Safety in Highly Automated Off-Road Mobile Machinery

Abstract

Euroopan unioni (EU) on maailman johtava koneteollisuuden toimija ja pyrkii ylläpitämään vahvaa turvallisuustasoaan noudattamalla konedirektiivin (Machine Directive, MD) asettamia olennaisia terveys- ja turvallisuusvaatimuksia (Essential health and safety requirements, EHSR). Työtapaturmat ovat kuitenkin edelleen merkittävä huolenaihe. Vuonna 2021 EU:ssa raportoitiin 3 347 kuolemaan johtanutta ja 2,88 miljoonaa ei-kuolemaan johtanutta työtapaturmaa. Suurimpia tapaturmien aiheuttajia ja samalla koneisiin eniten tukeutuvia aloja olivat rakennus-, maa- ja metsätalous. Uusien digitaalisten teknologioiden integrointi, joka mahdollistaa korkeamman automaatiotason maastoajoneuvoissa, voi lisätä tapaturmien määrää tuomalla mukanaan uusia riskejä. Esimerkiksi pitkälle automatisoitu rakennuskone voi tulkita irtomateriaalikasan virheellisesti vakaana alustana, mikä voi johtaa kaatumiseen tai törmäykseen toisen laitteen kanssa. Vaikka maastossa käytettävien työkoneiden automaatioon liittyviä huolenaiheita käsitellään laajentamalla EHSR-vaatimuksen soveltamisalaa tulevassa koneasetuksessa (Machinery Regulation, MR), koneturvallisuusstandardit – jotka ohjaavat valmistajia EHSR-vaatimusten noudattamisessa – eivät riitä käsittelemään pitkälle automatisoitujen maastossa käytettävien työkoneiden turvallisuuden varmistamiseen liittyviä monimutkaisia haasteita. Tämä luo haasteita valmistajille, jotka haluavat tuoda tällaisia koneita Euroopan talousalueen markkinoille. Tämän väitöskirjan tavoitteena on kolme keskeistä asiaa: syventää ymmärrystä siitä, missä, milloin ja miten automaatio ylittää koneturvallisuusohjeiden ja ESHR- vaatimuksen kattavuuden; arvioida tulevien lainsäädäntömuutosten, erityisesti konedirektiivistä (MD) koneasetukseen (MR) siirtymisen, vaikutuksia; sekä tunnistaa reittejä, joiden kautta pitkälle automatisoidut maastossa käytettävät työkoneet voivat täyttää EHSR-vaatimukset. Väitöskirjassa tunnistetaan kuusi keskeistä aluetta, joissa maastoajoneuvojen automaatio aiheuttaa haasteita vaatimustenmukaisuudelle: a) ajonaikaiset viat, b) algoritmivirheet, c) monimutkaiset arkkitehtuurimallit, d) dataohjautuvat tarkoitetut käyttäytymismallit, e) integroinnin laatu ja f) muodollisen verifioinnin rajoitteet. Väitöskirja korostaa epävarmuuksia, jotka liittyvät pitkälle automatisoitujen maastossa käytettävien työkoneiden käyttöönottoon, jossa uudet digitaaliset teknologiat lisäävät automaation tasoa mutta samalla asettavat kasvavan vastuun koneelle tehdä turvallisuuskriittisiä päätöksiä. Työssä ehdotetaan turvallisuus-päättelymoduulin (SRM) integroimista kompensoimaan ihmisen suoran hallinnan puutetta tällaisissa koneissa. Moduulin suunnittelu perustuu muiden alojen kokemuksiin sekä EHSR-vaatimuksen muutosten arviointiin konedirektiivistä (MD) koneasetukseen (MR) siirtymisen yhteydessä. Performance Level d (PL<SUB>d</SUB>) -tason turvallisuuspäättelymoduulin (Safety Reasoning Module, SRM) teknisten suunnitteluvaatimusten arviointi osoittaa, että kun korkea riskin pienentämisen taso on tarpeen ja ihmiset ovat yhä keskeinen osa prosessia (eli ihmisiä ei voida täysin poistaa vaaratilanteista), syntyy merkittäviä kompromisseja laitteiston, ohjelmiston ja inhimillisten tekijöiden välillä. Tämä voi edellyttää uudelleenarviointia siitä, onko tavoiteltu automaatiotaso ylipäätään tarkoituksenmukainen, ottaen huomioon SRM-moduulin nykyiset rajoitteet. Väitöskirja luo perustan nykyisten turvallisuusstandardien puutteiden ymmärtämiselle ja tarjoaa näkemyksiä valmistajille, poliittisille päättäjille ja standardointiorganisaatioille. Työssä tutkitaan automaation vaikutuksia käyttäjien rooleihin, turvallisuuskäytäntöihin ja suunnittelustandardeihin ja suositellaan SRM-moduulien integroimista riskien hallitsemiseksi pitkälle automatisoiduissa maastossa käytettävissä työkoneissa. Se rohkaisee valmistajia ottamaan SRM-moduulit osaksi turvallisuusjärjestelmää, jotta pitkälle automatisoiduista maastoajoneuvoista voidaan tehdä turvallisempia. Siitä huolimatta alan, viranomaisten ja tutkijoiden jatkuva yhteistyö on olennaista, jotta pitkälle automatisoitujen maastossa käytettävien työkoneiden turvallisuuden varmistamiseen liittyviin jatkuviin haasteisiin voidaan vastata.

