Zukünftige Verkehrssysteme sind digitalisiert, vernetzt und automatisiert.

 

Prof. Dr. Frank Köster, Dr. Nadine Fritz-Drobeck, Bernhard Fehr

Aktuell besteht die Chance, unsere Verkehrssysteme grundlegend zu verändern. Treiber hierfür kommen aus unterschiedlichen Bereichen – Digitalisierung, Vernetzung und Automatisierung ermöglichen zum Beispiel Verbesserungen in den Bereichen Sicherheit, Effizienz sowie Komfort im Verkehr und bilden zudem die Grundlage für neue Geschäftsmodelle mit hohem Kundennutzen. Möglichkeiten und Risiken in diesem Feld zu erkennen, wird den Ausbau und die Sicherung von Innovationsleistung und Wirtschaftsfähigkeit in großem Maße beeinflussen.

 

„Die Einführung automatisierter Systeme wird sukzessive erfolgen und bezüglich des Funktionsumfangs und der Wirkbereiche in mehreren Schritten eingeführt werden.“

 

Etablierte Bausteine unserer Verkehrssysteme werden durch den aktuellen Trend zur Digitalisierung und Vernetzung zu Bausteinen des „Internet of Things“ (IoT). Durch die voranschreitende Automatisierung zentraler Prozesse innerhalb der Verkehrssysteme, zum Beispiel die automatisierte, datenbasierte Adaption von Verkehrsmanagementstrategien und automatisierte Fahrzeuge für individuelle oder kollektive Mobilität (MIV = motorisierter Individualverkehr bzw. ÖV = öffentlicher Verkehr), entstehen neue Assets, die sich sehr gut in serviceorientierte Prozesslandschaften und Dienste-Ökosysteme integrieren lassen. Die hieraus entstehenden Verbesserungspotenziale wirken im Straßenverkehr beispielsweise in den Bereichen:

Reduktion der Anzahl kritischer Ereignisse – Eine weitere Erhöhung der Sicherheit im Verkehr wird durch die Automatisierung von Straßenfahrzeugen ermöglicht.

Verbesserung des Verkehrsflusses – Positiv wirkt hier unter anderem, dass durch Digitalisierung und Vernetzungstechnologien der Aufbau kooperativer Systemverbünde aus zum Beispiel Verkehrsinfrastruktur, Hintergrundsystemen und automatisierten Fahrzeugen mit sehr guten Zugängen zur Gesamtsystemoptimierung möglich wird.

Effiziente Handhabung geplanter und ungeplanter Vorfälle – Sondersituationen und geplante wie auch ungeplante Ereignisse im Verkehrssystem (zum Beispiel Sondersignalfahrzeuge, Baustellen und Unfälle) können im kooperativen Systemverbund aus Verkehrsinfrastruktur und Fahrzeugen effizient und sicher koordiniert werden.

Verringerung des Drucks auf Umwelt und Fahrer beziehungsweise Nutzer – Effizienzsteigerungen helfen bei der Reduktion negativer Umweltwirkungen durch den Straßenverkehr. Ebenfalls können Nutzer durch smarte Systeme bei Planung, Durchführung und Nachbereitung ihrer Wege(-ketten) unterstützt und entlastet werden.

Neuorganisation von (Verkehrs-)Räumen – Vermeidung statischer Fahrspuren und bedarfsgerechtes Management der Verkehrsräume. Unter anderem auch zur Gewinnung von mehr Raum für E-Bikes, Fahrräder und (E-)Car-Sharing-Flotten sowie unversiegelten Flächen in grüneren Städten. Dies kann sich auch auf regulatorischer Ebene auswirken, sodass zukünftig Mindestabstände zwischen fahrenden Fahrzeugen verringert werden dürfen (Förderung von Platooning).

Neuartige Kooperationen und Schnittstellendesigns – Verschiedene Unternehmen aus ganz unterschiedlichen Bereichen werden das Leben beherrschen, speziell im Bereich E-Mobilität (zum Beispiel einheitliche Nutzungsstruktur, neue Antriebstechnologien und Leichtbau).

