Güvenlik-kritik Kontrol Uygulamalarında Güvenilirlik Analizinin Rolü

Güvenlik-Critical Control Analizine Giriş

Modern kontrol sistemleri, başarısızlıkların ciddi yaralanmalara, çevresel hasarlara veya yaşam kaybına yol açabileceği görevlerle giderek daha fazla güvenmektedir.Kendi sürüş arabalarından, yoğun sokaklara, robotik kolların performansa geçiş yapmasına kadar, bu güvenlik-kırık uygulamalar sistemin asla tehlikeli bir duruma giremeyeceği konusunda titiz bir güvence talep eder. Bu makale, bu garantiye ulaşmada temel bir araç olarak ortaya çıkabilir.

Ne Erişilebilirlik Analizi?

Anada, erişilebilirlik analizi, tüm olası devletlerin bir sistem tarafından belirlenen resmi bir doğrulama tekniğidir; (t) veya x + = f (x, u) ile belirli bir zamanda elde edilebilir olan tüm eyaletlerin koleksiyonu olarak tanımlanır.

Bu hesaplama kesin veya yaklaşık olabilir. Sayısal kaldırma veya zonotopeksiyon gibi yöntemler doğrusal sistemler için mevcuttur, doğrusal olmayan veya yüksek boyutlu sistemler genellikle aşırılık gerektirir (örneğin, politoplar, elpsoidler veya destek işlevleri) veya alt-imasyonlar. Modern erişilebilirlik araştırmalarının kalbindeki ticaret.

Anahtar Kavramları erişilebilirlik

• [FONT=0)Backward vs. Forward[Dönetici:0)[Döneticileri) – İleri erişilebilirlik hesaplamaları, belirli bir hedefe yollayabilen belirli bir işlem için kullanılabilir.
• [FONT=0)Exact vs. Approximate[[Dönetici:0)[[Döneticiler)) – Exact ulaşılabilen kümeler çoğu doğrusal olmayan veya yüksek boyutlu sistemler için bilgisayar dışıdır. aşırılamalar güvenlik garanti eder, ancak risk false pozitifler; alt-imasyonlar güvenli olmayan trajektörlerin varlığını garanti eder, ancak bazıları kaçırılabilir.
• [0]Time-varying vs. Time-invariant[[Dönemli)[[Dönemli))) sabit bir zaman ufuk (kullanıcı) veya sürekli devlet davranışını yakalamak için her zaman bir araya gelebilir.
• [FONT:0]Set Representations[[[Dönderler) – Ortak temsiller zonotopes, politopes, elpsoids, yıldız setleri ve polinom-düşüm setleri, her biri doğruluk ve hesaplama maliyetinde farklı ticaret teklifleri sunar.

Güvenlik-Critical Control Systems'de Önemli

Güvenlik-kahkademik alanlarda, güvenlik açısından, ISO 26262 (automotive), IEC 62304 (medical cihazlar), ve DO-178C (avionikler) sistem tehlikelerinin ortadan kaldırıldığı veya azaltılabileceği kesin bir doğrulamadır.

Betonda, ulaşılabilirlik mühendislere yardımcı olur:

• [FONT:0] Başarısız modları [[Döneticiler veya girişler sistemin güvenli olmayan devletlere girmesine neden olduğunu inceleyerek, mühendisler yeniden tasarlayabilir veya monitör ekleyebilirler.
• [FONT:0) Tasarım güvenlik filtreleri – Bir erişilebilirlik temelli güvenlik filtresi, sistem güvenli bir zarftan ayrılacağı zaman nominal bir kontrole sahip olabilir ve performanstan ödün vermeden güvenli bir işlem sağlar.
• [FONT=0)[[[Dönetici))[[[Döneticileri))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))))

Klasik bir örnek, aynı anda uçaktan gelen çarpışma kaçınma sistemi) (ACAS Xu) kontrol mantığının asla çatışmaya müdahale etmediklerini doğrulamak için kullanılmıştır (örneğin, “climb”, aynı anda hem de uçakla ilgili bir yaklaşım), uçak dinamiklerine göre yüksek boyutlu bir sisteme ölçeklendi.

