SYSTEMSICHERHEIT VON ADAS UND HOCHAUTOMATISIERTEM FAHREN

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1 SYSTEMSICHERHEIT VON ADAS UND HOCHAUTOMATISIERTEM FAHREN Dr.-Ing. Bernhard Kaiser Leiter Competence Center Safety & Systems Engineering Technikforum Funktionale Sicherheit 2014, Braunschweig / BK 1

2 GLIEDERUNG Herausforderungen bei ADAS / Hochautomatisiertem Fahren Sicherheit mehr als Erfüllung der ISO Systems Engineering als gesamtheitlicher Lösungsansatz Adäquate Ansätze für Verifikation und Test von ADAS 2

3 Herausforderungen bei ADAS und hochautomatisiertem Fahren 3 SYSTEMSICHERHEIT VON ADAS UND HOCHAUTOMATISIERTEM FAHREN

4 INTRODUCTION TO ADAS Advanced Driver Assistance Systems (ADAS) Increasing road safety and driver comfort Even in presence of driver failures Typical Eamples: Adaptive Cruise Control (ACC) Automatic ark Assist Lane-keeping Assist Traffic Jam Assist Autonomous Emergency Braking Characteristics Multiple Heterogeneous Sensor Technologies Intelligent Fusion Algorithms and Comple Decision rocesses Comple Human-Machine-Interaction and Operation Scenarios Influence on various safety-relevant actuators (steering, braking, powertrain) and ADAS are further evolving towards automated driving! 4

5 INTRODUCTION TO ADAS Why are ADAS safety critical? ADAS influence steering, braking and acceleration control to accomplish their function Erroneous intervention can be safety critical ADAS react in safety critical situations Failure to do so results in loss of safety advantage Eamples of Safety Critical Scenarios: 5 Erroneous Emergency Braking intervention of Traffic Jam Assist or Adaptive Cruise Control (ACC) at full speed Steering Intervention by ark Assist which is erroneously active Omission of braking intervention of Automatic ark Assist despite pedestrians crossing the street in the proimity of the car

6 HERAUSFORDERUNGEN BEI ADAS / HOCHAUTOMATISIERTEM FAHREN Evolution of ADAS Increases Safety Criticality Lane Departure Warning: Yesterday: Information only Today: Influence on Steering ark Assist Systems: 1st Generation: Driver Information / Warning 2nd Generation: Steering aid (driver controls accelerator and brake) 3rd Generation: Assisted arking (driver supervises) 4th Generation: Autonomous arking (driver not even inside the car) 6

7 HERAUSFORDERUNGEN BEI ADAS / HOCHAUTOMATISIERTEM FAHREN Networked Functions, Compleity, Division of Labor Functions are distributed among many ECUs ECUs host many different functions Functions share same sensors and control same actuators Functions evolve from pre-eisting functions Re-Use! Functions are deployed in variants for different vehicles Compleity of vehicle functions ever increases No single person can understand all aspects roblems resulting from interaction, unforeseen combinations of situations, human-machine-interaction etc. High degree of division of labor (many enterprises involved) 7

8 HERAUSFORDERUNGEN BEI ADAS / HOCHAUTOMATISIERTEM FAHREN Gefährdungsentstehung: Fokus auf Zusammenwirken Hazards entstehen nicht nur durch Fehler in einzelnen Komponenten Auf Funktionsebene (OEM) müssen gesamtheitliche Fehler betrachtet werden: Auch: Fehler im Zusammenwirken an sich korrekter Komponenten Hazard Fehler in Komponente A Fehler in Komponente B Fehler im Zusammenwirken 8

9 CHALLENGES OF ADAS DEVELOMENT Fehler im Zusammenwirken: Feature Interaction Func 1 Brake Feature Interaction ESC Func 2 Release Brake 9

10 SICHERHEIT MEHR ALS ERFÜLLUNG DER ISO Fehler im Zusammenwirken: Synchronsiation ES passive fail active ADAS ECU passive fail active ESC passive fail active Brake 10

