Requirements Completeness and System Analysis of Automated Driving Systems

Ahmad Abbadi, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

strojový překlad: Automatizovaný systém řízení (ADS) je komplexní systém. Pracuje v nedeterministickém prostředí, kde systém reaguje nejen na nejisté hodnoty vstupů, ale také na interakce mezi těmito vstupy. Všechny tyto a další faktory dělají z ADS otevřený a těžko řešitelný problém. ADS je navíc bezpečnostní systém, který běží v nepředvídatelném prostředí. Je vynaloženo mnoho úsilí na standardizaci ověřování ADS a zajištění toho, že výkon systému lze měřit a porovnávat. Další zaměření na vylepšení komponent ADS, např. senzorová technologie, vnímání prostředí, modelování prostředí, povědomí o scénáři, plánování a funkce, řízení testů a řízení bezpečnosti. Tato práce se zaměřuje na levou stranu V-modelu vývoje produktu. Jde o metodiky, které by mohly pomoci zlepšit kvalitu projektů ADS a snížit riziko jejich neúspěchu. Výzkum zahrnuje vytvoření holistického pohledu na ADS, zkoumání směrů myšlení k analýze požadavků ADS od potřeb zúčastněných stran až po podrobné systémové požadavky, řízení složitosti a udržování souladu s automobilovými standardy, tj. systémové inženýrství, ASPICE, analýza chyb a bezpečnost. analýza. Hlavní výzkumné otázky jsou 1. Jaké jsou nejdůležitější perspektivy, které je třeba prozkoumat při analýze systémů automatizovaného řízení, aby se omezily změny a šetřily zdroje pro projekty ADS? Jinými slovy, proč se mnoha iniciativám nedaří vytvořit reklamy, které lze nainstalovat na silniční vozidlo? 2. Jak ADS systémově a systematicky analyzovat, aby se zvýšila úplnost požadavků a snížily se změny během vývoje ADS? Pro zodpovězení první otázky se provádí výzkum v oblasti projektového řízení. Ukazuje, že oprava chyb v pozdní fázi životního cyklu projektu je nákladná, což potvrzuje pozorování u projektů ADS. Dalším zjištěním je, že požadavky způsobují většinu projektových chyb, což také potvrzuje pozorování v projektech ADS, protože požadavky v doméně ADS ještě nevyzrály. Druhou otázkou se zabývají výzkumné analýzy v oblasti podnikové analýzy, inženýrství požadavků, systémového a bezpečnostního inženýrství, které ukazují, že požadavky lze rozdělit především na požadavky 1- vysoké úrovně, např. zúčastněné strany, požadavky na společnou doménu, požadavky na předpisy, koncepty provozu atd. a 2- požadavky na nízké úrovni, které jsou odvozeny z vyšší úrovně. Tato práce představuje techniky, nástroje, osvědčené postupy a strategie myšlení pro systematické vyvolávání požadavků, zlepšování porozumění požadavkům a zlepšování úplnosti požadavku. Kromě toho, protože ADS je produktem souvisejícím s automobilovou bezpečností, analýzy bezpečnosti na vysoké úrovni vyvolávají bezpečnostní požadavky z pohledu funkční bezpečnosti, bezpečnosti zamýšlené funkčnosti (SOTIF) a kybernetické bezpečnosti. Je zde uvedena rozšířená diskuse o SOTIF, protože jde o nejproblematičtější část analýzy ADS. V požadavcích nižší úrovně se nástroje pro modelování používají ke zlepšení úplnosti požadavků a vyplnění existujících mezer. Rozsah práce je omezen na výzkum zlepšení úplnosti požadavků a snížení změn požadavků v průběhu životního cyklu projektu. Většinou ve fázi konceptu a částečně ve fázi vývoje životního cyklu projektu ADS, kde přesnost a úplnost požadavků hraje důležitou roli v úspěchu vývoje.

Abstract:

Automated driving system (ADS) is a complex system. It works in a nondeterministic environment, where the system reacts not only to uncertain values of the inputs but also to the interactions between those inputs. All these factors, and more, make ADS an open and hard-to-solve problem. Furthermore, ADS is a safety-related system that runs in an unpredictable environment. Many efforts are made to standardize ADS validation and ensure that the system performance can be measured and bench marked. Other focus on improving ADS components, e.g. sensor technology, environment perception, environment modeling, scenario awareness, planning and functions, test management, and safety management. This work focuses on the left side of the V-model of product development. It is about methodologies that could help to improve the quality of ADS projects and reduce the risk of their failure. The research covers building a holistic view of ADS, researching the thinking directions to analyze ADS requirements from the stakeholders’ needs to detailed system requirements, managing complexity, and maintaining compliance with automotive standards, i.e., system engineering, ASPICE, fault analysis, and safety analysis. The main research questions are 1. What are the most important perspectives that must be investigated when analyzing automated driving systems to reduce changes and save resources for ADS projects? In other words, why do many initiatives fail to create ADS that can be installed on the road vehicle? 2. How to analyze ADS systemically and systematically to enhance the completeness of the requirements and reduce the changes during ADS development? Research is done in the project management domain to answer the first question. It shows that fixing errors in the late phase of the project life cycle is expensive, which confirms the observation in ADS projects. Another finding is that the requirements cause most project errors, which also confirms the observation in ADS projects because the requirements in the ADS domain have not matured yet. The second question is addressed by research analyses in business analysis, requirements engineering, system and safety engineering domains, which show that the requirements can be divided mainly into 1- high-level requirements, e.g. stakeholders, common domain requirements, regulation requirements, concepts of operations, etc., and 2- low-level requirements that are derived from the higher-level. This work presents techniques, tools, best practices, and thinking strategies to systematically elicit requirements, improve the understanding of requirements, and improve the completeness of the requirement. Furthermore, because ADS is an automotive safety-related product, high-level safety analyses elicit safety requirements from functional safety, the safety of intended functionality (SOTIF), and cybersecurity views. An extended discussion of SOTIF is presented because it is the most problematic part of ADS analysis. In lower-level requirements, modeling tools are used to enhance the completeness of the requirements and fill the gaps that exist. The scope of the thesis is limited to research on improving the completeness of requirements and reducing requirements changes during the project lifecycle. Mostly in the concept phase and partially in the development phase of the ADS project life cycle, where the accuracy and completeness of the requirements play an important role in the success of the development.

Keywords

Requirement completeness, automated driving system, system engineering, safety engineering, and business analysis.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 8. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 31. 1. 2023
• Supervisor: prof. Ing. Václav Přenosil, CSc.
• Reader: doc. Ing. Jan Mazal, Ph.D., Prof. Agostino G. Bruzzone

Masaryk University

Faculty of Informatics

Doctoral programme / field:
Computer Science / Computing Technology and Methodology