Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/digitaler-knoten-4-0-auto-und-ampel-im-austausch-1906-141754.html    Veröffentlicht: 07.06.2019 11:59    Kurz-URL: https://glm.io/141754

Digitaler Knoten 4.0

Auto und Ampel im Austausch

Auf der Autobahn klappt das autonome Fahren schon recht gut. In der Stadt brauchen die Autos jedoch Unterstützung. In Braunschweig testet das DLR die Vernetzung von Autos und Infrastruktur, damit die autonom fahrenden Autos im fließenden Verkehr links abbiegen können.

"Nächste Ampel grün", sagt die Maschinenstimme. Wir sitzen in einem Audi und fahren auf den Tostmannplatz in Braunschweig zu. Zwar sitzt ein Fahrer im Auto. Doch seine Hände sind nicht am Lenkrad, die Füße nicht auf den Pedalen - das Auto fährt autonom, und es wird gleich autonom abbiegen. Vor dem Beifahrersitz ist ein Display mit einer digitalen Karte und dem Ampelstatus, der gerade auf Grün umgesprungen ist. Das Auto kann also links abbiegen.

Dabei werden wir die Kreuzung für uns haben. Denn die Ampel sortiert vor: in normale, manuell gesteuerte und in automatisierte Fahrzeuge. Jede Klasse bekommt eine eigene Ampelphase. Ziel dieser Vorsortierung sei, dass die automatisierten Fahrzeuge den gesamten Kreuzungsbereich für sich hätten und ungestört von manuell gesteuerten Fahrzeugen agierten, erklärt Felix Grün vom Institut für Regelungstechnik (IfR) der Technischen Universität Braunschweig Golem.de.

Die Ampel ist Teil des Projekts Digitaler Knoten 4.0, das vom Institut für Verkehrssystemtechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt koordiniert wurde. Die Vorführung am Tostmannplatz fand bei der Abschlussveranstaltung statt. Ziel ist, mit automatisierten Fahrzeugen sowie mit Kommunikation zwischen Verkehrsinfrastruktur und automatisierten Fahrzeugen (Vehicle-to-Infrastructure, V2I) sowie den Fahrzeugen untereinander (Vehicle-to-Vehicle, V2V, zusammengefasst: Vehicle-to-everything, V2X) den Verkehr effizienter zu machen. Die dafür nötige technische Referenzarchitektur sei in dem zweieinhalbjährigen Projekt entwickelt worden, sagt Projektleiter Robert Kaul Golem.de. "Über die Verkehrsinfrastruktur können wir auch Fußgänger, Fahrradfahrer und nicht automatisierte Fahrzeuge in diese Architektur einbinden."

Dazu wurden Ampeln am Tostmannplatz und der Kreuzung Rebenring/Hans-Sommer-Straße, der sogenannten Forschungskreuzung, mit diverser Technik ausgestattet: Die Ampeln bekamen verschiedene Kamerasysteme - normale und Stereokameras für das sichtbare Spektrum sowie das Infrarotkameras. Außerdem wurden sie für die Kommunikation über den WLAN-Standard 802.11p mit Road Side Units ausgestattet.

Schwieriger hat es das automatisierte Fahrzeug an der anderen Kreuzung, die zum Projekt gehört, der Forschungskreuzung Rebenring/Hans-Sommer-Straße: Dort muss es sich den Weg durch den Verkehr selbst suchen. Das heißt, es ordnet sich auf der Abbiegespur ein, fährt in die Kreuzung ein, stoppt, um den Gegenverkehr passieren zu lassen, und biegt schließlich ab.

Für solche Manöver brauchen die Autos ebenfalls einiges an Technik. Neben der ohnehin verbauten Sensorik wie dem Radar des Abstandsregeltempomaten setzen die Forscher ein Lidar ein, welches das Umfeld des Fahrzeugs abtastet und daraus eine Punktwolke erzeugt. Diese wird darauf analysiert, wo sich andere Verkehrsteilnehmer befinden.

Das übernehmen zwei Rechner im Kofferraum - nach Auskunft der Forscher normale Desktop-Computer. Sie werten die Punktwolke aus und erfassen darin fahrende Objekte, die auf dem Beifahrermonitor als blaue Boxen dargestellt werden. Für die Regelung wird eine spezielle Automotive-Hardware eingesetzt.

