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Functional Decomposition Approach - Reducing the Safety Validation Effort for Highly Automated Driving

Amersbach, Christian Thomas (2020):
Functional Decomposition Approach - Reducing the Safety Validation Effort for Highly Automated Driving.
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00011520,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Functional Decomposition Approach - Reducing the Safety Validation Effort for Highly Automated Driving
Language: English
Abstract:

This dissertation is concerned with the application of functional decomposition - which is known from other fields, for example mathematics or computer science - for the validation of automated driving functions. The approach aims to reduce the number of required test cases compared to a scenario-based black box system test. The first part of this thesis analyzes the state of the art for the verification and validation of automated driving functions. A validation of highly automated driving functions with exist-ing methods is not feasible due to the “open world” with a multitude of influence parameters that leads to a high number of required tests. This challenge indicates the need to develop new approaches to reduce the validation effort. The development of a method for the application of functional decomposition for the defi-nition of so-called particulate test cases - i.e. test cases that serve to verify and ultimately validate one or more functional layers of an automated driving function - is therefore defined as the goal of this work. Subsequently, requirements for the development of a validation method are defined and research questions are derived. The main part of the thesis focuses on these research questions and the development of the following substeps of the methodology: - Definition of independent functional layers and their interfaces - Definition of criteria for evaluating the functional layers - Allocation of influence parameters - Generation of particulate test cases Furthermore, the potential to reduce the validation effort by functional decomposition is quantified. This shows that the absolute test effort as well as the possible reduction of the test effort by functional decomposition strongly depend on the required test coverage and the discretization of the influence parameters. Depending on the required test coverage, the amount of required test cases can be reduced by up to two orders of magnitude by the intro-duced approach. In the final part of this thesis, the goals set at the beginning are compared with the actual gain of knowledge and remaining as well as newly added questions for further research pro-jects are presented. These concern above all a further detailing and automation of the method for an application in practice, as well as further measures for the reduction of the validation effort beyond the application of the functional decomposition as for example the definition of the minimum necessary test space coverage and the discretization of influence parameters with a continuous value range.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Dissertation befasst sich mit der Anwendung der aus anderen Bereichen, bspw. der Mathematik oder Informatik, bekannten Methode der Funktionalen Dekomposition zur Validierung automatisierter Fahrfunktionen. Diese ermöglicht, den nötigen Testaufwand im Vergleich zu Szenario-basierten Black-Box-Tests des Gesamtsystems zu reduzieren. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Stand der Technik zur Verifikation und Validierung automatisierter Fahrfunktionen analysiert. Insbesondere aufgrund der sehr hohen Testum-fänge, die durch die „offene Welt“ mit einer Vielzahl an Einflussparametern entstehen, ist eine Validierung von höher automatisierten Fahrfunktionen mit existierenden Methoden nicht realisierbar. Dies zeigt die Notwendigkeit, neue Ansätze zur Reduktion des Validierungsaufwandes zu entwickeln. Die Entwicklung einer Methode zur Anwendung der Funktionalen Dekomposition zur Definition von sog. Partikulären Testfällen, d.h. Testfällen, die der Verifizierung und schließlich Validierung einer oder mehrerer funktionalen Ebenen einer automatisierten Fahrfunktion dienen, wird deshalb als Ziel dieser Arbeit definiert. Anschließend werden Anforderungen an die Entwicklung einer Validierungsmethode definiert und Forschungsfragen abgeleitet. Im Hauptteil der Arbeit werden diese Forschungsfragen bearbeitet und dabei die folgenden Teilschritte der Methode entwickelt: - Definition unabhängiger funktionaler Ebenen und deren Schnittstellen - Definition von Kriterien zur Bewertung der funktionalen Ebenen - Zuordnung von Einflussparametern - Erstellung Partikulärer Testfälle Weiterhin wird das Potential der Funktionalen Dekomposition zur Reduktion des Testaufwandes quantifiziert. Hierbei zeigt sich, dass sowohl der absolute Testaufwand als auch die mögliche Reduktion des Testaufwandes mittels Funktionaler Dekomposition stark von der benötigten Testabdeckung sowie der Diskretisierung der Einflussparameter abhängen. Ab-hängig von der Testabdeckung kann die Anzahl der benötigten Testfälle mit der vorgestellten Methode um bis zu 2 Größenordnungen reduziert werden. Im letzten Teil der Arbeit werden die zu Beginn gesteckten Ziele dem tatsächlichen Erkenntnisgewinn gegenübergestellt und verbleibende sowie neu hinzugekommene Fragestellungen für weitere Forschungsvorhaben aufgezeigt. Diese betreffen vor allem eine weitere Detailierung und Automatisierung der Methode für eine Anwendung in der Praxis, als auch weitere Maßnahmen zur Reduktion des Validierungsaufwandes über die Anwendung der Funktionalen Dekomposition hinaus wie bspw. die Definition der minimal nötigen Testraumabde-ckung und die Diskretisierung von wertekontinuierlichen Einflussparametern.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD) > Driver Assistance
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD) > Safety
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD) > Test Methods
Date Deposited: 08 May 2020 07:27
Last Modified: 08 May 2020 07:28
DOI: 10.25534/tuprints-00011520
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-115200
Referees: Winner, Prof. Dr. Hermann and Maurer, Prof. Dr. Markus
Refereed: 26 February 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11520
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