Analyse und Entwicklung von Fahrerwarn- und -informationssystemen mit dem Programmsystem PELOPS

Dr.-Ing. Almut Hochstädter
Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen Aachen

Dipl.-Ing. Dirk Neunzig
Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Michael Weilkes
Institut für Kraftfahrwesen Aachen (ika)

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Assistenzsysteme zur Fahrerwarnung und -information
Das Programmsystem PELOPS
Analyse und Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen
Literatur

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Assistenzsysteme zur Fahrerwarnung und -information

Die rasante Entwicklung von Informations- und Kommunikationstechnologie führte in den vergangenen Jahren zur Erforschung und Entwicklung neuartiger Fahrzeug- und Verkehrssysteme. Diese Systeme, die häufig unter dem Begriff Telematik zusammengefaßt werden, ermöglichen in Zukunft vollständig neue Konzepte zur Lösung der mit dem Verkehr verbundenen Probleme. Ein Gruppe dieser Systeme, die Fahrerwarn- und Informationssysteme, können in Zukunft ganz erheblich zur Verbesserung der Fahrsicherheit und des Fahrkomforts beitragen. Die Art der Fahrerassistenz durch diese Systeme kann dabei auf unterschiedlichste Weise erfolgen. Die erste Gruppe der Assistenzsysteme arbeitet fahrzeugautonom, benötigt also keinerlei Informationsinfrastruktur (s. Abb. 1) Das Fahrzeug sammelt und verarbeitet alle erforderlichen Daten selbständig. Zur Gruppe der fahrzeugautonomen Assistenzsysteme gehört beispielsweise der 'intelligente Tempomat' (ACC-Adaptive Cruise Control). Ein ACC-System ermittelt den Abstand und die Differenzgeschwindigkeit zum vorausfahrenden Fahrzeug und berechnet dann mit Hilfe der eigenen Geschwindigkeit einen sicheren Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug. Dieser sichere Abstand wird dann durch elektronischen Eingriff in das Gas- bzw. Bremspedal eingeregelt. Die zweite Gruppe der Assistenzsysteme benötigt dagegen Infrastrukturdaten, um den Fahrer geeignet zu unterstützen. Zu dieser Gruppe gehören Systeme wie die Notfallwarnung, statische und dynamische Routenführung oder auch die Verkehrsflußregelung.

Abb 1: Assistenzsysteme

Die Entwicklung von Assistenzsystemen zur Fahrerwarnung und -information ist hochkomplex und muß alle Systemkomponenten, von der Datenerfassung durch geeignete Sensoren über die Auswertung und Verarbeitung der Meßdaten bis hin zur Einbeziehung des Fahrers, berücksichtigen (s. Abb. 2) Neben der Optimierung der Systemkomponenten muß gleichzeitig untersucht werden, wie sich der Einsatz des Assistenzsystems auf die benachbarten Fahrzeuge bzw. den Gesamtverkehr auswirkt. Dieser ganzheitliche Ansatz erfordert neuartige Entwicklungs- und Anlaysewerkzeuge. Ein derartiges Werkzeug muß das Fahrzeug sowie das Assistenzsystem detailliert abbilden können und gleichzeitig das Verkehrsumfeld (d.h. Fahrverhalten, Streckentopographie, Beschilderung etc.) abbilden können. Mit dem Programmsystem PELOPS steht dieses Werkzeug zur Verfügung [DIE95].



Abb. 2: Fahrerassistenzsysteme

Das Programmsystem PELOPS

Das Simulationssystem PELOPS wurde am Institut für Kraftfahrwesen Aachen (ika) in Kooperation mit der BMW AG entwickelt. Es stellt eine Kombination fahrzeug- und verkehrstechnischer Modelle dar, deren Vorteil in der Möglichkeit besteht, alle Wechselwirkungen berücksichtigen zu können, die zwischen Fahrer, Fahrzeug und Verkehr stattfinden (s. Abb. 3) Den Kern des Programms bilden die drei wesentlichen Elemente des Verkehrssystems - Strecke/Umwelt, Fahrer und Fahrzeug. Mit ihnen kann PELOPS den Verkehr und das Fahrzeug in skalierbarer Auflösung simulieren. In einer modularen Programmstruktur wurden die genannten Elemente modelliert, aufwendig validiert und durch Schnittstellen abgegrenzt (s. Abb. 5 u. 6) [LUD97]. Das umfassende Streckenmodell erlaubt bei Bedarf eine detaillierte Beschreibung der Einflüsse einer stationären Verkehrsumgebung. Mit der Vorgabe streckenabhängiger Umweltparameter ist diese Verkehrsumgebung durch Parameter wie Nässe, Glätte etc. erweiterbar.