Uygulamaları Across Safety-Critical Domains

Özerk Araçlar

Özerk sürüş, yayalarla öngörülemeyen etkileşimleri, bisikletçiler ve gerçek zamanlı diğer araçlarla ele almayı gerektirir: (1) Planlama katmanında, oluşturulan trajektörlerin diğer ajanlarla birlikte etkileşimde bulunamaması sağlanır; (2) doğrulama katmanında, aracın algılayıcı hattının asla çarpışmaya yol açan bir yörüngeye yol açan bir yörüngeye sahip olmadığını kontrol eder.

Örneğin, HEPT:0)Hamilton-Jacobi erişilebilirlik[Dönetici: 1 ) çerçevesi, diğer trafik katılımcılarının en kötü durum davranışını göz önünde bulundurarak güvenli şerit değiştirme ve kesişme oranları hesaplamaya uygulanabilir.

[FONT:0)Dış bağlantı: [Dönetici sürüş için ayrıntılı bir anket için, bkz.Ş.C.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.D.

Tıbbi Cihazlar

insülin pompaları gibi tıbbi sistemler, ventilatörler ve robotik cerrahi araçları hasta güvenliğini garanti etmelidir. Güvenilirlik analizi, cihazın teslim edilmesi (örneğin, ilaç teslim oranı, kesme gücü) fizyolojik sınırlar içinde kalır. Örneğin, otomatik bir teslimat sistemi, kontrol algoritması, kan şekerinin asla hipotamin olmadığı konusunda emin olmalıdır.

Robotik cerrahide, kayıp bir bağlantı veya iletişim gecikmesi doku hasarına yol açabilir, erişilebilirlik, robotun son efektifliğinin doğrulanmış güvenli çalışma alanı içinde kalmasını sağlar. Formal doğrulama araçları gibi )CORA (Continuous Selection Analysis) klinik dağıtımdan önce tıbbi robot kontrol yazılımı doğrulamak için kullanılmıştır.

[FONT=0)Dön bağlantı: [Dönetici:0)Dönetici: [Dönetici:0)Dönemli Robotlar Üzerine Bu Araştırma Makalesi[Döneticiler İçin Tıklayınız.

Industrial Otomasyon ve Robotik

İşbirliği robotlarla üretim hücreleri, insan işçilerle kazaları önlemeli. ulaşılabilirlik analizi, bir robot kolunun belirlenen bir zamanda elde edilebilirliğini hesaplamak için de geçerlidir[Döneticileri kontrol etmek için). Güvenlik kontrolleri, insan-kanıdaki bağlantılarını en kötü sınırlar veya ücret farklılıkları altında tutmak.

Süreç kontrolü (örneğin, kimyasal reaktörler), erişilebilirlik analizi, başlangıçta, kapatma veya hata senaryolarında asla güvenli eşleri geçmeyeceğini belirtir.In process control (e.g., Chemical reaktörler), erişilebilirlik analizi, güvenli procedural kısıtlamalar elde edebilir.

Havacılık ve Havacılık

Havacılık sistemleri uzun süredir resmi yöntemler öncülmektedir. erişilebilirlik analizi, doğrulayıcı kullanım için gereklidir:0)flight zarf koruması tezgahları ve aşırı hız koşullarını engelleyen sistemler.In unmanned hava araçları (UAVs) için sıkı formasyonlar veya çok yakın olmayan alanlarda çalışır, çarpışmaz yörünge garantiler sağlar.TheFLT:2NASA Langley Research Center)

[FONT:0) “Reachability analizi, bir güvenlik-kahkadar uçak sisteminin asla zarfını ihlal etmeyeceğinin matematiksel olarak kesin bir kanıtı sağlamak için tek yoldur.” – Ulusal Academies Havacılık Güvenliği Raporu[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD)

C ⁇ Yöntemleri ve Algoritmalar

Hareketli analiz hesaplamalı olarak talep edilir. Lineer sistemler için, ulaşılabilen set tam olarak zonotope işlemleri (Minkowski toplamları, lineer haritalar) polinom zaman karmaşıklığı ile hesaplanabilir. doğrusal olmayan sistemler için, teknikler şunları içerir:

• [FONT=0]Taylor modeli propagation[[Dönder: 1) Taylor serisini kullanarak ve doğrusal olmayan dinamiklerin evrimine (örneğin, Akış*) son derece ilgi çekici bir şekilde işaret eder.
• [FONT:0)Hamilton-Jacobi erişilebilirlik[Dönetici: 1) Kısmi bir diferansiyel denklemi Çözmek (Barcobi-Bellman denklemi) erişilebilir bir değer fonksiyonunu hesaplamak için.
• [FONT-based methods[[[Dönetici:0)[Dönetici] – Sürekli dinamikleri taklit eden son derece otomatik hale getirmek için, sonra sürekli dinamikleri doğrulamak için model kontrol uygulayın.
• [FONT:0]Neural ağ doğrulama[Dönetici: 1) Son çalışma, ReLU dekompozisyon ve konvex hull greimation to propagate setleri gizli katmanlar yoluyla sistemlere erişebilir.

