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As novas tecnologias relacionadas com a robótica, sensores inteligentes e algoritmos avançados de sistemas e controlo têm o potencial de serem disruptivas, podendo gerar benefícios sociais significativos, mas também podem produzir sérias consequências em caso de falha, principalmente em aplicações críticas de segurança. A segurança é de facto um requisito crítico numa ampla gama de sistemas de engenharia. O projeto destes sistemas é complexo envolvendo diversas áreas de engenharia, passando pela parte conceptual até ao nível específico algorítmico que terão que ter necessariamente garantias formais, ao desenvolvimento, implementação e operação de hardware e software.
Neste projeto, endereçamos uma área especifica relacionada com a parte metodológica/conceptual no nível algorítmico de projeto de sistemas de automação e controlo. O objetivo é desenvolver metodologias e algoritmos de sistemas de controlo incorporando diretamente na formulação do problema requisitos de segurança garantindo comprovadamente (matematicamente) certificados de segurança. Com esse fim, um objetivo específico é combinar abordagens orientadas a dados e técnicas de aprendizagem de máquina (conhecidas como não confiáveis e/ou extremamente difíceis de obter garantias formais) com técnicas recentes baseadas em controlo e otimização, capazes de impor propriedades de invariância no contexto de funções de controlo de barreira (CBFs) e funções de controlo de Lyapunov (CLFs) na presença de restrições complexas e incertezas. Outro objetivo é estender os conceitos mencionados para sistemas críticos de segurança em rede (possivelmente de larga escala), envolvendo vários agentes operando autonomamente em redes em ambientes dinâmicos, onde neste caso surgem desafios adicionais devido à presença de uma rede de comunicação. Neste caso, investigaremos os seguintes aspetos cruciais: i) como projetar estratégias de controlo para detetar e/ou isolar agentes defeituosos e ataques maliciosos, ii) como melhorar a  |
Resumo
As novas tecnologias relacionadas com a robótica, sensores inteligentes e algoritmos avançados de sistemas e controlo têm o potencial de serem disruptivas, podendo gerar benefícios sociais significativos, mas também podem produzir sérias consequências em caso de falha, principalmente em aplicações críticas de segurança. A segurança é de facto um requisito crítico numa ampla gama de sistemas de engenharia. O projeto destes sistemas é complexo envolvendo diversas áreas de engenharia, passando pela parte conceptual até ao nível específico algorítmico que terão que ter necessariamente garantias formais, ao desenvolvimento, implementação e operação de hardware e software.
Neste projeto, endereçamos uma área especifica relacionada com a parte metodológica/conceptual no nível algorítmico de projeto de sistemas de automação e controlo. O objetivo é desenvolver metodologias e algoritmos de sistemas de controlo incorporando diretamente na formulação do problema requisitos de segurança garantindo comprovadamente (matematicamente) certificados de segurança. Com esse fim, um objetivo específico é combinar abordagens orientadas a dados e técnicas de aprendizagem de máquina (conhecidas como não confiáveis e/ou extremamente difíceis de obter garantias formais) com técnicas recentes baseadas em controlo e otimização, capazes de impor propriedades de invariância no contexto de funções de controlo de barreira (CBFs) e funções de controlo de Lyapunov (CLFs) na presença de restrições complexas e incertezas. Outro objetivo é estender os conceitos mencionados para sistemas críticos de segurança em rede (possivelmente de larga escala), envolvendo vários agentes operando autonomamente em redes em ambientes dinâmicos, onde neste caso surgem desafios adicionais devido à presença de uma rede de comunicação. Neste caso, investigaremos os seguintes aspetos cruciais: i) como projetar estratégias de controlo para detetar e/ou isolar agentes defeituosos e ataques maliciosos, ii) como melhorar a robustez sob agentes defeituosos e/ou maliciosos em relação às propriedades de controlabilidade e observabilidade do sistema global, e como melhorar a resiliência de processos de consensos, cobrindo desta maneira uma ampla gama de aplicações (otimização distribuída, tarefas de coordenação de movimento, entre outros).
Este projeto é dedicado principalmente aos aspetos conceptuais, mas também irá ilustrar e demonstrar aplicações de sistemas críticos de segurança. Nomeadamente, RELIABLE também focará nos seguintes casos de estudo:
- Veículos robóticos em cenários espacial, aéreo e subaquático: Os cenários considerados estão relacionados a operações de monitoramento e exploração remotas que exigem sistemas de controlo de alto desempenho e são críticos no sentido de que as consequências da falha podem levar à perda de equipamentos caros. Um exemplo a ser estudado é o desenvolvimento de algoritmos de planeamento de trajetórias para robôs saltitantes que atravessam terrenos acidentados em grandes corpos celestes (como planetas e luas) em regiões seguras (possivelmente desconexas) e não seguras. Outros tópicos importantes a investigar incluem o desenvolvimento de estratégias de localização, navegação e controlo de movimento de um ou múltiplos veículos subaquáticos autónomos e veículos aéreos não tripulados de asa fixa com garantias de segurança. Aqui, pretende-se ir para além do desenvolvimento de algoritmos, mas também testar em simuladores digitais realistas e experiências de campo.
- Robótico móvel em cenários da indústria 4.0: O objetivo é contribuir para o desenvolvimento de soluções inovadoras na indústria, com especial ênfase em cenários de logística e cooperativos entre operários e veículos robóticos móveis. Os principais pontos a endereçar incluem o desenvolvimento de algoritmos de perceção ativos e de alta performance, planeamento reativo, sistemas de navegação e controlo que permitam robôs móveis operarem autonomamente em ambientes não estruturados, com colaboração homem-robô eficaz e com garantias de segurança.
Esta proposta reúne especialistas das áreas mencionadas acima, envolvendo uma equipa de estudantes de doutoramento, pós-docs e vários docentes da Universidade do Porto e da Universidade de Coimbra. O mérito deste programa de investigação é que ele visa a pesquisa fundamental/conceptual, mas também é bem motivado pelas aplicações. As soluções e metodologias teóricas que se esperam obter deverão conduzir a um avanço significativo no estado da arte e terão como ponto de partida os resultados já obtidos pelo grupo de trabalho. Um objetivo essencial é a demonstração formal de segurança, robustez e estabilidade dos algoritmos desenvolvidos. Ao nível prático, um importante objetivo é simular, testar, validar e integrar alguns dos algoritmos desenvolvidos em ferramentas de software para comando e controlo de sistemas robóticos móveis. |