11 Sicherheit mehr als Erfüllung der ISO SYSTEMSICHERHEIT VON ADAS UND HOCHAUTOMATISIERTEM FAHREN

12 SICHERHEIT MEHR ALS ERFÜLLUNG DER ISO Aspekte der Sicherheit mehr als ISO rodukthaftungsgesetz (rodhaftg): 3 Fehler Ein rodukt hat einen Fehler, wenn es nicht die Sicherheit bietet, die unter Berücksichtigung aller Umstände, insbesondere - seiner Darbietung - des Gebrauchs, mit dem billigerweise gerechnet werden kann, - des Zeitpunktes, in dem es in den Verkehr gebracht wurde, berechtigterweise erwartet werden kann. Die Gesetzgebung bzgl. Sicherheit geht von der Gefährdung des Menschen aus, nicht Geltungsbereich irgendeiner Norm! ISO Scope (vgl. Einleitungskapitel aller Bände) ISO addresses possible hazards caused by malfunctioning behaviour of E/E safety-related systems, including interaction of these systems. ISO does not address the nominal performance of E/E systems NB: ISO adressiert jedoch Anforderungs- / Design- / Validierungs-Fehler ( nicht zu Ende gedachte Funktion ) COMETENCE CENTER SAFETY & SYSTEMS ENGINEERING DATUM

13 SICHERHEIT MEHR ALS ERFÜLLUNG DER ISO Safety Beyond ISO Safety according to rodhaftg Functional Safety (cross-divisional view) Functional Safety (according to ISO Scope)

14 SICHERHEIT MEHR ALS ERFÜLLUNG DER ISO Adäquanz der ISO für ADAS Mit den derzeitigen Mitteln der ISO schwierige Bewertung / Entscheidungsfindung bei entgangenem Sicherheitszugewinn z.b. System hat nicht gebremst bei Auffahren auf Stau Minderung der Unfallschwere durch Assistenzfunktion ( Delta Severity ) Verbesserung der Beherrschbarkeit ( Delta Controllability ) abgestuften Rückfallebenen (statt dem sicheren Zustand) Relevant bei Fail Operational Systemen (z.b. teil-autonomes Fahren bei höheren Geschwindigkeiten) Trade-Offs zwischen Sicherheitszielen est oder Cholera? Fehlern / Missverständnis des Fahrers in der Interaktion mit dem System Im Bahnbereich hat Lokführer SIL2?!? 14 COMETENCE CENTER SAFETY & SYSTEMS ENGINEERING DATUM

15 SICHERHEIT MEHR ALS ERFÜLLUNG DER ISO Quantifizierung der Sicherheitsvorgaben Quantitative Abschätzung des Rest-Risikos gefordert bei höherem ASIL robabilistische Vorgaben macht die ISO nur für HW-Ausfälle Bei HW: Tolerable Wahrscheinlichkeit der Sicherheitszielverletzung 10-7 / h bei ASIL (B)/C bzw.10-8 / h bei ASIL D Manche Sensoren / Sensorfusionsalgorithmen entscheiden (im fehlerfreien Fall!) nur richtig mit Wahrscheinlichkeiten um: 95% bei kamerabasierten Systemen (aktueller Fusionsalgorithmus) tw. deutlich darunter (situationsabhängig) Die Erkennungsgüte hängt u. a. von Wetter, Sensor-Verschmutzung und Oberfläche des zu erkennenden Objekts ab HW-Fehler und Unzulänglichkeit der Sensorik können die selbe Gefährdung verursachen! Woher kommen die Vorgaben an Entwicklung und Test? 15

16 SICHERHEIT MEHR ALS ERFÜLLUNG DER ISO Funktionsorientierter Entwicklungsprozess für ADAS Fkt. 1 Idee Fkt. 2 Fkt. 3 ISO steht Funktionsorientierter Entwicklung nicht entgegen aber Interpretationsbedarf! Vehicle Test Req Req Req System Architecture B (u.a. Teilung der Verantwortung, Sicherheitsnachweis, Re-Use bestehender Komponenten) Function 1 Function 2 Test Test Function 3 Test A D A C Components B C D System Integration OEM Lieferant OEM Lieferant Test Comp. A Test Comp. B Test Test Comp. Comp. C D Supplier rocess: Design and Implementation 16