Neuartige Geschäftsmodelle – Grundlagen für neue Geschäftsmodelle mit hohem Kundennutzen werden geschaffen.

Eine Fokussierung des Bereichs der Geschäftsmodelle zeigt, dass hier neue Zusammenhänge umsetzbar werden, die im Kern nicht mehr nur auf dem Fahrzeugverkauf, fahrzeugnahen Finanzierungs- und After-Sales-Angeboten sowie unmittelbaren Mobilitäts- oder Transportleistungen basieren. Zukünftige Modelle werden darüber hinaus berücksichtigen, dass während einer automatisierten Fahrt auch digitaler Content konsumiert (gegebenenfalls auch mit einem Ortsbezug oder Bezug zu einem Event in der jeweiligen Umgebung) oder Einkäufe vorbereitet oder auch physisch durchgeführt werden können.

Auch die Betrachtung eines automatisierten und vernetzten Fahrzeugs als rollender Sensor führt zu neuen Ideen in der Finanzierung von Mobilität und des Transports von Gütern. Die dabei gesammelten Daten können beispielsweise für das Management des Verkehrs, die Instandhaltung von Infrastruktur (→ zustandsbasierte Instandhaltung) sowie die Produktverbesserung/-entwicklung in den Bereichen Mobilität/Gütertransport genutzt werden. Sie stellen einen immer weiter wachsenden Wert dar.

 

 

1. Automatisiertes Fahren – Automati­sie­rung ist nicht gleich Automatisierung

Automatisierte Fahrzeuge spielen für die Nutzung der oben skizzierten Potenziale eine wichtige Rolle. Zu berücksichtigen ist hierbei jedoch, dass verschiedene der genannten Funktionalitäten und hierauf aufbauende Geschäftsmodelle durchaus hohe Anforderungen an die Fahrzeugautomatisierung stellen (zum Beispiel fahrerlose automatisierte Fahrzeuge).
Die Einführung automatisierter Systeme wird sukzessive erfolgen und bezüglich des Funktionsumfangs und der Wirkbereiche in mehreren Schritten eingeführt werden.

Bei der Automatisierung von Fahrzeugen können sechs Stufen unterschieden werden:

  • Systeme der Stufen 0 bis 2 sind bereits im Markt – Beispiel für eine teilautomatisierte Funktion (Stufe 2) ist das Lane Keeping in Kombination mit einem fortschrittlichen „Adaptive Cruise Control“ (ACC). Hierbei wird ein funktional eingeschränktes Spektrum der Quer- und Längsregelung durch das Fahrzeug übernommen, wobei der Fahrer das System beobachtet und im Fehlerfall sowie beim Überschreiten der Funktionsgrenzen oder Verlassen des Wirkbereichs unmittelbar eingreifen muss – das heißt, der Fahrer bleibt in die Fahrzeugführung eingebunden.
  • Ab Stufe 3 kann der Fahrer den Control-Loop verlassen und sich Nebenaufgaben zuwenden – zum Beispiel im Internet surfen, einen Video-Stream anschauen oder E-Mails verfassen. Sollte das Fahrzeug die Fahraufgabe nicht mehr handhaben können, wird der Fahrer angemessen wieder in die Fahraufgabe integriert.
  • Ab Stufe 4 wird es für den Fahrer umfassend möglich sein, die Fahraufgabe zu verlassen – Interaktionen mit dem Fahrzeug, die zur Umsetzung der unmittelbaren Fahraufgabe wichtig sind, werden nicht mehr oder nur in Ausnahmefällen notwendig sein.
  • Mit Stufe 5 sind auch fahrerlose Fahrten abbildbar, welche die Grundlage für zahlreiche innovative Mobilitätsangebote darstellen, wie zum Beispiel Robo-Taxen oder automatisierte öffentliche Verkehrsangebote.

