Towards Identifying and closing Gaps in Assurance of autonomous Road vehicleS - a collection of Technical Notes Part 1

This report provides an introduction and overview of the Technical Topic Notes (TTNs) produced in the Towards Identifying and closing Gaps in Assurance of autonomous Road vehicleS (Tigars) project. These notes aim to support the development and evaluation of autonomous vehicles. Part 1 addresses: Assurance-overview and issues, Resilience and Safety Requirements, Open Systems Perspective and Formal Verification and Static Analysis of ML Systems. Part 2: Simulation and Dynamic Testing, Defence in Depth and Diversity, Security-Informed Safety Analysis, Standards and Guidelines

The State of Solutions for Autonomous Systems Safety

Autonomous Systems are seeing increasing use and increasingly safety-significant application. Consequently, the safety of autonomous systems is an important topic. To reflect this importance the Safety Critical Systems Club (SCSC) has established the Safety of Autonomous Systems Working Group (SASWG). This paper introduces the SASWG and describes (and justifies) the approach it is taking. A running example is used to illustrate challenges, which are organised against three “difficulty horizons”. Potential solutions to some of the challenges are outlined; possible research directions are suggested for other challenges. Some proposed but invalid solutions are also identified. Overall, whilst the SASWG acknowledges the very significant benefits that could accrue from autonomous systems, it believes their development and implementation should be pursued carefully and thoughtfully

Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

Although tremendous progress has been made in Artificial Intelligence (AI), it entails new challenges. The growing complexity of learning tasks requires more complex AI components, which increasingly exhibit unreliable behaviour. In this book, we present a model-driven approach to model architectural safeguards for AI components and analyse their effect on the overall system reliability