17 SICHERHEIT MEHR ALS ERFÜLLUNG DER ISO Arbeitsteilung und Verantwortung bei ADAS Bsp. Verantwortlichkeits- und Nachweisproblematik Lieferant X verantwortet Ultraschallsensoren Lieferant Y verantwortet Kamera und Fusionsalgorithmus OEM verantwortet Fahrzeugsicherheit Lieferant X analysiert Fehlermodes seines Sensors... Fehler Maßnahme Zuständig Leitungsabriss Range Check Lieferant X De-Justage Math. Modell im Fusionsalgorithmus Lieferant Y Wie weist OEM nach, dass alles abgedeckt ist? Safety Case der ISO zu wenig formalisiert für Gewissheit im Haftungsfall! 17

18 Systems Engineering als gesamtheitlicher Lösungsansatz 18 SYSTEMSICHERHEIT VON ADAS UND HOCHAUTOMATISIERTEM FAHREN

19 SYSTEMS ENGINEERING ALS GESAMTHEITLICHER LÖSUNGSANSATZ Was ist Systems Engineering? Methodisches ingenieursmäßiges Vorgehen bei der Entwicklung hochkompleer Systeme Ursprünge: Telefon-Netze, Raumfahrtprogramme, Avionik Top-Down-Ansatz (definierte Einbeziehung bewährter Lösungen) Fokus auf interdisziplinärer Zusammenarbeit im Team Ziel: gesamtheitliches Systemverständnis insbes. bzgl. der systemischen Eigenschaften wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Bedienbarkeit, erformanz, Kosten Starker Einsatz von Modellen zu Verständnisbildung und Spezifikation Simulation und Analyse relevanter System-Eigenschaften Validierung der Eignung des Systems für seinen Einsatzzweck 19

20 SYSTEMS ENGINEERING ALS GESAMTHEITLICHER LÖSUNGSANSATZ Was trägt Systems Engineering zur Lösung bei? Strukturierte rozesse mit Integration aller Beteiligten und Disziplinen Durch Baukasten mit definierten Schnittstellen herstellerübergreifende Zusammenarbeit Ganzheitliche Sicht Safety integraler rozessbestandteil Schrittweise Ableitung von Anforderungen und Eigenschaften Transformation von Eigenschaften (Safety des Systems erformanz eines Subsystems) Ableitung quantitativer Vorgaben durch Modelle und Berechnungen Begründete Designentscheidungen mit Dokumentation der Annahmen Designentscheidung für sichere Lösung unter Randbedingungen (Kosten, Verfügbarkeit, ) Bei Re-Use und Variantenbildung leichterer Nachweis der Sicherheit Frühe modellbasierte Validation mit Blick auf das Gesamtsystemverhalten Das ganze ist mehr als die Summe seiner Teile Fokus auf Modellierung von Wechselwirkungen zwischen Systemteilen beim Gesamtsystemverhalten 20

21 SYSTEMS ENGINEERING: ROZESSINTEGRATION Integration Safety vs Funktionsorientierte Entwicklung Item Definitions Fkt. 1 Idee Fkt. 2 Fkt. 3 Vehicle Test HARA Req Req Req System Architecture Function 1 Function 2 Function 3 Test Test Test Safety Validation per Function Functional Safety Concepts F1 F2 F3 A B C System Safety ConcepOt Concept EM D Lief eran t A A B C D Components B C D Test Comp. A System Integration Test Test Test Comp. Comp. Comp. B C D Int. & Testing ac O c Ė M ISO Lieferant Technical Safety Concepts A B C D Supplier rocess: Design on Implementation 21

22 SYSTEMS ENGINEERING: ROZESSINTEGRATION Integration Systems Engineering / Functional Safety D1: Function Modelling D2: Functional Requirements Definition S1: Hazard Analysis S2: Functional Safety Concept S3: Integration of Functional Safety Requirements D3: Definition of Technical Solution S4: Analysis of Failure ossibilities of Technical Solution (e.g.. FTA, FMEA) S5: Technical Safety Concept D4: Definition of Requirements to arts H ASIL H ASIL H ASIL H ASIL Hazard Analysis S2 S1 Functional Safety Concept S5 Idea of Function S2 D1 Function Block Model / Use Cases S5 S3 FTA / FMEA D2 S4 Functional Requirements D3 System Architecture D4 S6: Integration of Technical Requirements Legend: D = Development Activities S = Safety Activities OEM Supplier S6 Technical Safety Concept art A Req art B Req art C Req 22

