Cadre autonomique pour la gestion de la surêté de fonctionnement pour générer et réduire les cas d’usage sécuritaires du véhicule autonome

Autonomic framework for safety management in the autonomous vehicle

• Auteur / Autrice : Matthieu Carré
• Direction : Ernesto José Exposito Garcia, Javier Ibanez-Guzman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/12/2019
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'Université de Pau et des pays de l'Adour (Pau) - Laboratoire Informatique de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour / LIUPPA
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ernesto José Exposito Garcia, Javier Ibanez-Guzman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Mots clés libres

Sûreté de fonctionnement

Safety

Systèmes critiques

Véhicule autonome

Sûreté comportementale

Safety

Safety-critical systems

Autonomous vehicle

Behavioral safey

Safe autonomy

Résumé

Le développement et le déploiement de véhicules autonomes (VA) demandent des efforts très particulier du point de vue de la sûreté de fonctionnement. Ces véhicules sont des systèmes complexes caractérisés comme critiques face aux enjeux de sécurité qu’ils représentent. En effet, ils doivent être capable de naviguer dans de multiples situations complexes tout en évitant les dangers potentiels, et cela, sans perturber la circulation pour être bien acceptés par la société. La conduite en toute sécurité sous le contrôle total d’un ordinateur nécessite également d’interagir et d’opérer autour de différentes entités au sein de réseaux routiers complexes et d’aborder leurs différents comportements de manière appropriée. Bien que beaucoup de progrès aient été réalisés au cours des dernières années, le travail s’est concentré sur la capacité des véhicules à naviguer de façon autonome. Ce type de sécurité, nommé ''safety'' en anglais, est apparue comme le défi majeur, non seulement pour gérer les dysfonctionnements ou les perturbations externes, mais aussi sur le plan comportemental du véhicule pour traiter les cas de bord ou potentiels inconnus dit “edge cases”. Cette thèse aborde la question de la recherche qui porte sur la façon dont l’autonomie sécuritaire, dite ''safe autonomy'', est formulée dans la littérature et devrait être appliquée. Nous examinons les mécanismes de contrôle de la sécurité qui interviennent au moment de l’exécution et usent de comportements adaptatifs. Nous identifions que les systèmes de conduite autonome nécessitent une combinaison des propriétés non-fonctionnelles d’observabilité, de traçabilité, de reconfigurabilité et de flexibilité. Sur la base de ces propriétés, nous proposons un cadre qui intègre la notion d’autosécurité ou “self-safety” de manière gérable et évolutive dans les VA existants. Ce cadre définit d’une part notre méthodologie pour représenter l’argumentation de la sécurité comme des contraintes et d’autre part notre architecture de référence impliquant deux couches d’adaptation. Cellesci opèrent des mécanismes d’auto-adaptation pour assurer la sécurité. La première couche est plus proche du véhicule autonome et consiste en un ensemble de processus vérifiant le respect des spécifications et contraintes. Ils précisent les exigences et sont couplés à des boucles de contrôle pour gérer étroitement l’assurance de la safety. La deuxième couche reconfigure le flux de travail de la couche précédente en fonction des couples formés par des contraintes et des exigences. Ces boucles de contrôle opèrent selon le context en fonction de ces restrictions contextuelles ainsi que de l’état des fonctions du vehicule. Nous détaillons également les éléments constitutifs et l’application du cadre, à savoir la représentation des connaissances, les abstractions, les modèles et les mécanismes qui relient les boucles de contrôle en tant que microservices composables et agnostiques. Cette nouvelle formulation est appliquée à un cas d’utilisation concernant des piétons, décrivant ainsi comment l’approche de sécurité proposée peut être mise en œuvre et testée. L’analyse des résultats et la discussion sur les perspectives sont incluses

The development and deployment of Autonomous Vehicles (AV) is a very challenging endeavour from a safety perspective. These vehicles are safety-critical systems must navigate through multiple complex situations preventing any potential harm and without disturbing traffic flow to be accepted by society. Safe driving under full computer control also requires to interact and operate around different entities within complex road networks and appropriately address their various behaviours. While much progress has been achieved within the past years, work has centred on providing vehicles with the ability to navigate autonomously. Safety has emerged as the major challenge, not only to manage malfunctions or external disturbances but also on the vehicle behavioural part to address edge-cases. This thesis addresses the research question of how safe autonomy is formulated and managed in the literature. We review safety mitigation mechanisms at run-time employing adaptive behaviours. We identify that AV systems require a handful combination of observability, traceability, reconfigurability and flexibility. Based on these non-functional properties, we propose a framework that incorporates the notion of self-safety into existing AVs a manageable and scalable manner. The framework defines our methodology to represent the safety argumentation as constraints and our reference architecture that involve two layers that operate self-adaptation mechanisms to ensure safety. The first layer is closer to the autonomous vehicle and consists of a collection of dependable processes. They specify requirements and are coupled to control loops to manage the assurance of safety closely. The second layer reconfigures the workflow of the previous layer according the association between the constraints and the requirements. The control loops operate with respect upon the context according to the context-dependence restrictions as well as the state of the AV functions. We also detail the constituent parts and application of the framework, namely, with knowledge representation, abstractions, templates and the mechanisms that connect the control-loops as composable and agnostic microservices. This novel formulation is applied to a use case relating pedestrians, thus describing how the proposed safety approach can be implemented and tested. Results analysis and discussion on the perspectives are included.