Määratlused, klassifikatsioon ja autonoomia tasemed

Intuitiivselt tähendab mehitamata süsteemide autonoomia nende võimet ise juhtida, teha otsuseid ja täita ülesandeid minimaalse või ilma inimese sekkumiseta. Teiste süsteemide või inimestega koostöö tegemiseks on autonoomia jaoks vaja süsteemi selget määratlust. See määratlus mitte ainult ei edasta partneritele ja kasutajatele funktsiooni, vaid seab ka ootusfunktsiooni. Ootusfunktsioonid on kesksel kohal paljudes tehnilistes (valideerimine), juhtimis- (litsentsimine) ja juriidilistes (vastutus) protsessides. Kõik füüsilised domeenid on loonud mõnevõrra sarnased autonoomia “tasemed”, mis hakkavad seadma ootusfunktsioone.

Ameerika organisatsioon Society of Automotive Engineers (SAE) International võttis 2014. aastal maismaasõidukite jaoks vastu kuuest autonoomse sõidu tasemest koosneva klassifikatsiooni, mida hiljem 2016. aastal muudeti. Riikliku maanteeliiklusohutuse administratsiooni (NHTSA) otsuse alusel on see Ameerika Ühendriikides ametlikult kohaldatav standard, mis on ka autonoomse sõidu tehnoloogiate uuringutes kõige populaarsem Euroopas.

Olukorra selgitamiseks on SAE International määratlenud 5 autonoomsete sõidukite automatiseerimise taset, mis on vastu võetud tööstusstandardina (vt joonis 1).

• Tase 0: Juhil on sõiduki üle täielik kontroll ja puuduvad automatiseeritud süsteemid.

• 1. tase: Tuntud ka kui “käeline”, juhib juht kõiki standardseid sõidufunktsioone, nagu roolimine, kiirendamine, pidurdamine ja parkimine. Mõned automatiseeritud süsteemid, nagu püsikiiruse hoidja, parkimisabi ja sõidurea hoidmise abi, ehitatakse autosse. Juht peab jälgima oma ümbrust ja suutma igal ajal täieliku kontrolli enda kätte haarata.

• 2. tase: “Käed vabad” automaatika tähendab, et automatiseeritud süsteem suudab täielikult juhtida sõidukit, roolida, kiirendada ja pidurdada. Küll aga peab juht olema valmis vajadusel sõiduki üle kontrolli haarama. “Käed-vabad” põhimõtet ei tohiks võtta sõna-sõnalt ja SAE soovitab hoida käed rooliga kontaktis, kinnitamaks, et juht on valmis kontrolli üle võtma.

• 3. tase: 3. taset nimetatakse “ilma silma vaatamata” automatiseerimiseks. Juht saab keskenduda muudele tegevustele peale juhtimise, näiteks telefoni kasutamine või filmi vaatamine. Automatiseeritud süsteem suudab reageerida olukordadele, mis nõuavad viivitamatut tegutsemist, näiteks hädapidurdus, kuid juht peab siiski sekkuma, kui tehnoloogia sellest teavitab.

• 4. tase: Järgmine tase on “mind-off” automatiseerimine. See sarnaneb sisuliselt 3. tasemega, kuna juht ei pea oma ümbrust jälgima. Tegelikult võivad nad magama jääda, kuna juhi sekkumine pole vajalik isegi hädaolukordades. Seda autonoomia taset toetatakse aga ainult piiratud piirkondades või teatud asjaoludel, näiteks liiklusummikutes.

• Tase 5: Tase 5 tähendab “rool valikuline”. Auto on täielikult autonoomne ega vaja inimese sekkumist.

Tänapäeval on need tasemed muutunud ootuste edastamiseks ning regulatiivsete ja õiguslike lahingute objektiks.