23 SYSTEMS ENGINEERING: SYSTEMATISCHE ABLEITUNG Strukturiertes Modell Ableitung von Anforderungen Element Level IS, reprocessing Data Reduction, Signal rocessing Sensor Evaluation Level Steering Controller Steering Sensor Type 1 (camera) Sensor Type 2 (ultrasonic) Sensor Fusion, Interpretation Evaluation, Decision Braking Controller Brake ADC, Signal Conditioning Data Reduction, Signal rocessing Sensor Fusion Level Core Function Level Engine Controller Engine Vehicle Level 23

24 SYSTEMS ENGINEERING: SYSTEMATISCHE ABLEITUNG Strukturiertes Modell Ableitung von Anforderungen Element Level IS, reprocessing Data Reduction, Signal rocessing Sensor Evaluation Level Steering Controller Steering Sensor Type 1 (camera) Sensor Type 2 (ultrasonic) Sensor Fusion, Interpretation Evaluation, Decision Braking Controller Brake System Architecture Hierarchy ADC, Signal Conditioning Data Reduction, Signal rocessing Sensor Fusion Level Core Function Level Engine Controller Engine Vehicle Level Vehicle Level Core Function Level... Sensor Fusion Level... Sensor Evaluation Level Scopes of Requirements and Safety Statements Element Level 24

25 SYSTEMS ENGINEERING: SYSTEMATISCHE ABLEITUNG Strukturiertes Modell Ableitung von Anforderungen Func Req erf Req Safety Req Func Req erf Req Safety Req Func Req erf Req Safety Req Func Req Safety Req Func Req erf Req Safety Req Func Req erf Req Safety Req... Vehicle Level Safety Requirement: revent pedestrian collision Core Function Level Functional Requirement: Sensor Fusion Level ASIL ASIL y *) Reliable pedestrian detection ASIL z *) Func Req erf Req Func Req erf Req Safety Req Func Req erf Req Func Req erf Req Safety Req Func Req erf Req Func Req erf Req Safety Req Func Req erf Req Func Req erf Req Safety Req Func Req erf Req... erformance Requirements: Accuracy of detection Sensor Evaluation Level Surface of material Safety Requirement: Diagnostic Check of HW Element Level *) = applies to process quality to be assured

26 SYSTEMS ENGINEERING: DOKUMENTIERTE ENTWURFSENTSCHEIDUNGEN Design Decisions: Topology of an ADAS System Camera Steering ECU Steering ADAS ECU Radar Transversal control Lidar Sensor Fusion Decision maker Engine ECU Engine Ultrasonic Longitudinal control Braking ECU Brake Ego-velocity 26

27 SYSTEMS ENGINEERING: DOKUMENTIERTE ENTWURFSENTSCHEIDUNGEN Variant 1: Centralized Implementation of Safety Features Camera Steering ECU Steering ADAS ECU Radar Lidar Ultrasonic Sensor Fusion Decision maker Transversal control Longitudinal control ASIL Actuator Guardian Engine ECU Engine Safety Decision riority Braking ECU Brake Ego-velocity ASIL 27

28 SYSTEMS ENGINEERING: DOKUMENTIERTE ENTWURFSENTSCHEIDUNGEN Variant 2: Redundancy of critical functions Camera Steering ECU Steering ADAS ECU rocessor Core 1 Radar Lidar Ultrasonic Sensor Fusion Decision maker Transversal control Longitudinal control Actuator Guardian Engine ECU Engine Braking ECU Brake Ego-velocity Safety Fusion rocessor Core 2 Safety Decision riority 28

29 SYSTEMS ENGINEERING: DOKUMENTIERTE ENTWURFSENTSCHEIDUNGEN Variant 3: Decentralized Guards for Safety Conditions Camera Steering ECU Steering ADAS ECU Safety Guardian Radar Transversal control Lidar Sensor Fusion Decision maker Engine ECU Safety Guardian Engine Ultrasonic Longitudinal control Braking ECU Brake Safety Guardian Ego-velocity 29