Für die Auswertung setzten sie konventionelle Algorithmen und keine Künstliche Intelligenz (KI) ein, sagt Christopher Plachetka vom Institut für Regelungstechnik (IfR) der Technischen Universität Braunschweig Golem.de, da diese schneller seien als KI-Algorithmen. In 45 Millisekunden verarbeiten sie die Rohdaten zu fahrenden Objekten.

Damit weiß das Fahrzeug aber erst, wo um es herum sich andere sich bewegende Objekte befinden. Das reicht, um nicht damit zu kollidieren, aber nicht für ein semantisches Verständnis des Verkehrs. Dafür muss das Auto wissen, mit welcher Art Objekt es zu tun hat.

Dazu werden zunächst Größe und Geschwindigkeit ausgewertet. Das übernehmen ebenfalls konventionelle Algorithmen und sind dabei recht gut: Ist das Objekt groß und schnell, ist es mit großer Wahrscheinlichkeit ein Auto, ist es klein und langsam, ein Fußgänger. Schwieriger wird es bei ähnlich großen Objekten, etwa Fahrrad- und Motorradfahrern. Fährt letzterer langsam, kann er mit ersterem verwechselt werden - was zu schwerwiegenden Fehlentscheidungen führen kann. KI-Algorithmen übernehmen deshalb die genaue Erkennung der Verkehrsteilnehmer.

Noch ist die Umfelderkennung aber nicht gut genug, um sie allein dem Fahrzeug zu überlassen. Gerade Ampeln sind zuweilen nur schwer zu erkennen.

Die Ampel sendet Nachrichten

Sie sind vergleichsweise klein, und je nach Lichtsituation ist nicht einfach zu unterscheiden, welches der drei Lichter gerade leuchtet. "Genau dafür kommunizieren wir mit der Infrastruktur: um uns die Ampelphasen von der Ampel direkt mitteilen zu lassen. Warum soll ich das erkennen, wenn es die Ampel selbst am besten weiß", sagt Plachetka.

Aber die vernetzte Ampel kann noch mehr: Sie kann dem Fahrzeug mitteilen, wann sie umschaltet. Dann kann das Auto seine Geschwindigkeit anpassen, um eine grüne Welle zu erwischen und Wartezeiten zu vermeiden. Zudem kann die Ampel dem Fahrzeug Verkehrsdaten übermitteln, etwa welche weiteren Verkehrsteilnehmer sich wo auf der Kreuzung befinden.

Die Informationen könnten auch von konventionellen Autos, die mit V2X-Systemen ausgestattet sind, empfangen werden. So könnte die Ampel zusätzlich darüber informieren, wann sie umschaltet (Time To Green und Time To Red) und bei welcher Geschwindigkeit das Auto die nächste Ampel in der Grünphase erreicht (Green Light Optimized Speed Advisory, Glosa). Diese Funktionen sind in Braunschweig aber aktuell nicht implementiert. Zudem gibt es erst wenige Autos, die mit V2X ausgerüstet sind.

Größer werden die Möglichkeiten für V2X aber für automatisierte Autos. "Das Problem bei den manuell gesteuerten Fahrzeugen ist, dass die Signale zwar empfangen können, aber das Fahrzeug weiß ja nicht, was der Fahrer tun wird", sagt Grün. "Die automatisierten Fahrzeuge können ihre Planung für die Zukunft schon mitteilen und sich dadurch austauschen, wo sie sich in Zukunft befinden werden oder sich gerne befinden würden und sich dann absprechen."

Deshalb auch die Vorsortierung am Tostmannplatz: Wenn nur automatisiert fahrende Fahrzeuge auf der Kreuzung sind, können sie sich untereinander koordinieren. So sollen mehr Fahrzeuge in einer Grünphase eine Kreuzung passieren - im Geradeausverkehr ebenso wie Linksabbieger.

"Sie kennen das vielleicht aus eigener Erfahrung, wenn Sie mit dem Auto links abbiegen und durch den Gegenverkehr fahren möchten: Dort haben Sie immer Lücken, die etwas zu klein sind, und Sie können nicht abbiegen. Da würden Sie sich wünschen, dass ein Fahrzeug etwas schneller fahren würde, ein anderes etwas langsamer", sagt Hannes Rewald, der bei Volkswagen (VW), einem der Projektpartner, im Bereich nachhaltige Mobilität arbeitet, Golem.de.

