英国南安普顿大学工程与物理科学学院招收全奖博士

英国南安普顿大学工程与物理科学学院招收全奖博士

可验证的可持续自动驾驶汽车：安全、信任与韧性的形式化方法

关于项目

指导团队：阿西耶·萨利希·法塔巴迪（Asieh Salehi Fathabadi）博士、宝琳·伦纳德（Pauline Leonard）教授和瓦希德·雅兹丹帕纳赫（Vahid Yazdanpanah）博士

自动驾驶汽车真的能带来更安全的道路、更清洁的空气和更少的交通拥堵吗？

自动驾驶汽车可缓解拥堵、减少排放并助力可持续发展。然而，安全和信任仍是其普及的主要障碍。现有方法缺乏对安全行为和持续信任的数学保证。要克服这一问题，需整合计算机科学和社会科学等多学科知识，以评估信任、韧性和长期接受度。

主要研究问题：如何利用数学建模和验证技术（形式化方法）证明自动驾驶汽车系统是安全、可信且具韧性的？具体研究问题：

RQ1：安全属性识别与建模

现有自动驾驶汽车安全模型和标准如何体现安全要求，如何将这些要求形式化为可数学验证的属性（例如，“车辆必须始终保持至少3秒的安全跟车距离”，“紧急制动必须在障碍物检测后0.5秒内启动”），这些属性不仅要支持安全验证，还要为信任动态建模（RQ2）奠定基础？

差距：现有安全模型很少考虑安全形式化与用户信任之间的关联。本研究将通过将安全要求形式化，弥合这一差距，使其既支持安全验证，又能与信任动态（RQ2）相整合。

RQ2：信任动态验证

我们如何对乘客与自动驾驶汽车系统之间的信任关系随时间的变化进行数学建模和验证（例如，“如果系统提供清晰的车道变换通知，用户信心将增强”，“一致的制动模式会带来更高的信任评分”，“透明的决策解释能提高长期接受度”）？

差距：尽管社会科学领域对自动化信任进行了研究，但尚无能验证自动驾驶汽车系统信任属性的正式数学模型。本研究将为自动驾驶汽车创建首个正式信任模型。

RQ3：不确定性下的韧性

我们如何通过数学方法证明自动驾驶汽车系统即使在未在设计阶段预料到的场景中（例如，异常天气条件、新的交通模式）仍能保持安全和可信的行为？

差距：当前的验证方法仅检查预定义场景。本研究将开发新的数学模型，以验证系统在不可预见情况下的行为。

研究方法

本研究聚焦于智能交通系统中的自动驾驶汽车，运用数学建模和验证技术解决三个相互关联的挑战：

安全验证：本研究将首先对现有自动驾驶汽车安全模型和标准进行系统分析，旨在明确当前框架如何体现安全要求，以及在提供可数学验证的属性方面存在的不足。在此基础上，将具体安全要求形式化为可自动验证的数学模型。这些形式化模型不仅将强化安全验证，还将为RQ2中后续的信任动态建模提供结构化基础。

信任验证：建立用户与自动驾驶汽车系统之间信任关系的数学模型，纳入系统透明度（“汽车显示‘前方行人减速’”）、一致性（“汽车在相似交通条件下保持相同的跟车距离”）和可靠性（“系统成功完成99%的规划路线”）等因素。开发数学模型以证明信任属性随时间得以维持。该研究直接基于RQ1中开发的正式安全属性，将其作为建模经过验证的系统行为如何促进用户信任的建立和维持的基础。

韧性验证：建立数学模型，以验证自动驾驶汽车系统即使在意外条件下（例如极端天气）也能保持安全和可信。这涉及对不确定性进行建模并证明系统鲁棒性。该研究基于RQ1中的安全形式化模型和RQ2中的信任模型，将其扩展到不确定性场景，以确保自动驾驶汽车系统在不可预见的情况下仍保持安全和可信。

本研究将采用Event-B形式化方法和ProB模型检查等数学技术。

将提供关于形式化语言及验证和模型检查工具使用的全面培训。

入学要求

优秀的本科学位（至少英国二等一级荣誉学位或同等国际学位）。我们寻求对系统验证的数学方法感兴趣的计算机科学或工程背景的候选人。理想候选人应具备编程技能，对逻辑和数学建模感兴趣，并对人机交互充满热情。我们特别欢迎对社会科学视角感到好奇并对分析技术系统中的社会信任动态感兴趣的学生。本研究横跨技术科学和社会科学，既需要分析思维，也需要理解技术采用中的人为因素。无需具备形式化方法经验，因为将提供全面培训，尤其鼓励兼具技术技能和社会科学兴趣的跨学科背景学生申请。

截止日期：2025年12月15日。申请将按收到顺序进行考虑，一旦确定合适人选，即视为职位已满。

资助：我们为英国和国际学生提供多种资助机会，包括助学金和奖学金。

如何申请

在线申请：搜索研究生课程（soton.ac.uk），选择课程类型（研究型）、2025/26年、工程与物理科学学院，下一页选择“计算机科学博士（全日制）”。在申请表的第2部分，您应填写导师姓名。

申请应包括：

研究计划

个人简历

两封推荐信

迄今为止的学位成绩单/证书

如需更多信息，请联系：feps-pgr-apply@soton.ac.uk

电子与计算机科学学院致力于促进平等、多样性和包容性，我们的雅典娜天鹅奖（Athena SWAN award）就是明证。我们欢迎所有申请人，不论其性别、种族、残疾、性取向或年龄，并将充分考虑寻求灵活工作模式和职业中断后重返职场的申请人。大学提供慷慨的产假政策、现场托儿设施，并提供一系列福利，以帮助确保员工的福祉和工作与生活的平衡。南安普顿大学致力于可持续发展，并荣获白金生态奖（Platinum EcoAward）。