكافحة التغليف، مثل التحقق من عودة الدرك ضد كشف الرادار، أو استخدام العمق القائم على السطو للتحقق من التنبؤات بالكاميرات - التي تكشف بيانات خاطئة بالحقن، ويقوم الباحثون بتطوير شبكات عصبية قوية للاضطرابات الخداعية، وبعض المركبات تستخدم نظما احتياطية مرئية تستخدم أجهزة استشعارية.

خاتمة

والمستشعرات الإلكترونية هي العمود الفقري لتصورات المركبات المستقلة، ولكنها في جوهرها قابلة للخسائر، ويمكن أن ينشأ الفشل عن عيوب في المعدات، أو التدخل البيئي، أو الانجراف في المعايير، أو التشويش المادي، أو الهجمات الخبيثة، مما يؤكد على الحاجة إلى هندسة شاملة على مستوى المنظومة للموثوقية.

وتجمع أكثر التخفيف فعالية بين مختلف أجهزة الاستشعار، والتكرار المستمر الذاتي، والتكيف مع الخوارزميات، والأجهزة القوية، والعيوب المتعددة الطوابق في البرامجيات، وتوفر معايير الصناعة مثل المعيار الدولي للتوحيد القياسي للمقاييس 26262، والإطار المتكامل للتصنيف الصناعي الخاص، منهجية منظمة لتحديد ومعالجة أساليب الفشل، حيث تتطور تكنولوجيا الاستشعار - الليدرات المتماسكة، والرادار التلقيم 4D، والآلات المحسنة في المستقبل.

وفي نهاية المطاف، لا يعتمد النشر الآمن للمركبات المستقلة على أجهزة الاستشعار المثالية، بل على نظام يفهم حدوده الخاصة ويمكنه التصرف بحكمة عندما يحدث شيء خاطئ، وسيستمر البحث المستمر، والاختبار الحقيقي للعالم، والتعاون بين صانعي السيارات والموردين والمنظمين في صقل هذه النظم الحساسة المتعلقة بالسلامة.