Neural networks are often used to process information from image-based sensors to produce control actions. While they are effective for this task, the complex nature of neural networks makes their output difficult to verify and predict, limiting their use in safety-critical systems. For this reason, recent work has focused on combining techniques in formal methods and reachability analysis to obtain guarantees on the closed-loop performance of neural network controllers. However, these techniques do not scale to the high-dimensional and complicated input space of image-based neural network controllers. In this work, we propose a method to address these challenges by training a generative adversarial network (GAN) to map states to plausible input images. By concatenating the generator network with the control network, we obtain a network with a low-dimensional input space. This insight allows us to use existing closed-loop verification tools to obtain formal guarantees on the performance of image-based controllers. We apply our approach to provide safety guarantees for an image-based neural network controller for an autonomous aircraft taxi problem. We guarantee that the controller will keep the aircraft on the runway and guide the aircraft towards the center of the runway. The guarantees we provide are with respect to the set of input images modeled by our generator network, so we provide a recall metric to evaluate how well the generator captures the space of plausible images.


翻译:神经网络通常用于处理图像传感器的信息,以产生控制行动。虽然它们对于这项任务有效,但神经网络的复杂性使得其输出难以核查和预测,限制了其在安全临界系统中的使用。为此,最近的工作重点是将正规方法的技术与可获取性分析结合起来,以获得对神经网络控制器闭路性能的保证。然而,这些技术并不推广到基于图像的神经网络控制器的高维和复杂的输入空间。在这项工作中,我们建议了一种方法来应对这些挑战,方法是训练一个基因对抗网络(GAN),以绘制有说服力的输入图像。通过将发电机网络与控制网络连接起来,我们获得了一个具有低度输入空间的网络。这种洞察力使我们能够利用现有的闭路核查工具获得对基于图像控制器性能的正式保证。我们运用了我们的方法为基于图像的神经网络控制器提供安全保障。我们保证控制器将飞机留在跑道上的机型对抗网络,并引导飞机向机型中心定位。我们保证了对发电机的图像的正确度。我们提供了对发电机图像的正确度评估。我们提供了对发电机图像的正确度的评估。

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