The European Union (EU) is a global leader in machinery manufacturing and aims to maintain its strong safety record through compliance with the essential health and safety requirements (EHSR) under the Machinery Directive (MD). However, workplace accidents remain a significant concern. In 2021, the EU reported 3.347 fatal and 2.88 million non-fatal workplace accidents, with sectors such as construction, agriculture, and forestry being among the largest contributors and most reliant on machinery.

The integration of new digital technologies, enabling higher levels of automation in off-road mobile machinery, is anticipated to increase the number of accidents by introducing new risks. For instance, a highly automated construction machine could misinterpret a pile of loose debris as stable ground, leading to a rollover or a collision with other equipment. While concerns regarding the automation of off-road mobile machinery are being addressed through the expanded scope of the EHSR in the forthcoming Machinery Regulation (MR), machine safety standards—which guide manufacturers in complying with the EHSR—fall short in addressing the complexities of ensuring safety for highly automated off-road mobile machinery. This creates a gap for manufacturers aiming to market such machinery within the European Economic Area.

The objective of this dissertation is threefold: to enhance the understanding of where, when, and how automation exceeds the scope of machine safety guidelines and EHSR; to evaluate the implications of forthcoming legislative changes, particularly the transition from the MD to the MR; and to identify pathways towards compliance with the EHSR for highly automated off-road mobile machinery. This dissertation identifies six key areas where the automation of off-road mobile machinery presents challenges for compliance: a) run-time failures, b) algorithmic failures, c) convoluted architectural design patterns, d) data-driven intended behaviours, e) quality of integration, and f) limitations in formal verification. This dissertation highlights the uncertainties surrounding the deployment of highly automated off- road mobile machinery, where new digital technologies enable greater automation but also place increased responsibility on the machine’s ability to make safety-critical decisions. The dissertation proposes the integration of a Safety Reasoning Module (SRM) to compensate for the loss of direct human control in such machinery, its design based on lessons learned from related domains and an evaluation of EHSR changes arising from the transition from the MD to the MR. An evaluation of the technical design requirements for a Performance Level d (PL<SUB>d</SUB>) SRM reveals that when high levels of risk reduction are required and humans remain integral to the process (i.e., humans cannot be entirely removed from hazards), significant trade-offs arise between hardware, software, and human factors. This may require reconsidering whether the desired level of automation is appropriate, given the limitations of the SRM that can currently be developed.

The dissertation provides a foundational understanding of the safety gaps in current safety standards and offers insights for manufacturers, policymakers, and standards organisations. The dissertation explores the implications of automation on operator roles, safety practices, and design standards, advocating for the integration of SRMs to address and mitigate risks with highly automated off-road mobile machinery. It encourages manufacturers that the adoption of SRMs into the safety system can support safer highly automated off-road mobile machinery. That being said, on-going collaboration between industry, regulators, and researchers remains essential to address the continued challenges of ensuring safety in highly automated off-road mobile machinery.