Evaluating Architectural Safeguards for Uncertain AI Black-Box Components

Künstliche Intelligenz (KI) hat in den vergangenen Jahren große Erfolge erzielt und ist immer stärker in den Fokus geraten. Insbesondere Methoden des Deep Learning (ein Teilgebiet der KI), in dem Tiefe Neuronale Netze (TNN) zum Einsatz kommen, haben beeindruckende Ergebnisse erzielt, z.B. im autonomen Fahren oder der Mensch-Roboter-Interaktion. Die immense Datenabhängigkeit und Komplexität von TNN haben jedoch gravierende Schwachstellen offenbart. So reagieren TNN sensitiv auf bestimmte Einflussfaktoren der Umwelt (z.B. Helligkeits- oder Kontraständerungen in Bildern) und führen zu falschen Vorhersagen. Da KI (und insbesondere TNN) in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt werden, kann solch ein Verhalten zu lebensbedrohlichen Situationen führen. Folglich haben sich neue Forschungspotenziale entwickelt, die sich explizit der Absicherung von KI-Verfahren widmen. Ein wesentliches Problem bei vielen KI-Verfahren besteht darin, dass ihr Verhalten oder Vorhersagen auf Grund ihrer hohen Komplexität nicht erklärt bzw. nachvollzogen werden können. Solche KI-Modelle werden auch als Black-Box bezeichnet. Bestehende Arbeiten adressieren dieses Problem, in dem zur Laufzeit “bösartige” Eingabedaten identifiziert oder auf Basis von Ein- und Ausgaben potenziell falsche Vorhersagen erkannt werden. Arbeiten in diesem Bereich erlauben es zwar potenziell unsichere Zustände zu erkennen, machen allerdings keine Aussagen, inwiefern mit solchen Situationen umzugehen ist. Somit haben sich eine Reihe von Ansätzen auf Architektur- bzw. Systemebene etabliert, um mit KI-induzierten Unsicherheiten umzugehen (z.B. N-Version-Programming-Muster oder Simplex Architekturen). Darüber hinaus wächst die Anforderung an KI-basierte Systeme sich zur Laufzeit anzupassen, um mit sich verändernden Bedingungen der Umwelt umgehen zu können. Systeme mit solchen Fähigkeiten sind bekannt als Selbst-Adaptive Systeme. Software-Ingenieure stehen nun vor der Herausforderung, aus einer Menge von Architekturellen Sicherheitsmechanismen, den Ansatz zu identifizieren, der die nicht-funktionalen Anforderungen bestmöglich erfüllt. Jeder Ansatz hat jedoch unterschiedliche Auswirkungen auf die Qualitätsattribute des Systems. Architekturelle Entwurfsentscheidungen gilt es so früh wie möglich (d.h. zur Entwurfszeit) aufzulösen, um nach der Implementierung des Systems Änderungen zu vermeiden, die mit hohen Kosten verbunden sind. Darüber hinaus müssen insbesondere sicherheitskritische Systeme den strengen (Qualitäts-) Anforderungen gerecht werden, die bereits auf Architektur-Ebene des Software-Systems adressiert werden müssen. Diese Arbeit befasst sich mit einem modellbasierten Ansatz, der Software-Ingenieure bei der Entwicklung von KI-basierten System unterstützt, um architekturelle Entwurfsentscheidungen (bzw. architekturellen Sicherheitsmechanismen) zum Umgang mit KI-induzierten Unsicherheiten zu bewerten. Insbesondere wird eine Methode zur Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen auf Basis von etablierten modellbasierten Techniken erforscht. In einem weiteren Schritt wird die Erweiterbarkeit/Verallgemeinerbarkeit der Zuverlässigkeitsvorhersage für Selbst-Adaptive Systeme betrachtet. Der Kern beider Ansätze ist ein Umweltmodell zur Modellierung () von KI-spezifischen Unsicherheiten und () der operativen Umwelt des Selbst-Adaptiven Systems. Zuletzt wird eine Klassifikationsstruktur bzw. Taxonomie vorgestellt, welche, auf Basis von verschiedenen Dimensionen, KI-basierte Systeme in unterschiedliche Klassen einteilt. Jede Klasse ist mit einem bestimmten Grad an Verlässlichkeitszusicherungen assoziiert, die für das gegebene System gemacht werden können. Die Dissertation umfasst vier zentrale Beiträge. 1. Domänenunabhängige Modellierung von KI-spezifischen Umwelten: In diesem Beitrag wurde ein Metamodell zur Modellierung von KI-spezifischen Unsicherheiten und ihrer zeitlichen Ausdehnung entwickelt, welche die operative Umgebung eines selbstadaptiven Systems bilden. 2. Zuverlässigkeitsvorhersage von KI-basierten Systemen: Der vorgestellte Ansatz erweitert eine existierende Architekturbeschreibungssprache (genauer: Palladio Component Model) zur Modellierung von Komponenten-basierten Software-Architekturen sowie einem dazugehörigenWerkzeug zur Zuverlässigkeitsvorhersage (für klassische Software-Systeme). Das Problem der Black-Box-Eigenschaft einer KI-Komponente wird durch ein Sensitivitätsmodell adressiert, das, in Abhängigkeit zu verschiedenen Unsicherheitsfaktoren, die Prädektive Unsicherheit einer KI-Komponente modelliert. 3. Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen: Dieser Beitrag befasst sich mit einem Rahmenwerk für die Evaluation von Selbst-Adaptiven Systemen, welche für die Absicherung von KI-Komponenten vorgesehen sind. Die Arbeiten zu diesem Beitrag verallgemeinern/erweitern die Konzepte von Beitrag 2 für Selbst-Adaptive Systeme. 4. Klassen der Verlässlichkeitszusicherungen: Der Beitrag beschreibt eine Klassifikationsstruktur, die den Grad der Zusicherung (in Bezug auf bestimmte Systemeigenschaften) eines KI-basierten Systems bewertet. Der zweite Beitrag wurde im Rahmen einer Fallstudie aus dem Bereich des Autonomen Fahrens validiert. Es wurde geprüft, ob Plausibilitätseigenschaften bei der Zuverlässigkeitsvorhersage erhalten bleiben. Hierbei konnte nicht nur die Plausibilität des Ansatzes nachgewiesen werden, sondern auch die generelle Möglichkeit Entwurfsentscheidungen zur Entwurfszeit zu bewerten. Für die Validierung des dritten Beitrags wurden ebenfalls Plausibilitätseigenschaften geprüft (im Rahmen der eben genannten Fallstudie und einer Fallstudie aus dem Bereich der Mensch-Roboter-Interaktion). Darüber hinaus wurden zwei weitere Community-Fallstudien betrachtet, bei denen (auf Basis von Simulatoren) Selbst-Adaptive Systeme bewertet und mit den Ergebnissen unseres Ansatzes verglichen wurden. In beiden Fällen konnte gezeigt werden, dass zum einen alle Plausibilitätseigenschaft erhalten werden und zum anderen, der Ansatz dieselben Ergebnisse erzeugt, wie die Domänen-spezifischen Simulatoren. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass unser Ansatz Software-Ingenieure bzgl. der Bewertung von Entwurfsentscheidungen, die für die Entwicklung von Selbst-Adaptiven Systemen relevant sind, unterstützt. Der erste Beitrag wurde implizit mit Beitrag 2 und mit 3 validiert. Für den vierten Beitrag wurde die Klassifikationsstruktur auf bekannte und repräsentative KI-Systeme angewandt und diskutiert. Es konnte jedes KI-System in eine der Klassen eingeordnet werden, so dass die generelle Anwendbarkeit der Klassifikationsstruktur gezeigt wurde

