Cyberphysical Constructs and Concepts for Fully Automated Networked Vehicles

Human lives are at stake in networked systems of automated vehicles. Drawing from mature domains where life/safety critical cyberphysical systems have already been deployed as well as from various scientific disciplines, we introduce the SPEC (Safety, Privacy, Efficiency, Cybersecurity) problem which arises in self-organizing and self-healing networks of fully automated terrestrial vehicles, and CMX functionalities intended for vehicular onboard systems. CM stands for Coordinated Mobility, X stands for S, P, E and C. The CMX framework encompasses cyberphysical constructs (cells, cohorts) endowed with proven properties, onboard proactive security modules, unfalsifiable cyberphysical levels, protocols and distributed algorithms for timed-bounded inter-vehicular communications, reliable message dissemination, trusted explicit agreements/coordination, and privacy preserving options that insulate passengers from illegitimate internal cyber-surveillance and external eavesdropping and tracking. We establish inter alia that safety and privacy can be obtained jointly, by design. The focus of this report is on SE properties. Notably, we show how to achieve theoretical absolute safety (0 fatalities and 0 severe injuries in rear-end collisions and pileups) and highest efficiency (smallest safe inter-vehicular gaps) jointly, by design, in spontaneous cohorts of vehicles. Results conveyed in this report shall open new opportunities for innovative research and development of high societal impact. Key-words: Intelligent transportation systems, fully automated driving, vehicular networks, onboard robotics, inter-vehicular wireless communications, communicating autonomous vehicles, cyberphysical constructs, cells, cohorts, cyberphysical levels, safety, privacy, efficiency, cybersecurity, multi-access protocols, lossy channels, message dissemination, distributed agreements, worst-case time bounds, gap control. 1 gerard. le_lann@inria.fr Cyberphysical Constructs and Concepts for Fully Automated Networked Vehicles Résumé : Les vies humaines sont en jeu dans les réseaux de véhicules automatisés, à l’instar de domaines matures où des systèmes critiques en matière de sécurité-innocuité ont déjà été déployés. Les connaissances acquises dans ces domaines ainsi que dans diverses disciplines scientifiques permettent de définir le problème SPEC (Safety, Privacy, Efficiency, Cybersecurity) qui se pose dans les réseaux auto-organisés et auto-réparateurs de véhicules terrestres à conduite entièrement automatisée. On introduit CMX, un ensemble de fonctionnalités destinées aux systèmes bord. CM est l’abréviation de Coordinated Mobility, et X signifie S, P, E et C. L’ensemble CMX repose sur des constructions cyberphysiques (cellules, cohortes) dotées de propriétés prouvées, les concepts de module de sécurité proactif et de niveaux cyberphysiques infalsifiables, des protocoles et des algorithmes distribués pour communications inter-véhiculaires en temps borné, dissémination fiable de messages, coordination et accords explicites dignes de confiance, ainsi que sur des options de protection de la vie privée qui permettent aux passagers d’interdire la cyber-surveillance illégitime interne et externe (écoutes radio et pistage des trajets). On établit qu’il est possible de garantir conjointement sécurité-innocuité (safety) et respect de la vie privée (privacy), par conception. Ce rapport est consacré aux propriétés SE. En particulier, on montre comment obtenir la sécurité-innocuité absolue théorique (taux nul de mortalité et de graves blessures en cas de collisions longitudinales) et maximiser l’efficacité (espaces inter-véhiculaires minimaux) conjointement, par conception, dans les cohortes spontanées de véhicules. Les résultats contenus dans ce rapport devraient ouvrir de nouvelles perspectives de recherche et développement à fort impact sociétal. Mots clés: Systèmes de transport intelligents, conduite entièrement automatisée, réseaux véhiculaires, robotique embarquée, communications inter-véhiculaires sans fil, véhicules autonomes communicants, constructions cyberphysiques, cellules, cohortes, niveaux cyberphysiques, sécurité-innocuité, respect de la vie privée, efficacité, cyber-sécurité, protocoles d’accès multiple, canaux non fiables, dissémination de messages, accords distribués, bornes de temps pires cas, contrôle d’espacement. Cyberphysical Constructs and Concepts for Fully Automated Networked Vehicles 5 Gérard Le Lann RR N° 9297 0. Executive Summary . 6