[論文レビュー] Autonomous Driving - 5 Years after the Urban Challenge: The Anticipatory Vehicle as a Cyber-Physical System

Christian Berger, Bernhard Rumpe⋆|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2014

Autonomous Vehicle Technology and Safety参考文献 29被引用数 45

ひとこと要約

本論文は、DARPA都市チャレンジ以降5年間の自動運転分野の進展をレビューし、予測可能な車両をサイバーフィジカルシステムとして位置づける。モデルベースソフトウェア工学を通じた認識、計画、制御の統合を強調し、安全でスケーラブルな都市部での展開を可能にするために、形式的手法および信頼性の高いソフトウェアアーキテクチャの必要性を指摘する。

ABSTRACT

In November 2007 the international competition DARPA Urban Challenge took place on the former George Airforce Base in Victorville, California to significantly promote the research and development on autonomously driving vehicles for urban environments. In the final race only eleven out of initially 89 competitors participated and "Boss" from Carnegie Mellon University succeeded. This paper summarizes results of the research carried out by all finalists within the last five years after the competition and provides an outlook where further investigation especially for software engineering is now necessary to achieve the goal of driving safely and reliably through urban environments with an anticipatory vehicle for the mass-market.

研究の動機と目的

• 2007年DARPA都市チャレンジから5年後の自動運転技術の進展を評価すること。
• 都市環境における自律走行車の信頼性ある安全な展開に不可欠なソフトウェア工学的実践における主要なギャップを特定すること。
• 複雑なサイバーフィジカルシステムにおける正しさと頑健性を保証するため、モデルベースシステム工学および形式的手法を提唱すること。
• 高い信頼性で動的都市交通を処理できる予測可能な車両の開発のための研究ロードマップを策定すること。
• 改善されたソフトウェアアーキテクチャおよび検証技術を通じて、実験的自律走行と量産市場展開の間のギャップを埋めること。

提案手法

• 2007年DARPA都市チャレンジの最終11チームの結果およびシステムアーキテクチャを分析する。
• 車両制御、認識、意思決定コンポonent間の相互作用を表現するために、サイバーフィジカルシステム（CPS）モデリングを適用する。
• システム動作の形式的定式化を促進し、モularityと検証可能性に重点を置く、モデルベースシステム工学（MBSE）を用いる。
• 信頼性の向上を目的として、コンポーネント指向設計および形式的仕様といったソフトウェア工学の原則を統合する。
• 認識、計画、制御を組み合わせたレイヤードアーキテクチャを提案し、リアルタイム適応のためのフィードバックループを統合する。
• エラーの低減を目的として、ドメイン固有言語（DSLs）および形式的検証の使用を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DARPA都市チャレンジから5年以内に、自律走行車で見られた主な技術的およびソフトウェア工学的進歩は何か？
• RQ2 サイバーフィジカルシステムモデリングは、自律走行システムの設計および検証をどのように改善できるか？
• RQ3 プロトタイプ車両から量産市場展開への移行を妨げる主なソフトウェア工学的課題は何か？
• RQ4 人間のドライバーの意思を予測するような予測行動を、どのように形式的にモデリングし、自律制御システムに統合できるか？
• RQ5 形式的手法およびモデルベース設計は、自律走行車ソフトウェアの安全性および信頼性を確保するために果たす役割は何か？

主な発見

• 元の89チーム中、2007年DARPA都市チャレンジに完走したのは11チームにとどまり、カーネギーメロン大学の「ボス」が優勝を果たした。これは都市部における自律走行の複雑さを示している。
• 優勝システムは、不確実性下でのリアルタイム意思決定を可能にする、密接に統合されたモデルベースのソフトウェアアーキテクチャに依存していた。
• 認識および局所化分野では顕著な進歩が見られたが、ソフトウェアの信頼性および検証は依然として主要なボトルネックであった。
• 本論文は、安全で重要なシステムにおけるランタイム障害を防ぐために、形式的手法およびモデルベース開発の必要性を明確にしている。
• 歩行者や車両の動きを予測するような予測行動は、成功したシステムの重要な差別化要因であったが、ソフトウェア工学的実践ではまだ未発達である。
• 著者らは、現在のソフトウェア工学的実践は量産市場展開には不十分であり、正しさ、モularity、検証可能性に焦点を当てた新しい手法論の必要性を結論づけている。