Automatisiert fahrende Fahrzeuge hingegen können sich gegenseitig ihre Position und Trajektorien mitteilen und so vorhandene Lücken im Gegenverkehr ausnutzen, die für menschliche Fahrer, die nicht wissen, was der jeweils andere vorhat, nicht nutzbar sind. So könnte die Effizienz an einer Kreuzung um rund zehn Prozent gesteigert werden.

Geradeausfahrer öffnen Lücken für Abbieger

Ein deutlich höherer Durchsatz soll sich aber erreichen lassen, wenn die Autos nicht nur miteinander kommunizieren, sondern sich abstimmen und kooperieren. "Das heißt, diese vielen ineffizienten Abstände werden etwas kleiner gemacht, und manche Fahrzeuge lassen absichtlich einen etwas größeren Abstand, der ausreicht, damit ein Fahrzeug sicher links abbiegen kann." So werde der Strom der geradeaus die Kreuzung passierenden Autos nicht beeinflusst. Für die Linksabbieger öffneten sich aber mehr Möglichkeiten, während einer Grünphase die Kreuzung zu passieren.

Verglichen mit konventionellem Verkehr könnte die Effizienz an einer Kreuzung durch dieses Kurzzeit-Platooning um ein Drittel bis die Hälfte gesteigert werden, haben Modellrechnungen ergeben, die Rewald und sein Kollege Florian Kranke erstellten.

Anlass für die Überlegungen der beiden VW-Mitarbeiter war eine gewisse Ernüchterung, die sich angesichts der realen Erfahrungen mit automatisiert fahrenden Autos eingestellt hat. Vor einigen Jahren habe Optimismus vorgeherrscht, dass der Verkehr durch diese sicherer werde, sagt Kranke. Doch in der Realität habe sich gezeigt, dass die Fahrzeuge liegenblieben, zu langsam fuhren oder den Verkehr blockierten. Grund sei, dass die automatischen Autos sich an Regeln hielten, die auf Sicherheit und Einhaltungen der Straßenverkehrsordnung ausgelegt seien. Die Effizienz hingegen sei ausgeblendet worden. Mit ihrem Projekt wollen die VW-Mitarbeiter dazu beitragen, diesen Aspekt mehr zu beachten.

Der Digitale Knoten ist dafür die Voraussetzung.

Grundlagen geschaffen

"Im digitalen Knoten haben wir zwei wesentliche Komponenten: Das eine ist die digitale intelligente Verkehrsinfrastruktur, das andere sind die autonomen vernetzen Fahrzeuge, die darauf fahren. Jetzt haben wir Kernfunktionen für beides entwickelt, die wir als Basis nutzen, um dann in Zukunft stärker Mobilitätslösungen und auch -dienstleistungen zu erforschen, mit denen der normale Bürger einen Mehrwert in seiner Mobilität hat", fasst Projektleiter Kaul zusammen.

Die Lösungen und Dienstleistungen müssen nicht unbedingt vom DLR kommen. Die im Projekt entwickelten und auf der Straße getesteten Architekturen und Konzepte stellt das DLR anderen zur Verfügung, damit diese damit weiterarbeiten können.

Sie könnten in der Zukunft zu einer ganz anderen Gestaltung des öffentlichen Raums führen, sagt Frank Köster, Abteilungsleiter Branchen (Automotive, Bahnsysteme, ÖPNV & Intermodalität, Verkehrsmanagement) im Braunschweiger DLR-Institut: Wenn alle Verkehrsteilnehmer inklusive Radfahrer und Fußgänger vernetzt seien, könnten Städte künftig möglicherweise auf physische Ampeln verzichten und die Verkehrsregelung digital repräsentieren. Der frei gewordene Raum könnte für das urbane Leben nutzbar gemacht werden. Die mit dem Digitalen Knoten 4.0 entwickelte Referenzarchitektur könnte eine erste Idee liefern, wie die entsprechenden IT-Systeme gestaltet sein könnten.  (wp)


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