Abb. 3: Simulationstool PELOPS

Die Abbildung des Verkehrselementes Fahrer ist in ein Verhaltensmodell und in ein Handlungsmodell gegliedert. Im Verhaltensmodell werden die Parameter der lokalen Fahrstrategie wie Geschwindigkeits- und Spurwahl bestimmt. Das Handlungsmodell setzt die Kenngrößen der lokalen Fahrstrategie in fahrzeugseitige Stellgrößen wie Gaspedalstellung, Gangstellung etc. um. Im Fahrzeugmodell werden diese Stellgrößen in dynamische Fahrzeuggrößen umgewandelt. Die Modellierung des Fahrzeugs ist durch einen hohen Detaillierungsgrad geprägt. Die einzelnen Elemente des Antriebsstranges wie Motor, Getriebe (Schalt oder Automatik), Retarder etc. können in einer hohen Genauigkeit abgebildet werden.

Da das Fahrzeug nach dem Ursache-Wirkungs-Prinzip abgebildet ist [DAV92], lassen sich auch die Einflüsse regelungstechnischer Einrichtungen (beispielsweise Abstandshaltesysteme, elektronisches Gaspedal und Bremse, etc.) untersuchen (s. Abb. 4) In Kombination mit dem PELOPS-Fahrermodell können zudem die Fahrerreaktionen auf straßen- oder fahrzeugseitige Warnsysteme untersucht werden [LUD95]. Die Zielrichtung der Untersuchungen umfaßt sowohl fahrzeugbezogene Auswirkungen (Kraftstoffverbrauch oder Emissionen) als auch Auswirkungen auf die Verkehrsumgebung über makroskopische Kenngrößen wie Streckendurchsatz, Unfallraten und dynamische Effekte von Fahrzeugkolonnen (s. Abb. 7).



Abb. 4: PELOPS Fahrzeugmodell



Abb. 5: Validierung der Szenarien




Abb. 6: Validierung Autobahn



Abb. 7: Einsatzspektrum von PELOPS

Analyse und Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen

Die Simulation ist eine geeignete Methode, mit deren Hilfe schon in der frühen Entwicklungsphase von Assistenzsystemen Aussagen über deren Eigenschaften, Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit getroffen werden können. Dies soll anhand des Assistenzsystems 'intelligenter Tempomat' (ACC) und des Warnsystems COMPANION dargestellt werden. Im wesentlichen sollen drei Fragestellungen aus laufenden Forschungsvorhaben am Institut für Kraftfahrwesen beispielhaft erläutert werden:

1. In welcher Art beeinflußt die Auslegung des ?intelligenten Tempomaten" den Kraftstoffverbrauch und den Verkehrsdurchsatz im Stadtverkehr ?
2. Kann durch geeignete Fahrerwarnung mit dem COMPANION-System die Verkehrssicherheit erhöht werden ?
3. Wie kann durch den Einsatz eines ?intelligenten Tempomaten" die Stauauflösung auf Autobahnen optimiert werden ?

Einfluß der Auslegung eines 'intelligenten Tempomaten' (ACC) auf den Kraftstoffverbrauch und den Verkehrsdurchsatz im Stadtverkehr

Die Entwicklung von ACC-Systemen ist ein komplexer Vorgang, bei dem unterschiedliche, zum Teil konträre Auslegungskriterien zu berücksichtigen sind. Beispielsweise kann der ACC-Regler derart abgestimmt werden, daß er sehr schnell und exakt auf Sollwertänderungen reagiert. Ein weiteres Optimierungskriterium ist die Erzielung des bestmöglichen Fahrkomforts und der höchsten Akzeptanz durch den Fahrer. Hierbei sollte das menschliche Fahrverhalten nachgebildet werden, ohne 'Schwächen' des Fahrers (Unaufmerksamkeit, langsame Reaktion etc.) zu übernehmen. Eine besonders schnelle und exakte Reglercharakteristik führt dagegen meist zu einem sehr harten und damit unkomfortablen Regelvorgang, der vom Fahrer meist nicht akzeptiert wird.

Beide Reglergrundtypen wurden im Programmsystem PELOPS implementiert und eingehend untersucht (Regler A = Komfortregler; Regler B = Exaktregler). Dazu wurde ein Simulationsszenario aufgebaut, bei dem ein ACC-Fahrzeug einem Führungsfahrzeug folgt, das einen im Stadtverkehr gemessenen Zyklus nachfährt (s. Abb. 8) Als Sollgröße wird den Reglern eine Zeitlücke von 1,2 Sekunden vorgegeben.



