İleri sürücü destek sistemleri için bir fonksiyonel güvenlik uygulaması
A functional safety methodology for advanced driver assistance systems
Yazar: EBRU ÇAĞLAYAN
Danışman: PROF. DR. SALMAN KURTULAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Akıllı sistemler = Intelligent systems ; Standartlar = Standards ; Sürücü destek sistemleri = Driver assistance systems

Özet:
Karayolu ulaşımında trafik kazaları sebepli ölümlerin ve ağır yaralanma oranlarının artması sonucunda otomotiv sektöründe fonksiyonel güvenlik konusu günden güne önem kazanmaktadır. 
Konfor ve güvenliği arttırmak, araçları daha ilgi çekici kılmak adına otomotiv sektöründe firmalar, araçlara İleri Sürücü Destek Sistemleri adıyla birtakım yeni sistemler eklemektedir. İleri Acil Frenleme Sistemi, Adaptif Seyir Kontrolü ve Kör Nokta Tespiti bu sistemlere örnek olarak gösterilebilir. Bu teknolojilerin geliştirilmesinin paralelinde araç üzerinde radar, lidar ve kamera gibi çevreyi algılamada kullanılan mekanizmalar çoğalmıştır ve otomotivde sistemlerin sistemi adı verilen kompleks yapılar türemiştir. 
İlerlemekte olan sensör teknolojisi, kullanılan farklı çeşit ve sayıda elektronik komponente ek olarak araçlara entegre edilen hesaplama yükü ağır yazılımlarla otomobil teknolojileri oldukça karmaşık bir hale gelmiştir. 
Öncelikli olarak konfor ve güvenliğe odaklanan İleri Sürücü Destek Sistemlerinde, sistemlerin çoğalması ve teknolojilerin kompleksleşmesi sebebiyle hedeflenilen bu amaçlarla çelişkili sayılacak şekilde güvenlik riski oluşmaktadır. Oluşan bu riski azaltmak adına zaten trend olan fonksiyonel güvenlik alanında yapılan çalışmalar ve bu alana yapılan yatırımlar çarpıcı bir şekilde artış göstermiştir.
Sensörler arasında etkileşimin yoğunlaştığı sensör füzyonu gibi bütünleşik teknolojiler, bütün bu sayılan etmenlere ek olarak otomobillerde oluşabilecek arıza olasılığını artırabilecek bir diğer önemli faktördür ve bu bağlamda son yıllarda fonksiyonel emniyet günden güne daha ehemmiyetli bir konu haline gelmektedir çünkü seyirdeki bir araçta oluşabilecek bir arıza ciddi bir kazaya yol açılabileceği gibi muhtemelen hem can hem de mal kayıplarıyla sonuçlanacaktır.
Normal şartlarda IEC/EN 61508 standardı, elektrik, elektronik ve programlanabilir sistemlerin fonksiyonel güvenliğini sağlamak adına yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bununla birlikte, otomotiv alanında yukarıda sıralanmış olan sebepler neticesinde fonksiyonel güvenliğe verilen önemin artmasıyla birlikte bu teknik standardın bir türevi olarak ISO 26262 standardizasyonu oluşturulmuştur. Bu standart, emniyetli bir otomobil için sistemlerin nasıl geliştirilmesi ve test edilmesi gerektiği konusundaki sorulara cevap verirken fonksiyonel güvenlik konusundaki talebi karşılamaktadır.  
ISO 26262 standardizasyonunun bir parçası olarak dört temel adım uygulanır. Bu adımlar; öğelerin tanımlanması, Tehlike ve Risk Analizi (HARA), Otomotiv Güvenliği Bütünlük Seviyesinin (ASIL) atanması ve güvenlik hedeflerinin belirlenmesidir.    
Otomotiv endüstrisinde fonksiyonel güvenlik sistemleri yazılımlarının geliştirilmesi ve test edilmesine ne kadar ağırlık verilmesi ve zaman ayrılması yönünde bir karar mekanizması oluşturan Otomotiv Güvenliği Bütünlük Seviyesinin atanması, standardizasyonda önemli bir adımı temsil etmektedir. 
Fonksiyonel güvenlik analizlerinde dikkate alınan risk senaryolarında senaryonun oluşma olasılığı, kaza durumunda sürücü ve yolcuların yaralanma derecesi ve sürücünün senaryo esnasında riski kontrol edebilme seviyesi Otomotiv Güvenliği Bütünlük Seviyesinin atanmasında kullanılan faktörlerdir. Bütün bu unsurlara bağlı olarak ASIL seviyesi belirlenirken bu seviyeler QM, A, B, C ve D olarak güvenlik riski artacak şekilde sıralanır. Buna göre, D seviyesi en yüksek değerdir; QM seviyesi ise en düşük değerdir. Bu sıralama neticesinde QM seviyesinde yalnızca kalite yönetimi yapılır, D seviyesinde ise ayrıntılı bir fonksiyonel güvenlik mekanizmasının oluşturularak testlerin ve implementasyona ayrılan sürenin artması öngörülür.