Her yöntem ölçeklenebilirlik, muhafazakarlık ve hesaplama maliyetine sahiptir. Kapsamlı bir genel bakış için, doğrusal olmayan sistemlerin uyumluluk analizi: bir anket.[Dönetici ve Kompleksi].

Doğru Tool seçmek

Birkaç açık kaynak kullanılabilirlik aracı kutusu mevcuttur: [[DörtÜye dayalı|Dönetici için[Dönetici için)[Dönetici / zaman çizelgesi için)[Dönetici)[Dönetici)|Dönetici:2|JuliReach[Dönetici)[Dönetici)[Dönetici için|Dönetici) ve daha hızlı bir şekilde bir şekilde kontrol için gerekli olan bir sistemdir.

Meydanlar ve Sınırlar

Güçlülerine rağmen, erişilebilirlik analizi temel engellerle karşı karşıya kalır:

C ⁇ Scalability

En erişilebilir setin büyüklüğü, en kötü durumdaki devlet boyutuna (göstermesellik veya zayıf bir darbe) ve monotonluk, karmaşıklık için uygulanabilir olabilir; 50 devletli güçleme modeli için, bir tanesi aşırı derecede muhafazakar tekniklere başvurmalıdır.

Uncertainty ve Disturbances

Gerçek sistemler bilinmeyen dış rahatsızlıklara maruz kalıyor (örneğin, rüzgar gusts, sensör gürültüsü) ve parametrik belirsizlik (örneğin, kitlesel değişiklikler) ulaşılamazlık analizi, bu tür olgunlukların aynı seviyeden yoksundur, ancak sonuçlanabilir setler çok büyük olabilir, aşırı kısıtlayıcı güvenlik kısıtlamalarına yol açabilir.

Doğrulama vs. Validation Gap

Hareketli analiz, bir modelin özelliklerini kanıtlıyor, fiziksel sistem değil. Model hataları (örneğin, modelsiz sürtünme, gecikmeler) güvenlik kanıtı geçersiz kılar. Bu boşluk dikkatli model kalibrasyon ve sağlamlık analizi gerektirir.

Gerçek Zaman Kontrolü

Mevcut erişilebilirlik algoritmaları, özellikle doğrusal olmayan sistemler için, işlem sırasında online olarak çalıştırmak için çok yavaştır. Birçok uygulama, erişilebilir bir güvenlik veya arsa oluşturmak için online geri yükleme masasına ihtiyaç vardır. GPU'da, güvenli ve yükleyici modellere göz atın gerçek zamanlı kontrol sorguları sunar. Ancak tahmin edilemez değişikliklere tepki vermek için sistemler için (örneğin, yoldaki bir yayakat), ulaşılabilen online geri yükleme işlemi gereklidir.

Future Yol Tarifi

Gerçek zamanlı erişim Makine Öğrenme ile

Son gelişmeler, sinir ağları yaklaşık erişilebilir setlere veya sınırlarının ötesine geçer. Örneğin, öğrenilmiş bir model hangi bölgelerin girebileceğini çabucak tahmin edebilir, tam sembolik kota için gerekli olan gereksinimi azaltır. Ancak, bu tür öğrendiler kendilerini doğrulanmalıdır, sadece şu anda sinir ağ doğrulama topluluğu tarafından ele alınacaktır.

Olasılıksal erişilebilirlik

“Sistem hiç güvenli olmayan bir durumda mı?” diye sormadan ziyade, olasılıksal erişilebilirlik “Ne yazık ki bir stochastic bir rahatsızlık modeli verilen güvenli bir duruma girebilme olasılığı?” Bu, küçük bir riskin kabul edilebilir olduğu birçok uygulama için daha pratiktir.ProbReach).