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Metodologia JARUS per la Valutazione dell'Automazione
Comprensione dei Livelli di Automazione nelle Operazioni di UAS
L’industria dell’aviazione non è nuova all’automazione da molti anni. Dai piloti automatici negli aerei alla manipolazione automatizzata dei bagagli negli aeroporti, la tecnologia ha svolto un ruolo significativo nell’ottimizzazione delle operazioni e nell’aumento della sicurezza. Tuttavia, con la diffusione dei sistemi aerei senza pilota (UAS) o droni, è stato introdotto un nuovo termine: autonomia. Purtroppo, questo termine ha causato molta confusione e, di conseguenza, le Autorità congiunte per la normativa sui sistemi senza equipaggio (JARUS) hanno pubblicato un documento per fornire un quadro comune per discutere l’implementazione e l’impatto dell’automazione progressiva delle funzioni.
L’automazione è stata parte dell’aviazione per molto tempo e i suoi benefici sono ben noti dall’industria. Automatizzando alcune attività , i piloti possono concentrarsi sugli aspetti più critici del volo e le operazioni a terra possono essere ottimizzate per ridurre i costi e migliorare l’efficienza. Tuttavia, con gli UAS, il termine autonomia è stato sempre più utilizzato, il che ha portato a malintesi.
Il documento di JARUS mira a chiarire l’uso del termine autonomia e fornire una comprensione comune del suo significato nel contesto delle operazioni di UAS. Il documento sottolinea che l’uso del termine autonomia dovrebbe essere riservato ai sistemi che possono funzionare completamente in modo indipendente senza intervento umano. Tuttavia, molti sistemi UAS attuali non soddisfano questa definizione e, di conseguenza, il termine autonomia non dovrebbe essere utilizzato per descriverli.
Il documento riconosce anche che la tecnologia, le procedure operative e l’infrastruttura necessarie per raggiungere la piena autonomia potrebbero non essere ancora sufficientemente mature. Pertanto, l’obiettivo del documento non è quello di sostenere l’approvazione di operazioni o sistemi specifici, ma piuttosto di fornire un contesto coerente per i regolatori, l’industria e la normalizzazione.
Definizione dei Livelli di Automazione
L’integrazione degli UAS nel nostro spazio aereo presenta sfide complesse a causa della vasta gamma di sistemi e delle loro capacità . Fornire uno schema di classificazione unico per i livelli di automazione è difficile in questo ambiente complesso e variegato. Tuttavia, sviluppando una comprensione comune delle capacità e limitazioni degli UAS, possiamo lavorare verso una integrazione sicura ed efficiente degli UAS nel nostro spazio aereo.
La soluzione a questo problema è il Dominio di Progettazione Operativa (ODD). OOD è un meccanismo che aiuta a definire il confine operativo entro il quale un particolare sistema o funzione è stato progettato per operare. L’ODD consente ai progettisti, operatori e regolatori di valutare le capacità di un sistema di spazio aereo, un’operazione UAS specifica, un particolare UAS o persino un sottosistema o una funzione all’interno di un UAS. Tuttavia, è importante considerare che gli aerei moderni sono piattaforme altamente integrate con diversi modi di operazione e capacità in base ai sistemi di informazione disponibili, il che comporta diversi livelli di automazione utilizzati per la stessa attività in contesti diversi.
ODD aiuta a semplificare le relazioni funzionali complesse. Per esempio, descrivere il livello di automazione nel “modo follow-me” è sfidante perché coinvolge molteplici funzioni a diversi livelli. Con ODD, ogni componente dell’operazione (come la rilevazione dell’essere umano, il controllo della dinamica di volo e la risposta agli ostacoli) può essere descritto ai loro specifici livelli di automazione, mentre la funzione “follow-me-mode” opera a un livello potenzialmente diverso di controllo automatizzato.
Prima di analizzare ciascuno dei livelli di automazione, è necessario comprendere i seguenti concetti:
L’Essere Umano nel Ciclo (HITL)
È un metodo di controllo del sistema che implica la partecipazione diretta dell’essere umano nella fornitura di input e nella valutazione dei risultati per gestire i parametri del sistema. Questo approccio consente agli esseri umani di essere parte integrante del ciclo di controllo e di svolgere un ruolo attivo nelle operazioni del sistema.
L’Essere Umano nel Ciclo di Monitoraggio (HOTL)
È un metodo di controllo del sistema in cui un essere umano è coinvolto nel monitoraggio di una macchina che fornisce input e valuta i risultati per gestire i parametri del sistema. Questo è diverso dal metodo “L’Essere Umano nel Ciclo” (HITL), in cui un essere umano sta fornendo direttamente input e valutando i risultati per gestire i parametri del sistema.
Nel metodo HOTL, l’essere umano non ha il controllo diretto del sistema, ma ne monitora il funzionamento. La macchina è responsabile delle decisioni e delle attività , mentre l’essere umano è responsabile di assicurarsi che il sistema funzioni correttamente e in modo sicuro.
