美國(guó)NSF CAREER支持優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)以改進(jìn)自動(dòng)駕駛的可靠性
我們?cè)S多所謂的“智能”技術(shù)還達(dá)不到真正意義上的“自治”。今天的智能汽車、飛機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、制造和能源系統(tǒng)、監(jiān)視器、傳感器和家用電器都不能完全自主、自治——也就是說，它們還沒達(dá)到完全不需依賴或外部控制。
亞利桑那州立大學(xué)工程學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授Georgios Fainekos說：“這些都是真正的自動(dòng)化系統(tǒng)，有些帶有機(jī)器學(xué)習(xí)組件?！?
Fainekos正在通過提高信息物理系統(tǒng)中的小型計(jì)算機(jī)軟件——觸發(fā)機(jī)制或“執(zhí)行器”的可靠性來推進(jìn)復(fù)雜自動(dòng)化系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化。這些系統(tǒng)通過信息與物理控制組件，將計(jì)算與物理過程控制集成在一起。通過嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視和控制物理過程。
這個(gè)工程的挑戰(zhàn)在于優(yōu)化這些嵌入式計(jì)算機(jī)的性能并確保其運(yùn)行安全，以根據(jù)周圍環(huán)境的變化激活相應(yīng)的功能。
Fainekos說，他負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)ASU大學(xué)的信息物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，是該大學(xué)嵌入式系統(tǒng)中心的一個(gè)研究附屬機(jī)構(gòu)。例如，想象一輛配備了一系列自動(dòng)化系統(tǒng)的汽車——自適應(yīng)巡航控制、緊急制動(dòng)、車道保持等。對(duì)于環(huán)境中發(fā)生的任何情況，這些嵌入式系統(tǒng)中的執(zhí)行器必須在不同的操作過程之間做出決定，例如，加速或減速車輛、緊急制動(dòng)、逐漸中斷或進(jìn)行碰撞避免操作。對(duì)形勢(shì)的評(píng)估基本上是通過信息物理網(wǎng)絡(luò)由傳感系統(tǒng)傳輸?shù)角度胧接?jì)算機(jī)處理器中。Fainekos說，利用系統(tǒng)對(duì)各參量的測(cè)量，處理器“必須快速工作并實(shí)時(shí)計(jì)算，以確定車輛的下一步行動(dòng)”?！拔覀兊哪繕?biāo)是確保在嵌入式處理器上運(yùn)行的算法能夠調(diào)整到保證系統(tǒng)安全所需的方式?！?
自動(dòng)駕駛嵌入式系統(tǒng)安全檢測(cè)驗(yàn)證的重大突破
Fainekos的研究項(xiàng)目的首要任務(wù)是設(shè)計(jì)新的和改進(jìn)的技術(shù)和方法來測(cè)試信息物理系統(tǒng)的能力。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)正在采取重要步驟。
Fainekos說，他的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)與工業(yè)界和其他大學(xué)的其他研究人員合作，已經(jīng)“證明了他們的新型無人駕駛飛行器和醫(yī)療設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)試方法的有效性和價(jià)值”。
“我們的一個(gè)重大突破是證明了對(duì)復(fù)雜信息物理系統(tǒng)的安全要求進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)和測(cè)試的可行性。在我們的工作之前，系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果是非常有限的。
該團(tuán)隊(duì)還與主要的國(guó)際汽車制造商豐田合作，為汽車中的嵌入式處理器和信息物理系統(tǒng)開發(fā)有效的測(cè)試。 其他幾家公司現(xiàn)在正在使用該團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)的測(cè)試和分析工具。
在簡(jiǎn)化性能測(cè)試和保證過程以及降低完成這些過程的成本方面也取得了進(jìn)展。
接下來，F(xiàn)ainekos和他的團(tuán)隊(duì)希望將他們的分析、測(cè)試和驗(yàn)證過程從實(shí)驗(yàn)室推進(jìn)到工業(yè)規(guī)模應(yīng)用中。他說，如果能做到這一點(diǎn)，它將有助于防止嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷和測(cè)試錯(cuò)誤，因?yàn)楫a(chǎn)品缺陷可能會(huì)給業(yè)界造成數(shù)十億美元的損失。
航天的新可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)—?dú)W洲航天局可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)最新進(jìn)展
