Autonomous cyber-physical systems (CPS) can improve safety and efficiency for safety-critical applications, but require rigorous testing before deployment. The complexity of these systems often precludes the use of formal verification and real-world testing can be too dangerous during development. Therefore, simulation-based techniques have been developed that treat the system under test as a black box operating in a simulated environment. Safety validation tasks include finding disturbances in the environment that cause the system to fail (falsification), finding the most-likely failure, and estimating the probability that the system fails. Motivated by the prevalence of safety-critical artificial intelligence, this work provides a survey of state-of-the-art safety validation techniques for CPS with a focus on applied algorithms and their modifications for the safety validation problem. We present and discuss algorithms in the domains of optimization, path planning, reinforcement learning, and importance sampling. Problem decomposition techniques are presented to help scale algorithms to large state spaces, which are common for CPS. A brief overview of safety-critical applications is given, including autonomous vehicles and aircraft collision avoidance systems. Finally, we present a survey of existing academic and commercially available safety validation tools.


翻译:自主的网络物理系统(CPS)可以提高安全关键应用的安全和效率,但需要在部署之前进行严格的测试。这些系统的复杂性往往排除了正式核查和现实世界测试的使用,因此,在开发过程中可能过于危险。因此,已经开发了模拟技术,将测试中的系统作为模拟环境中运行的黑盒处理。安全验证任务包括发现环境中的扰动,导致系统失灵(虚假化)、发现最有可能的故障并估计系统失灵的可能性。由于安全关键人工智能的普及,这项工作为CPS提供了最新安全验证技术调查,重点是应用算法及其对安全验证问题的修改。我们在优化、路径规划、强化学习和重要取样等领域提出和讨论算法。问题分解技术有助于将算法推广到大型国家空间,这是CPS常见的。对安全关键应用进行了简要的概述,包括自动车辆和飞机避免碰撞系统。最后,我们介绍了现有学术和商业安全验证工具的调查。

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在科学,计算和工程学中,黑盒是一种设备,系统或对象,可以根据其输入和输出(或传输特性)对其进行查看,而无需对其内部工作有任何了解。 它的实现是“不透明的”(黑色)。 几乎任何事物都可以被称为黑盒:晶体管,引擎,算法,人脑,机构或政府。为了使用典型的“黑匣子方法”来分析建模为开放系统的事物,仅考虑刺激/响应的行为,以推断(未知)盒子。 该黑匣子系统的通常表示形式是在该方框中居中的数据流程图。黑盒的对立面是一个内部组件或逻辑可用于检查的系统,通常将其称为白盒(有时也称为“透明盒”或“玻璃盒”)。
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