 

 

 

Mit hoher Sicherheit werden allerdings gerade Automatisierungslösungen, beginnend auf dem Niveau von Stufe 3, nicht in einem Schritt vollumfänglich im Verkehrssystem verfügbar sein und dabei alle verkehrlichen Situationen abdecken. Geplant werden aktuell zum Beispiel Fahrzeuge, die Autobahnfahren auf Niveau von Stufe 3 umsetzen oder ÖV-Shuttle, die in eingeschränkten verkehrlichen Räumen fahren können, wie zum Beispiel auf ausgewählten oder speziell geplanten Routen in Innenstädten.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) erbringt im Bereich der Fahrzeugautomatisierung im Institut für Verkehrssystemtechnik insbesondere Forschungs- und Entwicklungsleistung in den Bereichen:

Ortung / Positionsbestimmung
Umfelderfassung und -interpretation basierend auf unterschiedlichen, sich ergänzenden Sensortechnologien, wie zum Beispiel Radar-, Lidar- und (Stereo-)Kamerasystemen
Sensordatenfusion, Aufbau von Umgebungsmodellen / Aufbau präziser Karten
Manöverplanung und Ausführung sowie Online-Absicherung
Mensch/Maschine-Interaktion und Human Factors
Einbettung ins Verkehrssystem und Interaktion mit anderen Verkehrsteilnehmern
Test und Freigabe mit unterschiedlichen Methoden (beginnend in der Simulation bis hin zu Feldtests im öffentlichen Raum)

 

Vernetzung von Fahrzeugen, Verkehrsinfrastrukturen und Hintergrundsystemen

Für das sichere automatisierte Fahren ist eine kontinuierliche und insbesondere flächendeckende Vernetzung mit anderen Fahrzeugen oder von Fahrzeugen und der Verkehrsinfrastruktur nicht zwingend erforderlich. Über eine solche Vernetzung können allerdings signifikante Effizienz- und Komfortverbesserungen erzielt werden, sodass eine begleitende Einführung zur Automatisierung sinnvoll ist.

In diesem Zusammenhang stehen aktuell verschiedene Technologien zur Verfügung (zum Beispiel aktuelle Mobilfunk-Technologien und deren Weiterentwicklungen in Richtung 5G, ITS-G5 als WiFi-basierter Ansatz sowie satellitenbasierte Kommunikationstechnologien), die ergänzend zueinander eingeführt werden können.

Ebenfalls sind bereits verschiedene Standardisierungsaktivitäten gestartet (zum Beispiel beim Europäischen Institut für Telekommunikationsnormen ETSI oder der OCIT Developer Group ODG). Auf dieser Grundlage können zukünftig kooperative Fahrzeugfunktionen aufgebaut werden, sodass innerhalb einer markenübergreifenden Flotte oder im Zusammenspiel mit der Verkehrsinfrastruktur zum Beispiel auch Manöver mit großer Vorausschau geplant und umgesetzt werden können (unter anderem kooperative Spurwechsel und kooperativ koordinierte Verkehrsknoten).

Dabei spielen nicht nur die Digitalisierung der Fahrzeuge und Verkehrsinfrastruktur eine wichtige Rolle, sondern es sind auch Hintergrundsysteme relevant, die (Echtzeit-)Informationen aus verschiedenen Quellen (beispielsweise Verkehrslage und -prognose, Wetterlage und -prognose, Fußgängerströme, kommunale Kataster, Geoinformationen) serverseitig integrieren, diese intelligent aufbereiten und sowohl Fahrzeugen als auch dem Verkehrsmanagement zur Verfügung stellen können.

Im Kontext der Forschung und Entwicklung kooperativer Systeme werden am DLR-Institut für Verkehrssystemtechnik an den Standorten Braunschweig und Berlin verschiedene Themen integriert analysiert und weiterentwickelt. Hierzu zählen:

  • Systemische Betrachtung des Zusammenspiels verschiedener Kommunikationstechnologien, wie zum Beispiel Weiterentwicklungen aktueller Mobilfunktechnologien, WiFi-Technologien oder der Satellitenkommunikation
  • Flottenseitige Lösungen versus infrastrukturbasierte Lösungen
  • Big Data, Fast Data, Datenanalyse mit intelligenten und automatisierten Verfahren (insbesondere Akzentuierung von Informationsverarbeitung mit Data Mining und künstlicher Intelligenz)
  • Zentralisierte versus dezentrale Analyse-, Planungs- und Kontrollverfahren
  • Präzisierung und Etablierung von Kooperationsstufen und Beispielfunktionen
  • Test und Freigabe kooperativer Funktionen
  • Intelligente Verkehrsinfrastruktur

