Åpne denne publikasjonen i ny fane eller vindu >>2025 (engelsk)Doktoravhandling, monografi (Annet vitenskapelig)
Abstract [en]
The road transportation network is one of the leading causes of injury and death in the world. Compared to aviation or rail, road transportation is significantly more dangerous due to its continued reliance on human drivers and the frequent occurrence of unsafe, complex traffic scenarios. Over the last decade, there has been a significant push to introduce vehicle automation into road transportation to address these challenges. By replacing the human driver, vehicle automation has the potential to revolutionize both the safety and efficiency of the road transportation network. However, in the most recent years, we have seen slower progress in this transformation. We attribute this slow down to the continued struggle for vehicle automation to handle a long tail of unexpected traffic issues, often stemming from occlusions, sensor uncertainty, or even system faults. One approach for addressing unexpected traffic issues is the integration of remote human operators who monitor, assist, and, when needed, control the vehicles. Although a key goal of vehicle automation has been to take humans out-of-the-loop, these remote human operators form a layer of resiliency that help fill in automation gaps and mitigate failures throughout a vehicle's operation. However, by integrating remote human operators, we risk introducing new human errors into the road transportation network.
In this thesis, we seek to address this challenge by designing a new control framework that explicitly and safely integrates remote human operators into the engineering and automation of connected vehicles. Our core design approach is to closely inspect the roles that remote human operators play when supervising connected vehicles and adapt traditional control principles to these roles. For this adaptation, we detail a new methodology that combines formal methods and reachability analysis to enable online verification. We show that we can verify an operator-designed specification by constructing a computational structure called temporal logic trees using either hybrid zonotope-based or Hamilton-Jacobi reachability analysis. Through their modularity, temporal logic trees ensure that when a connected vehicle's specification is changed, the verification result can be updated in real-time. Moreover, we show that when the temporal logic trees are constructed using Hamilton-Jacobi reachability analysis, we are able to efficiently synthesize specification-compliant control sets that contain the control inputs a vehicle can implement to ensure it satisfies its requirements. Using the synthesized control sets, we design a shared autonomy system that allows a remote operator to safely control a connected vehicle in cases where automation is insufficient. By leveraging this methodology, we develop a framework that allows a remote human operator to change a connected vehicle's driving specification, automate the vehicle to complete the updated specification, and even intervene on the vehicle's operation, all with guarantees that the vehicle will comply with the specification. We validate both the technological feasibility and benefits of the developed framework on a small-scale connected vehicle testbed enabled with a 5G cellular network.
Abstract [sv]
Vägnätet för vägtransport är en av de främsta orsakerna till skador och dödsfall i världen. Jämfört med flyg- eller tågtrafik är vägtransport avsevärt farligare på grund av dess fortsatta beroende av mänskliga förare och den frekventa förekomsten av osäkra, komplexa trafiksituationer. Under det senaste decenniet har det skett en betydande satsning på att införa fordonsautomation inom vägtransport för att hantera dessa utmaningar. Genom att ersätta den mänskliga föraren har fordonsautomation potential att förbättra både säkerheten och effektiviteten i vägnätet. Under de senaste åren har dock denna utveckling saktat ner. Vi tillskriver denna inbromsning fordonsautomationens fortsatta svårigheter att hantera en lång svans av oväntade trafikproblem, ofta orsakade av skymd sikt, osäkerhet i sensorer eller till och med systemfel. Ett sätt att hantera oväntade trafikproblem är att integrera fjärrstyrda mänskliga operatörer som övervakar, assisterar och vid behov styr fordonen. Trots att ett centralt mål med fordonsautomation har varit att ta bort människor ur beslutsprocessen utgör dessa fjärrstyrda operatörer ett lager av motståndskraft som hjälper till att fylla automationsluckor och hantera fel under fordonets drift. Genom att integrera fjärrstyrda operatörer riskerar vi dock att införa nya mänskliga fel i vägtransportsystemet.
I denna avhandling strävar vi efter att hantera denna utmaning genom att utforma en ny styrningsram som på ett explicit och säkert sätt integrerar fjärrstyrda mänskliga operatörer i ingenjörskonsten och automatiseringen av uppkopplade fordon. Vår huvudsakliga designansats är att noggrant analysera de roller som fjärrstyrda operatörer spelar vid övervakning av uppkopplade fordon och anpassa traditionella styrningsprinciper till dessa roller. För denna anpassning presenterar vi en ny metodik som kombinerar formella metoder och räckbarhetsanalys för att möjliggöra verifiering i realtid. Vi visar att en operatörs specificering kan verifieras genom att konstruera en beräkningsstruktur kallad temporala logikträd, med hjälp av antingen hybrid zonotopbaserad eller Hamilton-Jacobi-räckbarhetsanalys. Genom sin modularitet säkerställer temporala logikträd att när ett uppkopplat fordons specifikation ändras kan verifieringsresultatet uppdateras i realtid. Vidare visar vi att när temporala logikträd konstrueras med Hamilton-Jacobi-räckbarhetsanalys kan vi effektivt syntetisera specifikationskompatibla styrningsmängder som innehåller de styrinmatningar ett fordon kan implementera för att säkerställa att det uppfyller sina krav. Med hjälp av dessa syntetiserade styrningsmängder designar vi ett delat autonomisystem som gör det möjligt för en fjärroperatör att på ett säkert sätt styra ett uppkopplat fordon i situationer där automationen är otillräcklig. Genom att utnyttja denna metodik utvecklar vi en ramverk som gör det möjligt för en fjärrstyrd operatör att ändra ett uppkopplat fordons körspecifikation, automatisera fordonet för att slutföra den uppdaterade specifikationen och vid behov ingripa i fordonets drift – allt med garantier för att fordonet kommer att följa specifikationen. Vi validerar både den tekniska genomförbarheten och fördelarna med det utvecklade ramverket på en småskalig testbädd för uppkopplade fordon, möjliggjord av ett 5G-mobilnät.
sted, utgiver, år, opplag, sider
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2025. s. vii, 176
Serie
TRITA-EECS-AVL ; 2025:30
Emneord
Human-Centric, Formal Methods, Reachability Analysis, Connected and Automated Vehicles
HSV kategori
Forskningsprogram
Elektro- och systemteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-360921 (URN)978-91-8106-215-1 (ISBN)
Disputas
2025-03-27, Kollegiesalen, Brinellvägen 6, floor 4, Stockholm, 09:00 (engelsk)
Opponent
Veileder
2025-03-062025-03-062025-04-01bibliografisk kontrollert