Abb. 8: Aachen-Stadt-Zyklus für den Vergleich von Stadt-ACC-Konzepten

Es zeigte sich, daß die Auslegung des Exaktreglers B zu einer stärkeren Dynamik des Fahrtverlaufs im Vergleich zum Führungsfahrzeug führt. Diese Charakteristik kann im Motorkennfeld im Vergleich zum Komfortregler A durch eine insgesamt höhere Motorlast und durch eine stärkere Streuung der Betriebspunkte beobachtet werden. Daraus resultiert eine Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs für das Testszenario um 8 % bei Einsatz des Reglers B (s. Abb. 9)


Abb. 9: Motorbetriebspunkte und Kraftstoffverbrauch von Stadt-ACC-Konzepten

Neben dem höheren Kraftstoffverbrauch wirkt sich die Charakteristik von Regler B gleichfalls negativ auf den Verkehrsdurchsatz aus. Hierzu wurde ein Simulationsszenario gewählt, bei dem der Verkehrsfluß einer hochbelasteten Stadtstraße mit drei aufeinanderfolgenden ampelgesteuerten Kreuzungen abgebildet wird [LUD97]. Im Vergleich zum Ausgangszustand ohne ACC-Einsatz ('Basis') erhöht die Ausrüstung aller Fahrzeuge mit dem Komfortregler B sowohl die Durchschnittsgeschwindigkeit als auch den Durchsatz erheblich (s. Abb. 10) Die Regelcharakteristik A führt dagegen aufgrund des Aufschwingens der Fahrzeugkolonne zu einem drastischen Einbruch der Durchschnittsgeschwindigkeit .


Abb. 10: Stadt-ACC: Verkehrsdurchsatz

Erhöhung der Verkehrssicherheit auf Autobahnen durch das Warnsystem COMPANION

COMPANION ist ein straßenseitiges Fahrerwarnsystem, daß z.Zt. in Kooperation zwischen dem Freistaat Bayern und der BMW AG auf der A92 nördlich von München getestet wird. Bei einem Unfall warnt COMPANION die Fahrer vor der Unfallstelle durch blinkende Baken (s. Abb. 11) Diese Baken sind in einem Abstand von 50 Metern installiert. Die Fahrerreaktion auf die blinkenden Baken wurde in PELOPS implementiert und der Teststreckenabschnitt der A92 detailliert abgebildet. Für das Simulationsszenario wird die rechte Fahrspur der zweispurigen Richtungsfahrbahn blockiert. Analysiert werden die Fahrlinien (d.h. der Verlauf der Fahrzeugpositionen über der Zeit) eines Fahrzeugpulks, der auf die Unfallstelle zufährt.


Abb. 11: COMPANION

Durch den Einsatz von COMPANION wird das Geschwindigkeitsniveau verringert und der Verkehrsablauf deutlich gleichmäßiger und damit weniger dynamisch. Durch den Abbau der Differenzgeschwindigkeiten zwischen den Fahrzeugen und der vorsichtigeren Fahrweise wird die Unfallwahrscheinlichkeit deutlich verringert (s. Abb. 12).

Ohne COMPANION:

Mit COMPANION:

Abb. 12: Analyse COMPANION

Optimierung der Stauauflösung auf Autobahnen durch den Einsatz eines 'intelligenten Tempomaten' (ACC)

Die Auflösung eines Staus auf der Autobahn erfolgt meist sehr schleppend, da die einzelnen Fahrer nach Beseitigen der Störung nur langsam und mit erheblicher Totzeit beschleunigen. Dabei ergibt sich i.A. eine Stauauflösungsgeschwindigkeit von 15 km/h. Diese Größe konnte mit Hilfe einer PELOPS-Simulation reproduziert werden.

Die Auflösung eines Staus kann beschleunigt werden, wenn das Verhalten der einzelnen Fahrzeuge optimiert wird. Hierzu bietet sich der Einsatz eines ACC-Reglers an. Dieser kann einerseits der Situation angepaßt beschleunigen und andererseits die Totzeit vor Beschleunigungsbeginn verringern. Mit Hilfe der Simulation konnte nachgewiesen werden, daß bei Ausrüstung aller Fahrzeuge mit einem für diese Aufgabe optimierten ACC-Regler die Auflösungsgeschwindigkeit eines Staus mehr als verdoppelt wird (s. Abb. 13)



Abb. 13: Stauauflösung mit und ohne ACC

Literatur

[DAV92] DAVID, W.
Modulares Simulationsprogramm zur Auslegung und längsdynamischen Untersuchung von Kfz-Antriebssystemen
Dissertation am Institut für Kraftfahrwesen der RWTH Aachen, 1992

[DIE95] DIEKAMP, R.
Entwicklung eines fahrzeugorientierten Verkehrssimulationsprogramms
Dissertation am Institut für Kraftfahrwesen der RWTH Aachen, 1995

[LUD95] LUDMANN, J., WEILKES, M.
Entwicklung, Analyse und Bewertung von Prometheus Konzepten unter besonderer Berücksichtigung von Autonomous Intelligent Cruise Control mittels Simulation, Abschlußbericht Eureka Verbundprojekt
Institut für Kraftfahrwesen der RWTH Aachen, 1995

[LUD97] LUDMANN, J., NEUNZIG, D.,WEILKES, M.
Traffic Simulation with Consideration of Driver Models, Theory and Examples
Vehicle Systems Dynamics, 27 (1997), pp. 491-516, Swets & Zeitlinger 1997