 

3. Hintergrundsysteme

Unabhängig davon, ob eine Reise mit der Bahn, dem Pkw, dem Fahrrad oder zu Fuß angetreten wird, existiert bereits heute ein breites Angebot an Daten und Diensten in Hintergrundsystemen beziehungsweise IKT-Plattformen (IKT = Informations- und Kommunikationstechnologien). Diese unterstützen Nutzer und Reisende bei der Reiseplanung, on trip und bei der rückblickenden Bewertung einer Reise. Solche Plattformen sowie die von ihnen verarbeiteten Daten und Dienste sind zentrale Bausteine moderner Mobilitätsangebote und intelligenter Transportsysteme. Beispielsweise wird hierüber möglich:

  • jeweils aktuelle Verkehrsinformationen und Sonderereignisse bei der Schätzung von Reisezeiten zu berücksichtigen;
  • Anpassungen bereits durchgeführter Planungen automatisiert zu initiieren und umzusetzen, die sich zum Beispiel aufgrund einer verzögerten Abreise ergeben;
  • Ladepunkte für Elektrofahrzeuge bei Bedarf und unter Berücksichtigung der Gesamtreisekette passend in eine Route einzufügen.

Wenn gebündelte Mobilitätsangebote „aus einer Hand“ oder einem Anbieterverbund kommen, funktioniert dies für multimodale Reiseketten bereits heute. Lösungen, die barriere- und diskriminierungsfrei dem Kunden gebündelte Mobilitätsangebote unterschiedlicher Anbieter aufzeigen, sind aktuell in Vorbereitung und werden auch komfortable E-Ticketing-Lösungen einschließen.

Zukünftig können auch automatisierte und vernetzte Fahrzeuge sowie People-Mover im Bereich des öffentlichen Verkehrs in solche Angebote integriert werden. Hieraus ergibt sich ein weitaus höherer Grad an Individualisierung bis hin zu umfassenden Tür-zu-Tür-Angeboten auf der Basis innovativer Fahrzeugkonzepte für den öffentlichen Verkehr.

In IKT-Plattformen hinterlassen Nutzer umfassende digitale Fußspuren, die sich nicht nur auf eine aktuell geplante oder durchgeführte Reise beziehen, sondern weitergehende Informationen zu Person und Reiseaktivitäten in der Vergangenheit oder der Zukunft mit einschließen. Im Allgemeinen werden ebenso Daten zur Zufriedenheit mit einem Angebot und zur weiteren Lebenssituation eines Nutzers erhoben. Eine Verschneidung mit ergänzenden Daten aus sozialen Netzwerken oder anderen zusätzlichen Datenquellen ist ein Weg zur Anreicherung und Präzisierung der Daten eines Nutzers.

Die Akzeptanz einer umfassenden, auf persönlichen Daten beruhenden Mobilitätsberatung hängt entscheidend vom sensiblen Umgang des Dienstleisters mit den erhobenen Daten ab. Für diesen sind die Daten zudem ein Ansatzpunkt für allgemeine Angebots- und Produktverbesserungen. Hierzu können große Datenbestände zum Beispiel mit Methoden des Data Mining beziehungsweise der künstlichen Intelligenz (KI) automatisiert analysiert und aggregiert werden, um schnell auf Nutzerbedürfnisse zu reagieren oder proaktiv das Interesse an vorhandenen oder neu vorgeschlagenen Angeboten bei Nutzern zu stimulieren.

Auch an anderen Stellen fallen im Verkehrssystem zukünftig große Datenmengen neuer Qualität an – zum Beispiel aufgrund verschiedener Initiativen zur Digitalisierung der Verkehrsinfrastruktur und der zunehmenden Grade an Vernetzung und Automatisierung im Bereich der Fahrzeuge (→ vernetzte und automatisierte Fahrzeuge im Sinne rollender Sensorplattformen). Diese bieten neue Ansatzpunkte für eine intelligente, datenbasierte Verkehrsbeeinflussung/-steuerung. Darüber hinaus ist das Thema der Sektorenkoppelung mithilfe von IKT-Plattformen sehr gut abbildbar – zum Beispiel für ein integriertes Verkehrs- und Energiemanagement, wie es unter anderem im Kontext der Elektromobilität notwendig wird und am DLR prototypisch in einem Forschungsprojekt getestet wird.