30 SYSTEMS ENGINEERING: DOKUMENTIERTE ENTWURFSENTSCHEIDUNGEN Variant 4: artially Fail Operational Camera rediction Steering ECU Steering ADAS ECU Emergency operation Radar Transversal control Lidar Sensor Fusion Decision maker Emergency Cut-Off Engine ECU Engine Ultrasonic Longitudinal control Braking ECU Brake Ego-velocity Emergency Decelerati on 30

31 SYSTEMS ENGINEERING: FRÜHE VALIDIERUNG DURCH MODELLEINSATZ Frühere (Safety-)Validierung durch Modelleinsatz Safety Validation acc. ISO

32 SYSTEMS ENGINEERING: FRÜHE VALIDIERUNG DURCH MODELLEINSATZ Dynamisches Verhalten und Zusammenwirken ibd [SysML Internal Block] osition Ctrl [1] ibd [SysML Internal Block] osition Ctrl [1] osition Reference ECU CAN sd [Sequence] osition Ignition Ctrl Status [1] hase Current U hase Current V CAN osition Sensor ECU-SW hase Current W (osition Control) Actuator WM Driver min Voltage ma Voltage Range Check osition Sensor Motor osition [error detected] ower Supply get osition Reference() 12 V Logic ower 12V High ower Voltage Offset Offset Compensation get Motor osition() Motor Speed Calculation() Flt qualified redundant Voltage Value lausibility Check FLT_DIAG Motor Speed Control() [error detected] set WM U() Motor Speed set WM V() set WM W() Ma allowed Speed for Fnct Motor ositionvalue Last Motor osition Value Motor Speed Calculation Motor Speed Create Error Entry 100ms 500ms Standstill Limit Hazard Threshold 32

33 SYSTEMS ENGINEERING: FRÜHE VALIDIERUNG DURCH MODELLEINSATZ Frühere (Safety-)Validierung durch Modelleinsatz 33

34 SYSTEMS ENGINEERING: FRÜHE VALIDIERUNG DURCH MODELLEINSATZ Verfeinerung zum Simulationsmodell Validierung ibd [SysML Internal Block] osition Ctrl [1] osition Reference ECU CAN Ignition Status hase Current U hase Current V Actuator hase Current W osition Sensor Motor osition ower Supply 12 V Logic ower 12V High ower 34

35 SYSTEMS ENGINEERING: FRÜHE VALIDIERUNG DURCH MODELLEINSATZ Frühere (Safety-)Validierung durch Modelleinsatz 35

36 Adäquate Ansätze für Verifikation und Test von ADAS 36 SYSTEMSICHERHEIT VON ADAS UND HOCHAUTOMATISIERTEM FAHREN

37 ADÄQUATE ANSÄTZE FÜR VERIFIKATION UND TEST VON ADAS Ableiten und Verifizieren Quantitativer Anforderungen Sensorik/Sensorfusion in Verbindung mit variablen Umgebungs- Szenarien nicht deterministisch, sondern probabilistisch 1. Teilproblem: Zielwerte auf Gesamt-Funktionsebene Mögliche Quellen: Unfallstatistiken, Stand der Technik GAMAB-rinzip: mit neuer Technik nicht mehr Unfälle als mit vorheeriger (Juristisch keine Garantie für Haftungsfreiheit im Falle eines Unfalls!) 2. Teilproblem: Herunterbrechen von Test-Kriterien auf Fahrzeugebene zu Zielwerten auf Subsystem-Ebene Z.B. Sensor, Auswertung & lausibilisierung, Fusion, Entscheidung 3. Teilproblem: Verifikation durch Tests / Simulation Statistische Konfidenz: Wieviele km muss man fahren, ohne dass etwas passiert? Formeln grundsätzlich bekannt! Machbarkeit: Bei sehr niedrigen Fehlerwahrscheinlichkeiten kann man nicht genug testen / alle praisrelevanten Situationen erreicht man nicht Simulation mit statistischer Variantenbildung, Evolutionärer Test 37

38 ENGINEERING SOLUTIONS AND RODUCTS FOR AUTOMOTIVE ELECTRONICS & SOFTWARE & MECHANICS 38

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