Il metodo HOTL fornisce uno strato aggiuntivo di sicurezza e affidabilità al sistema, poiché l’essere umano può intervenire e prendere il controllo se necessario. Ciò consente di sviluppare sistemi più complessi e autonomi garantendo comunque che un essere umano sia coinvolto nel processo decisionale.
Senza Essere Umano nel Ciclo
Si riferisce a un metodo di controllo del sistema in cui non vi è alcun coinvolgimento umano nel monitoraggio o nella gestione dei parametri del sistema. Invece, una macchina è responsabile della fornitura di input e della valutazione dei risultati per garantire che il sistema funzioni correttamente. Questo tipo di controllo è spesso utilizzato in sistemi altamente automatizzati in cui la macchina è in grado di funzionare in modo indipendente senza la necessità di intervento umano.
Definizione dei Livelli di Automazione
Livello 0 – Operazione Manuale
L’essere umano esegue manualmente la funzione senza ricevere alcun supporto dalla macchina.
Livello 1 – Operazione Assistita
Le funzioni a questo livello di automazione sono progettate per assistere l’essere umano nell’esecuzione di compiti. La macchina opera in un ruolo di supporto al di fuori del ciclo delle azioni umane. Sebbene l’essere umano sia ancora il responsabile dell’esecuzione della funzione, la macchina può fornire un supporto limitato all’interno del ODD designato, come fornire informazioni pertinenti.
Livello 2 – Riduzione delle AttivitÃ
Questo livello di automazione comporta un controllo e un monitoraggio condivisi tra l’essere umano e la macchina, in cui la macchina assume un ruolo di gestione nel ciclo per aiutare a ridurre il carico di lavoro e / o il livello di competenza richiesto dall’essere umano per completare il compito. Sebbene l’essere umano continui a guidare l’esecuzione della funzione, la macchina fornisce ora un livello di supporto più sostanziale all’interno di un ODD chiaramente definito.
Livello 3 – Automazione Supervisionata
A questo livello di automazione, la macchina esegue la funzione mentre l’essere umano supervisiona e può intervenire se necessario. L’essere umano non è al corrente degli stati interni della macchina ma supervisiona i risultati per motivi di sicurezza. La macchina guida l’esecuzione all’interno di un ODD definito, ma l’essere umano la monitora continuamente e deve avere le informazioni necessarie per intervenire se necessario. È richiesto un design attento dei fattori umani del sistema per garantire che l’essere umano abbia tutte le informazioni necessarie per passare da “in loop” a “nel loop” quando necessario.
Livello 4 – Gestione per Eccezione
A questo livello di automazione, la macchina esegue la funzione indipendentemente e avvisa l’essere umano solo quando si verifica un problema. A differenza dei livelli inferiori, l’essere umano non è tenuto a supervisionare la funzione in tempo reale, ma deve essere disponibile e in grado di intervenire se necessario. Una volta che la macchina ha dimostrato la sua capacità di eseguire l’intera funzione in modo efficace e di rispondere all’ambiente, l’equipaggio può fidarsi di farla funzionare senza supervisione umana all’interno di un ODD specificato. Costruire la fiducia richiede di garantire l’affidabilità del sistema, incluso il soddisfacimento delle aspettative di sicurezza per quanto riguarda la affidabilità , l’integrità e l’assicurazione.
Ad esempio, la Prima Guida Utilizzabile di EASA per le Applicazioni di Apprendimento Automatico di Livello 1 – Problema 1 fornisce indicazioni per i metodi basati sui dati AI-driven. Un esempio a livello di sistema di questo livello di automazione è il sistema di sorveglianza autonomo “drone-in-a-box”.
Livello 5 – Automazione Completa
In una funzione completamente automatizzata, la macchina assume la responsabilità totale dell’esecuzione del compito, mentre la comprensione dell’essere umano dei parametri operativi è minima o inesistente. L’interazione dell’essere umano con la macchina è di solito limitata a fornire direttive strategiche, come la pianificazione del volo, e osservare i risultati. Inoltre, senza autorizzazione speciale, l’essere umano non può intervenire in tempo reale a causa di limitazioni pratiche o di esclusione deliberata all’interno del ODD. Tali operazioni sono destinate a richiedere tecnologie avanzate, come l’intelligenza artificiale, o restrizioni rigorose sul ODD per limitare il funzionamento della funzione autonoma.
Di seguito è riportato un esempio di come la velocità di volo sarebbe utilizzata in un UAS secondo i livelli indicati:
- Al livello 0, il pilota ha il controllo manuale del gas senza la misurazione della velocità dell’aria.
- Al livello 1, il sistema fornisce la velocità dell’aria attuale e i limiti min/max per il pilota per regolare il gas/RPM.
- Al livello 2, il pilota comanda direttamente la velocità dell’aria e la macchina controlla RPM/gas come richiesto.
- Al livello 3, la macchina definisce il comando di velocità dell’aria sotto la supervisione del pilota.
- Al livello 4, la macchina definisce il comando di velocità dell’aria e avvisa il pilota se vengono superati i limiti predefiniti.
- Al livello 5, non ci si aspetta che il pilota supervisioni o intervenga nel controllo della velocità dell’aria in nessuna fase del volo.