Üldjuhul määratletakse autonoomia või autonoomne võime süsteemisisese otsustamise või enesejuhtimise kontekstis. Lennundustehnoloogia instituudi (ATI) andmetel saavad autonoomsed süsteemid sisuliselt iseseisvalt otsustada, kuidas missiooni eesmärke saavutada, ilma inimese sekkumiseta ²⁾. Need süsteemid on samuti võimelised õppima ja kohanema muutuvate töökeskkonna tingimustega. Autonoomia võib aga sõltuda missiooni või süsteemi ülesehitusest, funktsioonidest ja spetsiifikast ³⁾. Autonoomiat võib laias laastus vaadelda kui võimaluste spektrit nullautonoomiast kuni täieliku autonoomiani. Pilot Authorization and Task Control (PACT) mudel määrab autoriseerimistasemed alates tasemest 0 (täielik piloodivolitus) kuni tasemeni 5 (täielik süsteemi autonoomia), mida kasutatakse ka autotööstuses autonoomsete sõidukite puhul (vt joonis 2).

Droonitehnoloogia autonoomia tasemed jagunevad tavaliselt viieks erinevaks tasemeks, millest igaüks tähistab drooni iseseisva töötamise võime järkjärgulist suurenemist.

• Tase 0: Piloodil on täielik kontroll iga liigutuse üle. Platvormid on alati 100% käsitsi juhitavad.

• 1. tase – kaugjuhtimispult: Piloot säilitab kontrolli üldiste toimingute ja sõiduki ohutuse üle. Siiski võib droon teatud aja jooksul üle võtta ühe või mitu olulist funktsiooni. Kuigi piloodil puudub pidev kontroll sõiduki üle ning ta ei kontrolli kunagi samaaegselt kiirust ja suunda, võib ta abistada navigeerimisel ja/või säilitada kõrgust ja asukohta. Drooni toetab lennu stabiliseerimiseks GNSS ning kõik suuna, kõrguse ja kiiruse sisendid sisestatakse käsitsi. Takistuste tuvastamise funktsioonid on sellel tasemel saadaval, kuid vältimise teostab piloot käsitsi.

• 2. tase – automaatne lennujuhtimine (abistatud autonoomia): eelprogrammeeritud lennutrajektoori edastatakse autopiloodile ja droon alustab oma missiooni, lennates mööda teekonnapunkte. Piloot vastutab endiselt sõiduki ohutu juhtimise eest ja peab olema valmis drooni kontrolli alla võtma, kui peaks juhtuma ootamatu sündmus. Kuid teatud tingimustel saab droon ise kontrollida drooni kursi, kõrgust ja kiirust. Piloodil on endiselt täielik kontroll, sealhulgas õhuruumi, lennutingimuste jälgimine ja hädaolukordadele reageerimine. Enamik tootjaid ehitab praegu sellel tasemel droone, kus platvorm saab aidata navigeerimisfunktsioone ja lubada piloodil teatud ülesannetest lahti saada.

• 3. tase – osaline autonoomia (poolautonoomne): Sarnaselt 2. tasemele suudab droon lennata autonoomselt, kuid piloot peab olema tähelepanelik ja valmis igal ajal kontrolli üle võtma. Droon annab piloodile sekkumisvajadusest teada, toimides hädaabisüsteemina. See tase tähendab, et droon suudab täita kõiki funktsioone “teatud tingimustel”.

• 4. tase – kognitiivne autonoomia (täiustatud poolautonoomne): drooni saab juhtida ka inimene, kuid see ei pea alati nii olema. Õigetes tingimustes suudab see igal ajal iseseisvalt lennata. Eeldatakse, et droonil on üleliigsed süsteemid, nii et kui üks süsteem ebaõnnestub, jätkab see tööd. Sellel autonoomia tasemel muutub funktsioon “mõistke ja vältige” “mõistke ja navigeeri”. See tähendab, et droon tuvastab oma lennutrajektooril olevad takistused ja väldib aktiivselt kontakti, muutes oma lennutrajektoori.

