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有限数据安全信息量证明:适用于动态非对称执行器的输出安全证书

Abhinav Sinha, Praveen Kumar Ranjan, Yongcan Cao
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这是一篇预印本,未经同行评审。论文提出一种基于有限数据的确定性安全证书,用于在模型不确定和非对称执行器限幅下判断指令能否维持输出安全。通过推导最坏情况模型贡献的解析公式和仿射不等式,作者给出了最近安全指令和最大安全比例的计算方法;数值仿真显示,选择代表性测量可将验证查询覆盖率从1.03%提升至76.27%,接近精确参数基准的86.26%。

研究问题

能否仅凭有限测量数据、已知回归器和有界残差,在动态非对称执行器跟踪误差下,确定某个指令对所有与数据一致的系统模型都能保证输出安全?

问题

系统模型未知时,同一组有限数据可能对应多个模型,对某个模型安全的指令可能对其他模型失效;同时执行器动态跟踪误差和非对称限幅限制了纠正能力。现有安全方法大多依赖精确模型或概率/估计不确定性界,不能从有限记录给出确定性充分性判断,更不能同时处理数据不一致与执行器权威损失。

既有方法

此前方法包括高斯过程预测界、强化学习修正、共形校准、鲁棒自适应和不确定性估计,以及基于模型的控制屏障函数;数据信息量方法在线性控制中有条件保证,但缺乏对非线性安全通道联合动态非对称执行器的有限数据证书,且常假设无执行器动态或对称限幅。

新方法

本文把安全通道表示为已知回归器与未知常数参数加有界残差,推导数据一致参数集上最坏安全贡献的支撑公式;该公式识别出能给出有限界的回归器方向,允许秩亏记录参与认证。利用执行器跟踪误差的组件界,将安全条件转化为仿射不等式,给出点可行性充要条件;最近安全指令归结为标量求根,最大安全比例有闭式门。在反馈局部Lipschitz和不确定性界有效时,确保输出与输入约束在操作域内始终满足。

结果

在二维车辆跟踪仿真中,三条等规模记录(N=40)来自同一采集池:连续记录、均匀记录和证书导向记录。对11241个状态-时间查询的验证覆盖率分别为1.03%、32.09%和76.27%,精确参数基准为86.26%;对应中位有限数据超额为2.423、0.1477和0.0353 s^-1。闭环仿真从初始跟踪误差(8.9,3)米出发,最大采样存储为0.7349,水平与垂直实现速度范围约[9,14]和[-1.856,1.044]米/秒,跟踪误差进入±0.2米的时间分别为3.05秒和4.25秒;每一步采样点安全裕度非正,步长减半保持可行性。所有结果均为仿真,未进行真机实验。

局限

本文为预印本,未经同行评审。所有验证均为数值仿真,未在真实机器人或车辆上测试。假设回归器精确已知、参数跨样本和时间恒定、残差界与执行器跟踪误差界预先有效;反馈需局部Lipschitz并满足全状态延续条件。论文未报告开源代码、计算开销、超参数敏感性或真机部署细节。

产业影响

可应用于无人机、自动驾驶、工业机器人等安全关键控制场景,尤其是模型不确定且执行器限幅非对称、动态跟踪误差明显的系统。目前处于仿真验证阶段,1至3年内可能进入安全工具链,前提是获得可靠的特征表示和不确定性界,并在硬件平台上完成验证。

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