Gerade die Elektromobilität auf Basis regenerativer Energien kann sich zu einem zentralen Bestandteil eines smarten und ressourcenschonenden urbanen Lebens entwickeln. Zusätzlich ist ein intelligentes Netzmanagement über flexible Speicher gefordert. Die Zauberformel der Zukunft könnte lauten: „Vehicle to Grid“. Das heißt, die Fahrzeuge werden selbst zu Energiespeichern. Elektrisch angetriebene Fahrzeuge werden so zu „Cross-Innovations“.

4. Digitalisierung des Verkehrssystems

Digitalisierung des Verkehrssystems bedeutet nicht nur die (informations-)technische Integration von Rechenkapazität und Kommunikationstechnologien in eine heute bereits bestehende Verkehrsinfrastruktur. Es bestehen zudem Möglichkeiten, etablierte Verkehrsinfrastrukturen und das damit verbundene Straßenmobiliar digital zu repräsentieren. Auch Verkehrsräume lassen sich digital abbilden.

Dies ist der Schlüssel zu einer flexiblen und bedarfsgerechten Nutzung von Räumen, sodass für Spitzenlasten ausgelegte Verkehrsinfrastrukturen deutlich schlanker umgesetzt werden können. Hierdurch entstehen zum Beispiel Potenziale zur Steigerung der Attraktivität urbaner Räume, die Zerschneidung von Quartieren kann reduziert und attraktive Elemente urbaner Strukturen und urbanen Lebens können in den Mittelpunkt gerückt werden.

Ergänzend kann in strukturschwachen Regionen die Grundversorgung mit Mobilitäts- und Transportlösungen mit intelligenten Angeboten aufrechterhalten werden. Dem digitalisierten Verkehrssystem soll auch hier der Mensch als Maßstab zugrunde liegen, wie sich das auch in den aktuellen Stadt- und Raumplanungsparadigmen widerspiegelt.

 

Kernaussagen
Das wichtigste Ziel des digitalen Verkehrssystems: Eine grüne, smarte, nutzerfreundliche, zuverlässige und systemische Mobilität von morgen. Das bedeutet unter anderem ein umweltoptimiertes Verkehrsmanagement mit effizienteren und alternativen Antrieben sowie Mobilitäts- und Fahrzeugkonzepten.

Die Zukunft besteht aus hoch automatisiertem und automatischem Fahren mit inter- beziehungsweise multimodalen Transportketten. Diese sind nutzerzentriert, bedarfsgerecht, aber auch barrierefrei sowie komfortabel und bezahlbar. Die Fahrzeuge müssen den höchsten Sicherheitsanforderungen entsprechen und hochverfügbar sein.

Die Vernetzung der Fahrzeuge sowie die Vernetzung der Fahrzeuge und Infrastruktur sind wesentliche Bausteine für ein digitales Verkehrssystem.

 

5. Testfelder für automatisiertes und vernetztes Fahren sowie für innovative Mobilitätskonzepte

Die Anzahl der zukünftig zu beherrschenden Einzeltechnologien ist groß – Digitalisierung, Vernetzung und Automatisierung –, und bereits die Einführung automatisierter und vernetzter Straßenfahrzeuge ist ein ambitioniertes Vorhaben: Über Laserscanner, Radare, Kameras etc. werden die Fahrzeuge „sehen“ können. Sie werden ihre Position stets hinreichend genau kennen und diese mit adäquaten digitalen Karten zusammenführen.

Mittels verschiedener Kommunikationstechnologien werden sie mit Hintergrundsystemen und perspektivisch auch mit der Verkehrsinfrastruktur sowie untereinander Daten austauschen. Komplexe Algorithmen werden ihnen das Verstehen ihrer Umwelt wie auch das zielgerichtete (unter Umständen auch kooperative) Planen von Handlungen ermöglichen, sodass sie sich sicher, energieeffizient und für ihre Nutzer komfortabel in das Gesamtverkehrssystem einfügen.