基于傳統(tǒng)的基于手冊(cè)的可靠性預(yù)計(jì)方法在零件故障模型過時(shí)、技術(shù)工藝落后和數(shù)據(jù)庫(kù)不完整方面存在局限性，以及考慮的故障覆蓋面不足、預(yù)計(jì)過于保守等問題，歐洲航天局（ESA）在2016年3月23日啟動(dòng)了一個(gè)專門研究新可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)及編制新可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)的項(xiàng)目——航天應(yīng)用的新可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目。
目前，項(xiàng)目組已經(jīng)完成TN1工作，已經(jīng)在執(zhí)行TN2節(jié)點(diǎn)工作，以及部分的TN3、TN4、TN5。目前，該項(xiàng)目有序進(jìn)行中。
TN-2提出的航天應(yīng)用的可靠性預(yù)計(jì)方法的設(shè)想應(yīng)達(dá)到： （1）支持所有任務(wù)階段的決策，從早期開發(fā)到安全退役； （2）覆蓋所有航天器元件和技術(shù)領(lǐng)域； （3）考慮性能和技術(shù)發(fā)展； （4）提供同時(shí)考慮新技術(shù)和未來技術(shù)的方法； （5）考慮可靠性和故障類別的所有相關(guān)方面； （6）解釋不同的故障根源和原因； （7）從部件到系統(tǒng)考慮不同的級(jí)別； （8）與在軌反饋結(jié)果相比，產(chǎn)生可靠的預(yù)計(jì)結(jié)果； （9）確保一致性，減少不同制造商的預(yù)測(cè)不確定性； （10）基礎(chǔ)和基本假設(shè)方面應(yīng)清晰； （11）滿足航天領(lǐng)域及其其它利益相關(guān)者的需要； （12）理論上站得住腳，但也要實(shí)用； （13）可持續(xù)更新發(fā)展，提供高效的維護(hù)和更新能力。 。
TN2的技術(shù)報(bào)告簡(jiǎn)要概述了TN5中新可靠性預(yù)計(jì)方法開發(fā)所使用的預(yù)期方法，首先是故障根源，然后是技術(shù)領(lǐng)域（電子、機(jī)械、雜項(xiàng)）和層級(jí)（基本部件與系統(tǒng)）。
（1）故障根本原因方法
基于前面分析的優(yōu)先順序，本研究的重點(diǎn)將放在提高隨機(jī)故障可靠性預(yù)測(cè)上。此故障類別的建議方法將在技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步詳細(xì)說明，如下所述。對(duì)于系統(tǒng)性和磨損失效建模，其目的是考慮到這些失效根本原因，朝著定量可靠性預(yù)測(cè)邁出第一步，每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都有專門的考慮，雖然是有限的考慮（以下未討論，原因是簡(jiǎn)潔）?？紤]外部故障的優(yōu)先級(jí)較低，將主要基于行業(yè)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并利用隨機(jī)故障建模方法的特定能力，將外部環(huán)境影響視為壓力因素。
（2）電子器件可靠性預(yù)計(jì)分析方法
在電子部件的建模中，當(dāng)前使用的FIDES可靠性預(yù)計(jì)方法被認(rèn)為是更接近實(shí)際的、更恰當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)方法的很好的候選者。本研究框架中預(yù)計(jì)會(huì)側(cè)重于FIDES的調(diào)整與簡(jiǎn)化，以便適用于航天應(yīng)用。包括對(duì)當(dāng)前法國(guó)國(guó)防部領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究取得的一些新發(fā)展進(jìn)行評(píng)估，目的是更新和擴(kuò)展FIDES指南，以適用技術(shù)變革。
（3）機(jī)械部件可靠性預(yù)計(jì)分析方法
當(dāng)前的可靠性預(yù)計(jì)方法在機(jī)械零件的覆蓋范圍方面非常有限，也凸顯了這一技術(shù)領(lǐng)域的改進(jìn)需求。該方法以不同來源的各種方法為基礎(chǔ)，包括以往ESA針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和零件可靠性預(yù)測(cè)的研究的一些新進(jìn)展。
（4）其它產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)分析方法
除電子和機(jī)械領(lǐng)域外，還考慮了第三類項(xiàng)目（零件和組件），包括難以歸類為前兩類中的一類的項(xiàng)目，以及本質(zhì)上屬于電子或機(jī)械的項(xiàng)目，但很難用現(xiàn)有的建模方法加以考慮。這些“雜項(xiàng)”項(xiàng)目的一般策略是調(diào)查從在軌返回?cái)?shù)據(jù)中得出可靠性模型的可能性，并結(jié)合其他適當(dāng)?shù)慕７椒ā?
（5）系統(tǒng)級(jí)可靠性預(yù)計(jì)分析方法
在系統(tǒng)級(jí)可靠性預(yù)計(jì)中使用綜合單元可靠性估計(jì)結(jié)果的可用方法，例如故障樹或可靠性框圖，這種做法通常被認(rèn)為是成功的，并且已經(jīng)是航天應(yīng)用的最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在針對(duì)不同故障類別使用這些方法時(shí)，需要特別考慮，例如，考慮系統(tǒng)故障的共同原因效應(yīng)或磨損故障的非恒定故障率情況。其他領(lǐng)域采用的一些方法也可以考慮，例如退化的系統(tǒng)模式、系統(tǒng)優(yōu)化的重要測(cè)量和分階段任務(wù)可靠性分析方法等。
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