• 5. tase – täielik autonoomia: droon juhib ennast igas olukorras iseseisvalt, ilma inimese sekkumiseta. See hõlmab kõigi lennuülesannete täielikku automatiseerimist kõikides tingimustes. Praegu selliseid droone veel ei eksisteeri. Siiski on oodata, et lähitulevikus saavad nad lendude planeerimiseks kasutada tehisintellekti tööriistu – teisisõnu autonoomseid õppesüsteeme, mis on võimelised muutma rutiinset käitumist.

Teine üldine, kuid kasulik mudel, mis kirjeldab autonoomia taset mehitamata süsteemides, on Autonomy Levels for Unmanned Systems (ALFUS) mudel ⁵⁾. Euroopa Liidu Lennundusohutusamet (EASA) esitas ühes oma tehnilises aruandes teavet autonoomia tasemete ja juhiste kohta inimese ja autonoomia koostoime kohta. EASA andmetel ei ole autonoomia mõiste, selle tasemed ja inimese ja autonoomse süsteemi koostoimed välja kujunenud ning neid arutatakse aktiivselt erinevates valdkondades (sh lennundus), kuna praegu puudub nendest mõistetest ühtne arusaam ⁶⁾. Kuna need kontseptsioonid on veel mõnevõrra arenemisjärgus, muutub see mehitamata õhusõidukite reguleeriva keskkonna jaoks tohutuks väljakutseks, kuna need on suures osas kehtestamata.

Autonoomiatasemete klassifikatsioon mitme drooniga süsteemides on mõnevõrra erinev. Mitme drooniga süsteemides teevad mitu drooni konkreetse ülesande täitmiseks koostööd. Mitme drooniga süsteemide projekteerimine eeldab, et üksikutel droonidel oleks suurem autonoomia tase. Autonoomiatasemete klassifikatsioon on otseselt seotud jaotusega lendudeks, mis sooritatakse piloodi või vaatleja vaateväljas (VLOS) ja lendudeks, mis sooritatakse väljaspool piloodi vaatevälja (BVLOS), kus erilist tähelepanu pööratakse lennuohutusele. Üks võimalus autonoomiaprobleemi lahendamiseks on klassifitseerida droonide ja mitme drooniga süsteemide autonoomia tasemetesse, mis on seotud täidetavate ülesannete hierarhiaga ⁷⁾. Nendel tasemetel on standardsed määratlused ja protokollid, mis juhivad tehnoloogia arendamist ja regulatiivset järelevalvet. Ühe drooniga autonoomse mudeli jaoks pakutakse välja kaks erinevat taset: sõiduki juhtimiskiht (1. tase) ja missiooni juhtimiskiht (2. tase), vt joonis 4. Mitme drooniga süsteemidel on seevastu kolm taset: ühe sõiduki juhtimine (1. tase), mitme sõiduki juhtimine (2. tase) ja missiooni juhtimine (3. tase). Selles hierarhilises struktuuris on 3. tasemel madalaim prioriteet ja selle saab tühistada 2. või 1. tasemega.

Meresüsteemide puhul määratleb Rahvusvaheline Mereorganisatsioon (IMO) autonoomia oma meresõiduautonoomse pinnaselaeva (MASS) raamistiku kaudu, mis kirjeldab nelja järkjärgulist autonoomia taset, mis põhinevad inimeste kaasamise astmel ja pardal otsustamisvõimel. Madalamatel tasanditel kasutavad laevad automatiseerimist peamiselt inimmeeskondade abistamiseks navigeerimisel, tõukejõul ja ohutuse jälgimisel, samal ajal kui inimesed jäävad pardale ja vastutavad operatiivotsuste eest. Vahetasemed võimaldavad kaugjuhtimist, kus laevad võivad töötada ilma meeskonnata, kuid neid jälgitakse ja juhitakse kaldal asuvatest juhtimiskeskustest. Kõrgeimal tasemel suudavad täielikult autonoomsed laevad tajuda oma keskkonda, teha iseseisvalt navigeerimis- ja missiooniotsuseid ning viia neid otsuseid ellu ilma inimese sekkumiseta. See raamistik peegeldab meremissioonide tegelikku tegelikkust, kus pikad kestused, prognoositav dünaamika ja kaugseire võimaldavad järk-järgult liikuda autonoomia poole.

