A Survey of Algorithms for Black-Box Safety Validation of Cyber-Physical Systems

计算机科学 软件部署 信息物理系统 黑匣子 生命关键系统 算法 机器学习 人工智能 软件工程 软件 操作系统 程序设计语言
作者
Anthony Corso,Robert J. Moss,Mark Koren,Ritchie Lee,Mykel J. Kochenderfer
出处
期刊:Journal of Artificial Intelligence Research [AI Access Foundation]
卷期号:72 被引量:68
标识
DOI:10.1613/jair.1.12716
摘要

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.
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