Contribution to realization and test of a fall-back layer for safe, autonomous, and action-flexible systems

Hägele, Georg

The focus of this thesis is the introduction of a fall-back layer design approach for autonomous and semi-autonomous systems. Furthermore, the focus is the application of the introduced approach during run-time for the safe behavior assurance of this type of systems. The core of this thesis is the design and application of a fall-back layer as a safety unit. The fall-back layer designed is denoted as System Safety Surveillance and Control system and is used to organize safety-related functionalities. These safety-related functionalities include techniques for run-time risk area generation and adjustment, situational hazard analysis and risk assessment, run-time technical system’s reliability assessment, and emergency behavior modeling. In general, autonomous and semi-autonomous systems are used in different application domains to simplify or assist humans tasks. Autonomous and semi-autonomous aerial systems (AES), as well as autonomous and semi-autonomous ground vehicles (AGV), are AS examples. The interaction with a complex and dynamic environment, for example in logistics and transportation applications, is a challenging research issue. Research on AS increase during the last decades and several steps are done towards full autonomy. However, from the related literature, it can be concluded that the research focus is mainly dedicated to autonomy-related functionalities realization and improvement. System safety is mostly not systematically considered. No integral AES neither AGV safety concept by the best knowledge of the author can be found in the literature considering safe situational behavior, system malfunctions, situational hazard analysis, and risk assessment using a technical fall-backlayer. The integral concept denotes here an application domain independent systematic concept which is focused on a broad range of safety-related aspects, with regards to modularity and expandability. This thesis presents a literature overview related to AES and AGV first. A novel integral AS fall-back layer concept is introduced as safety unit for safe behavior assurance second. The fall-back layer is separated in well-defined, safety task-specific modules. In comparison to other approaches, using the proposed method, safety is achieved by the separation between regular behavior generation and safety assurance. Safety assurance considers regular behavior surveillance, emergency behavior integration, and realization. Universally concept design permits the fall-back layer realization for different application domains. Experimental results and Simulation results demonstrate the successful use of the introduced concept. The limitations of the presented work exist mainly in the assumptions made. These assumptions are related, for example, to the reliability of the environmental data and the hardware component performance. These shall be considered and improved in the future work.

Der Fokus dieser Arbeit ist einerseits die Einführung eines Designansatzes für eine Rückfallebene für autonome und semi-autonome Systeme (AS). Andererseits fokussiert die Arbeit die Anwendung der eingeführten Methoden und Techniken für die Absicherung des sicheren Systemverhaltens dieses Systemtyps zur Laufzeit. Im Kern der Arbeit steht die Anwendung der Rückfallebene als eine Sicherheitseinheit, die als System Safety Surveillance and Control System bezeichnet wird und zum Zwecke der Organisation sicherheitsgerichteter Funktionalitäten entworfen wurde. Diese sicherheitsgerichteten Funktionalitäten beinhalten Techniken für laufzeitfähige Generierung und Anpassung von Risikobereichen, situative Gefahrenanalyse und Risikobewertung, Bewertung der technischen Systemzuverlässigkeit während der Systemlaufzeit, Verhaltensstrukturierung und Modellierung des Notfallverhaltens. Grundsätzlich werden autonome und semi-autonome Systeme in unterschiedlichen Anwendungsbereichen verwendet, um dem Menschen bei seiner Aufgabenerfüllung zu assistieren oder diese gänzlich zu übernehmen. Autonome und semi-autonome Luftsysteme (AES) genauso wie autonome und semi-autonome Bodensysteme (AGV) sind Beispiele für AS. Die Herausforderung für diese Art von Systemen liegt in der Interaktion mit einer komplexen und dynamischen Umgebung, z. B. im Anwendungsbereich von Logistik und Transport. Der Literatur kann entnommen werden, dass der Forschungsfokus vor allem auf der Realisierung und Verbesserung von autonomiegerichteten Funktionalitäten liegt. Hierbei ist die systematische Berücksichtigung der Systemsicherheit überwiegend nicht vorhanden. Dem Kenntnistand des Autors entsprechend, können den aktuellen Veröffentlichungen keine ganzheitlichen Sicherheitskonzepte für AES oder AGV entnommen werden, die sicheres Verhalten, Fehlfunktionen, situative Gefahrenanalyse und Risikobewertung unter Verwendung einer Rückfallebene berücksichtigen. Als ganzheitliches Sicherheitskonzept wird hier ein Anwendungsgebiet unabhängiges, systematisches Konzept mit umfassender Berücksichtigung sicherheitsgerichteter Funktionalitäten, Modularität und Erweiterbarkeit bezeichnet. In dieser Ausarbeitung wird zunächst ein Überblick der AES und AGV bezogenen Literatur gegeben. Anschließend wird ein neues ganzheitliches Konzept für eine AS Rückfallebene vorgestellt. Das Ziel ist die Realisierung und Verwendung dieser zur Absicherung des Systemverhaltens. Die Rückfallebene ist unterteilt in klar definierte und sicherheitsbezogene Module. Im Vergleich zu anderen Ansätzen wird hierbei die Sicherheit durch strikte Trennung der Generierung des regulären Systemverhaltens und der sicherheitsgerichteten Verhaltensabsicherung erreicht. Hierbei basiert die Absicherung auf der Überwachung des regulären Verhaltens und der bedarfsorientierten Ausführung des Notfallverhaltens. Das universelle Konzeptdesign erlaubt die Verwendung der Rückfallebene in unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Experimentelle Untersuchungen und Simulationsergebnisse zeigen die erfolgreiche Realisierung und Verwendung des neuen Ansatzes. Die Einschränkungen der vorliegenden Ausarbeitung existieren vor allem bezüglich der Annahmen der Zuverlässigkeit der Umgebungsdaten und die Annahmen bezüglich der Komponentenperformance. Dies sollte bei den hierauf aufbauenden Arbeiten berücksichtigt und untersucht werden.

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Hägele, Georg: Contribution to realization and test of a fall-back layer for safe, autonomous, and action-flexible systems. 2018.

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