Kosmosesüsteemides kirjeldatakse autonoomiat tavaliselt NASA mehitamata süsteemide autonoomiatasemete (ALFUS) raamistiku abil, mis hindab autonoomiat, mis põhineb süsteemi sõltumatusel inimese kontrollist, selle võimest toime tulla keskkonna keerukusega ja võimega täita missiooni eesmärke ilma sekkumiseta. Madalamatel tasanditel toetuvad kosmoseaparaadid juhtimisel ja juhtimisel suuresti maapealsetele operaatoritele, kes täidavad etteantud juhiseid minimaalse otsuse tegemisega pardal. Autonoomia suurenedes omandavad kosmoseaparaadid võime täita selliseid funktsioone nagu rikete tuvastamine ja taastamine, autonoomne navigeerimine ja adaptiivne missioonide planeerimine. Kõrgeimal tasemel saavad süsteemid iseseisvalt tajuda oma keskkonda, hinnata missiooni eesmärke ja dünaamiliselt kohandada oma käitumist eesmärkide saavutamiseks ilma inimese reaalajas juhendamiseta. See areng on eriti oluline süvakosmose missioonidel, kus sideviivitused muudavad pideva inimliku kontrolli ebapraktiliseks.

Miks mere- ja kosmoseautonoomia raamistikud maapealsest autonoomiast erinevad?

Mere- ja kosmoseautonoomia raamistikud erinevad põhimõtteliselt maapealsest autonoomiast, kuna nende tööpiirangud rõhutavad pigem vastupidavust, kaugjuhtimist ja süsteemi vastupidavust, mitte pidevat suhtlemist inimestega tihedas ettearvamatus keskkonnas. Maapealsed sõidukid peavad töötama ohutult inimestest juhtide, jalakäijate ja keeruka infrastruktuuri vahetus läheduses, mis nõuab väga reageerivat reaalajas tajumist ja otsuste tegemist. Seevastu meresüsteemid töötavad suhteliselt struktureeritud keskkondades, kus on vähem vahetuid ohte, võimaldades autonoomial keskenduda rohkem navigeerimise tõhususele ja kaugjärelvalvele. Kosmosesüsteemid kujutavad endast veelgi suuremaid väljakutseid, sealhulgas äärmuslik side latentsus, karmid keskkonnatingimused ja inimese reaalajas sekkumise võimatus, mis nõuab, et kosmoselaev tuvastaks autonoomselt vigu, säilitaks töövõime ja tagaks missiooni ellujäämise. Selle tulemusena on autonoomia mere- ja kosmosesüsteemides ajendatud pigem tegevuse sõltumatusest ja missiooni järjepidevusest kui vahetutest inimeste ohutuse vastasmõjudest. Allolevas tabelis on kokkuvõte kõigist neljast domeenist.

Autonoomia liigitamine struktureeritud tasanditeks ei ole pelgalt tehniline taksonoomia; see toimib juriidilise vastutuse, regulatiivse heakskiidu ja eetilise juhtimise aluskonstruktsioonina. Need autonoomiatasemed määratlevad ootusfunktsiooni, mis määrab, kes (inimene või masin) vastutab tuvastamise, otsuste tegemise ja tegevuse teostamise eest määratletud töötingimustes. Sellest ootusfunktsioonist saab sertifitseerimise, valideerimise, vastutuse määramise ja tegevusloa aluseks, mida käsitleme järgmises jaotises.