Entsprechend hoch ist der Bedarf an Instrumenten zum entwicklungsbegleitenden Testen und zur Fahrzeugerprobung. Zudem ist die effiziente Anwendung dieser Werkzeuge ein wichtiges Thema. Seit 2009 arbeitet das DLR intensiv in diesem Bereich, wobei mit der 2014 voll in Betrieb genommenen „Anwendungsplattform für Intelligente Mobilität“ (AIM) ein wichtiger Meilenstein mit Fokus auf den urbanen Raum erreicht wurde. AIM ermöglicht mit Bezug zum automatisierten und vernetzten Fahren umfassende simulationsbasierte beziehungsweise simulationsgestützte Erprobungen von Teilfunktionen sowie Gesamtfahrzeugen.

Systeme und Tests können ausgehend hiervon sukzessive mit mehr Realität konfrontiert werden – bis hin zu Erprobungsschritten im öffentlichen Raum der Stadt Braunschweig. Hier steht eine digitale Infrastruktur zur Verfügung, um die Vernetzung mit anderen Fahrzeugen, der Verkehrsinfrastruktur und Hintergrundsystemen des Verkehrsmanagements unter Praxisbedingungen zu erproben. Mit dem Testfeld Niedersachsen, dessen Aufbau ebenfalls gemeinsam durch das Land Niedersachsen und das DLR finanziert wird, werden die bestehenden Möglichkeiten von AIM weiter ausgebaut und insbesondere auf Autobahnen, Bundes- und Landstraßen erweitert.

 

Das Testfeld Niedersachsen

 

Das Testfeld Niedersachsen wird im Vollausbau circa 280 Streckenkilometer auf Autobahnen und Bundes-/Landstraßen in der durch die Städte Hannover, Braunschweig, Wolfsburg und Hildesheim aufgespannten Gebietskulisse umfassen.

Dabei wird das Grundkonzept von AIM fortgeschrieben, sodass unter anderem simulationsbasierte Werkzeuge, Prüfstände, Prüfgelände und Tests im öffentlichen Raum in durchgängige Werkzeugketten integriert werden können. Dies ermöglicht eine umfassende Fahrzeugerprobung und eine integrierte Nutzung von AIM und Testfeld Niedersachsen.

Die zentralen Elemente des Testfeldes Niedersachsen sind:

  • Erfassung von Fahrzeugen und weiteren Objekten im Verkehrsraum mit Kamerasystemen. In diesem Zusammenhang wird auf einem circa 7 Kilometer langen Abschnitt der A39 eine festinstallierte Lösung für einen ganzjährigen 24/7-Betrieb installiert. Mit mobilen Anlagen können im restlichen Testfeld gezielt Kampagnen in jeweils relevanten Verkehrssituationen durchgeführt werden.
  • Kommunikationstechnik in Form von ITS-G5 (WiFi 802.11p) und LTE zur Demonstration und Erprobung vernetzter Fahrzeugfunktionen wird genutzt.
  • Hochgenaue Karten werden zur Nutzung in Fahrzeugen, verschiedenen Prüfständen und Simulationen angeboten.
  • Szenarien und Modelle werden durch das Testfeld Niedersachsen bereitgestellt, um simulationsbasierte Umgebungen schnell mit einer Basisfunktionalität instanziieren zu können.
  • Schnittstellen zur vorhandenen Signal-/Erfassungstechnik im Feld sowie zu den Systemen des Verkehrsmanagements werden implementiert.

 

Hintergrundsysteme für Daten / Dienste sowie zum Betrieb eines speziellen Katasters zur Dokumentation des Testfeldzustands werden aufgebaut. //

 

 

Die Autoren

 

 

Aufmacherbild / Quelle

Peter Nguyen-128476 Unsplash

 

Der Text ist unter der Lizenz CC BY-SA 3.0 DE verfügbar.
Lizenzbestimmungen:
https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/

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