İleri Sürücü Destek Sistemlerinin otomotiv sektöründe yaygınlaşması ile birlikte ISO 26262 diğer otomotiv alanlarında olduğu gibi bir fonksiyonel güvenlik metodolojisi olarak sıkça kullanılmaya başlanmıştır. Bununla birlikte, bu standardın kullanılmaya başlamasının akabinde otonom araç teknolojileri için bu standardizasyonun yetersiz kaldığının anlaşılması uzun sürmemiştir. 
Otomotiv Mühendisleri Topluluğuna göre araçlarda 0'dan 5'e tanımlanan ve artış gösteren otomasyon seviyeleri vardır. Bu bağlamda, seviye 5 tam otonomluğu temsil etmektedir ve sürücü artık devrede değildir.
Seviye 5 otonomluk gibi sürücünün devrede olmadığı tam otonom bir araç için ISO 26262 standardizasyonunda kullanılan konsept fazındaki Otomotiv Güvenliği Bütünlük Seviyesi atamasında zorluklar yaşanmaktadır. Bu zorlukların temel sebebi, ISO 26262'de sürücünün devrede olduğu ve tehlikeli senaryolarda araç kontrol edilebilirliğine dahil olduğu varsayımından kaynaklanmaktadır. Oysa, tam otonom araçlar için sürücü tamamen devreden çıkarak yerini tümüyle araç otomasyonuna bırakmıştır.
ISO 26262'nin İleri Sürücü Destek Sistemleri üzerinde uygulanabilirliğindeki yetersizlik sonucunda konseptin yeniden uyarlanabilir bir versiyonunun tanımlanması gerekliliği doğmuştur. Buna göre, farklı İleri Sürücü Destek Sistemleri üzerinde yeni fonksiyonel güvenlik metodolojileri inşa edilmeye başlanılmıştır.
İleri Sürücü Destek Sistemleri üzerinde ISO 26262'nin halihazırda var olan versiyonunun yetersizliği sonucunda ortaya çıkan yeni bir fonksiyonel güvenlik metodolojisi gerekliliği sonucunda tezin ilk amacı ortaya çıkmıştır. Bu amaç, ISO 26262'nin bu yeni teknolojiye uyarlanabilir bir versiyonunu ortaya koymaktır. Bunun için, var olan ISO 26262 standardizasyonuna, İleri Sürücü Destek Sistemleri ve tarihçesine ve ISO 26262'nin uygulama adımlarına değinilmiştir. Akabinde, bütün bu bilgiler ışığında İleri Sürücü Destek Sistemlerinde yaygın bir sistem olan İleri Acil Frenleme Sistemi (AEBS) fonksiyonu üzerinde örnek bir çalışma gerçekleştirilerek uyarlanan metodoloji tanıtılmıştır. 
İleri Acil Frenleme Sistemi, genellikle radar ve kameranın birlikte kullanılarak otomobil, motosiklet, yaya ve bisiklet gibi hedeflerin birlikte algılandığı sensör füzyonunun aktif olarak kullanıldığı bir fonksiyondur. Radarlar otomobilleri seçme konusunda daha efektif iken, kamera yaya tipi hedefleri seçmede daha büyük başarı göstermektedir. Bütün bu algılamanın gerçekleştiği karmaşık sistemlerde fonksiyonel güvenliğin gerekliliği tartışılmazdır. Bununla birlikte yollarda meydana gelen kazaların çoğunluğunun sürücü dikkatsizliğinden kaynaklandığı düşünülürse İleri Acil Frenleme Sistemi gibi akıllı bir teknolojinin fonksiyonel güvenliğin gerçekleştirildiği koşullarda trafik kazalarını büyük ölçüde engelleyeceği gerçeği yadsınamazdır. Dolayısıyla tezde otomotiv sektörüne daha büyük bir fayda sağlaması bakımından örnek fonksiyon olarak İleri Acil Frenleme Sistemi fonksiyonu seçilmiştir.
Tezde ikincil bir amaç olarak hem İleri Sürücü Destek Sistemlerinin hem de fonksiyonel güvenliğin sektörde önem kazanmasıyla birlikte trendleşen bu iki alanın terminolojisinin Türkçe bir tez vasıtasıyla literatüre kazandırılarak Türkçe bir kaynak elde etmek hedeflenmiştir. Bu bağlamda ayrıntılı görseller ve kısaltmalarla tez Türk otomotiv sektörü için bir kaynak oluşturmaktadır.

Abstract:
As a direct result of the increase in death and serious injury rates due to traffic accidents in road transport, the topic of functional safety has recently gained importance in an immense manner in the automotive sector.
In order to increase the comfort and safety, and to make vehicles more interesting than before, the companies in the automotive industry insert some new brilliant systems to vehicles, which are called Advanced Driver Assistance Systems. Advanced Emergency Braking Systems, Adaptive Cruise Control and Blind Spot Detection can be listed as some examples to this advanced technology. In parallel with the development of this  technology, the mechanisms have been started to be used on the vehicle to detect the environment such as radars, lidars and cameras and complex structures called the Systems of Systems have emerged in the automotive.
Automobile technologies have become quite complex as a consequence of the advancing sensor technology, the different types and numbers of electronic components, and the computationally large and complex softwares, which are integrated into the vehicles.