Considerations in Assuring Safety of Increasingly Autonomous Systems

Recent technological advances have accelerated the development and application of increasingly autonomous (IA) systems in civil and military aviation. IA systems can provide automation of complex mission tasks-ranging across reduced crew operations, air-traffic management, and unmanned, autonomous aircraft-with most applications calling for collaboration and teaming among humans and IA agents. IA systems are expected to provide benefits in terms of safety, reliability, efficiency, affordability, and previously unattainable mission capability. There is also a potential for improving safety by removal of human errors. There are, however, several challenges in the safety assurance of these systems due to the highly adaptive and non-deterministic behavior of these systems, and vulnerabilities due to potential divergence of airplane state awareness between the IA system and humans. These systems must deal with external sensors and actuators, and they must respond in time commensurate with the activities of the system in its environment. One of the main challenges is that safety assurance, currently relying upon authority transfer from an autonomous function to a human to mitigate safety concerns, will need to address their mitigation by automation in a collaborative dynamic context. These challenges have a fundamental, multidimensional impact on the safety assurance methods, system architecture, and V&V capabilities to be employed. The goal of this report is to identify relevant issues to be addressed in these areas, the potential gaps in the current safety assurance techniques, and critical questions that would need to be answered to assure safety of IA systems. We focus on a scenario of reduced crew operation when an IA system is employed which reduces, changes or eliminates a human's role in transition from two-pilot operations

Use and citation of paper "Fox et al (2018), “When should the chicken cross the road? Game theory for autonomous vehicle - human interactions conference paper”" by the Law Commission to review and potentially change the law of the UK on autonomous vehicles. Cited in their consultation report, "Automated Vehicles: A joint preliminary consultation paper" on p174, ref 651.

Topic of this consultation: The Centre for Connected and Automated Vehicles (CCAV) has asked the Law Commission of England and Wales and the Scottish Law Commission to examine options for regulating automated road vehicles. It is a three-year project, running from March 2018 to March 2021. This preliminary consultation paper focuses on the safety of passenger vehicles. Driving automation refers to a broad range of vehicle technologies. Examples range from widely-used technologies that assist human drivers (such as cruise control) to vehicles that drive themselves with no human intervention. We concentrate on automated driving systems which do not need human drivers for at least part of the journey. This paper looks at are three key themes. First, we consider how safety can be assured before and after automated driving systems are deployed. Secondly, we explore criminal and civil liability. Finally, we examine the need to adapt road rules for artificial intelligence

Algorithms for advance bandwidth reservation in media production networks

Media production generally requires many geographically distributed actors (e.g., production houses, broadcasters, advertisers) to exchange huge amounts of raw video and audio data. Traditional distribution techniques, such as dedicated point-to-point optical links, are highly inefficient in terms of installation time and cost. To improve efficiency, shared media production networks that connect all involved actors over a large geographical area, are currently being deployed. The traffic in such networks is often predictable, as the timing and bandwidth requirements of data transfers are generally known hours or even days in advance. As such, the use of advance bandwidth reservation (AR) can greatly increase resource utilization and cost efficiency. In this paper, we propose an Integer Linear Programming formulation of the bandwidth scheduling problem, which takes into account the specific characteristics of media production networks, is presented. Two novel optimization algorithms based on this model are thoroughly evaluated and compared by means of in-depth simulation results

Get yourself connected: conceptualising the role of digital technologies in Norwegian career guidance

This report outlines the role of digital technologies in the provision of career guidance. It was commissioned by the c ommittee on career guidance which is advising the Norwegian Government following a review of the countries skills system by the OECD. In this report we argue that career guidance and online career guidance in particular can support the development of Norwa y’s skills system to help meet the economic challenges that it faces.The expert committee advising Norway’s Career Guidance Initiativ