In Advanced Driver Assistance Systems, there is a security risk that is considered contradictory to the primary focus of these systems, which are comfort and safety, due to the proliferation of systems and the complexity of technologies. In order to reduce this risk, studies and investments made into the field of functional safety, have increased dramatically.
Integrated technologies such as sensor fusion, where there is a huge interaction between sensors, is another important factor that might increase the probability of malfunctions in cars in addition to all these factors above, and in this context, functional safety has again become a more important issue in recent years than before, because a malfunction that may occur in a vehicle on the road can lead to a serious accident, which is likely to cause a loss of life and damage cars.
In general, the IEC/EN 61508 standard is widely used to ensure the functional safety of electrical, electronic and programmable systems. However, with the increasing importance given to the functional safety in the automotive field as a result of the reasons listed above, ISO 26262 standardization has been formed as a subset and consequence of this technical standard. This new standard satisfies the demand for the functional safety while answering to the questions about how systems should be developed and tested for safe vehicle systems.
Four basic steps are applied as a part of ISO 26262 standardization. These steps can be listed as Item Definition, Hazard and Risk Analysis (HARA), Automotive Safety Integrity Level (ASIL) Assignment, and Determination of Safety Goals.  
The Automotive Safety Integrity Level assignment, which constitutes a decision mechanism for how much priority and time should be devoted to the implementation and testing of the functional safety software in the automotive industry, represents a very critical step in standardization.  
Within the hazard scenarios during the functional safety analysis, the exposure probability of the occurring scenario, the degree of injury of the driver and passengers in case of an accident, and the level of the driver's ability to control the risk during the scenario are the factors, which are used in the assignment of the Automotive Safety Integrity Level. These Automotive Safety Integrity Levels can be ordered as QM, A, B, C and D in an ascending manner in terms of higher functional safety risks. Accordingly, the D level has the highest value whereas QM level corresponds to the lowest value. As a result of this ranking, only quality management is carried out at the QM level, while at the D level, a detailed functional safety mechanism is recommended to be designed and the time, which is allocated for tests and implementation, is expected to be increased.
With the widespread use of Advanced Driver Assistance Systems in the automotive sector, ISO 26262 has been used frequently as a functional safety methodology, like it has been used for the other automotive topics. However, after the introduction of this standard to Advanced Driver Assistance Systems, it has not taken a long time to have been realized that this standardization had been insufficient for autonomous vehicle technologies.
The Society of Automotive Engineers (SAE) have defined levels of automation for the road vehicles ascending from 0 to 5. In this context, Level 5 represents a full autonomy, where the driver is no longer engaged. 
There are some difficulties in assigning the Automotive Safety Integrity Level in the concept phase of the ISO 26262 standardization for a fully autonomous vehicle (Level 5 autonomy), where the driver is no longer engaged. The main reason for these difficulties stems from the assumption in ISO 26262 that the driver is engaged and involved in vehicle's controllability in hazardous scenarios. However, in fully autonomous vehicles, the driver is assumed to be completely disappeared and the driver's responsibility is fully replaced by vehicle automation.
As a result of the inadequacy in the applicability of the ISO 26262 to Advanced Driver Assistance Systems, the necessity to define an adaptable version of the concept has arisen. Accordingly, some new functional safety methodologies have begun to be built on a range of Advanced Driver Assistance Systems.
The first purpose of the thesis is to find a solution to the necessity of a new functional safety methodology, which formed as a result of the inadequacy of the existing version of the ISO 26262 for Advanced Driver Assistance Systems. This aim can be restated as to introduce an adaptable version of the ISO 26262 to this new advanced technology. So as to achieve this, the existing ISO 26262 standardization, Advanced Driver Assistance Systems as well as its short background and the main steps of ISO 26262 are mentioned throughout the thesis. Afterwards, using all these aspects of the thesis, a case study has been carried out on the Advanced Emergency Braking System (AEBS), a common system in Advanced Driver Assistance Systems, and within this case study, the adapted functional safety methodology has been introduced.
Advanced Emergency Braking Systems (AEBS) technology offers a function that actively uses sensor fusion, in which targets such as cars, motorcycles, pedestrians and bicycles are all detected, usually by using radar and camera simultaneously. Whereas radars are more effective at detecting cars, cameras are usually more successful at detecting pedestrian targets. The necessity of the functional safety in complex systems, where this immense load of the detection takes place, is indisputable. However, considering that the majority of the car accidents are caused by the careless driving activities, it is undeniable that an intelligent technology such as the Advanced Emergency Braking System would prevent car accidents to a great extent where functional safety standards are fulfilled. Therefore, Advanced Emergency Braking Systems function has been chosen as a case study in order to provide a greater benefit to the automotive industry in the thesis.
As a secondary purpose in the thesis, it is aimed to present a Turkish resource by introducing Turkish terminology of the two important fields, the Advanced Driver Assistance Systems and the functional safety, which have become top trends with the gaining importance in the automotive sector. In this context, with detailed illustrations and abbreviations, the thesis constitutes a comprehensive resource for the Turkish automotive industry.