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Technische und infrastrukturelle Herausforderungen des automatisierten Straßenverkehrs

Erstellt am: 09.06.2017 | Stand des Wissens: 28.12.2023
Synthesebericht gehört zu:

Mit steigender Automatisierungsstufe rückt die Rolle der Zuverlässigkeit technischer Komponenten und Software zunehmend in den Mittelpunkt. Da der oder die Fahrende immer mehr Fahrfunktionen abgibt, wird es umso wichtiger, dass alle Systeme zuverlässig funktionieren. An erster Stelle muss daher die Klärung und Realisierung sicherheitsrelevanter Aspekte stehen. Das Fahrzeug muss Gefahrensituationen nicht nur identifizieren können, sondern auch in der Lage sein, entsprechend auf diese zu reagieren beziehungsweise nach einer gewissen Vorwarnzeit die Kontrolle wieder an den Fahrenden abzugeben.
Kraftfahrzeuge sind bereits heute mit einer Vielzahl technischer Komponenten und Sensoren ausgestattet. Im Hinblick auf das hochautomatisierte Fahren sind jedoch die Entwicklung und Implementierung neuer Technologien notwendig. Während Standardaufgaben bereits von Fahrzeugen übernommen werden können, sind unter anderem Lösungen für den Umgang mit unvorhersehbaren Situationen notwendig, um eine schnelle Reaktion des Autos zu gewährleisten [RaAe12]. Auf technischer Ebene ist dabei auch zu klären, wie eine Übergabe der Fahraufgabe zurück an den Menschen erfolgt [Fraun15]. Der Mensch-Maschine-Schnittstelle kommt dementsprechend eine wichtige Rolle zu.
Ein Fahrzeug, welchem eine hochautomatisierte Aufgabe übergeben werden soll, muss in der Lage sein, die aktuelle Fahrsituation und Umgebung wahrzunehmen, diese zu verstehen und die daraus resultierende jeweilige Situation präzise abschätzen zu können [Fraun15]. In diesem Kontext sollte ein automatisiertes Fahrzeug über die folgenden Komponenten verfügen, um selbstständig Fahraufgaben zu übernehmen [RaAe12]:
  • Präzise Positionsbestimmung: Einhalten der Fahrspur, Wahrnehmung von Straßenmarkierungen
  • Digitale Karten: Beinhalten Informationen zu Landmarken
  • Umfelderfassung: Erfassen und Lokalisieren anderer Verkehrsteilnehmer
  • Fahrstrategie: Steuerung des Fahrzeugverhaltens, beispielsweise beim automatischen Überholvorgang langsamerer Fahrzeuge
Während auf Autobahnen aufgrund weniger komplexer Situationen eine mittelfristige Umsetzung vieler geplanter Maßnahmen realistisch erscheint, weisen städtische und ländliche Straßen einen höheren Komplexitätsgrad auf und erschweren somit eine Einführung.
Ähnlich einer Blackbox im Flugzeug sollen Fahrzeuge zudem mit Datenspeichern ausgestattet werden, um mögliche Schuldfragen und Unfallhergänge nachvollziehen zu können. Um Datenschutzbedenken abzuwenden, ist dabei angedacht, dass lediglich Unfallsituationen nachträglich analysiert werden können und keine durchgehende Überwachung erfolgt. Eine häufig thematisierte Herausforderung betrifft in diesem Zusammenhang auch die generelle Datensicherheit. Bewegungsdaten sollten anonym behandelt werden, um keine zusätzlichen Akzeptanzbarrieren beim Nutzenden aufzubauen. Verbunden mit den Daten, die gesammelt werden und relevant für die Fahraufgaben sind (beispielsweise die Spurhaltung), erfolgt die Speicherung bestimmter Informationen wie Uhrzeiten, Geschwindigkeiten und Positionen [Fraun15]. Unerlässlich sind dabei gemeinschaftlich ausgearbeitete Regeln zum Umgang mit diesen Daten, da auch die fortschrittlichste Technologie nicht tragbar ist, wenn die Nutzenden ihre Daten als gefährdet ansehen [BMBF15; VöPf16].
Als technische Herausforderung kann daher die Umsetzung eines zuverlässigen Schutzes sensibler Daten angesehen werden. Dabei stellt jedoch nicht nur der bloße Zugriff auf sensible Daten ein Risiko dar. Niedrige Sicherheitsbarrieren und unzureichend geschützte Systeme könnten Dritten Zugriff auf die Software und somit beispielsweise auf ein fahrendes Auto ermöglichen. Manipulationen sind dabei unter anderem durch Eingriffe auf die Fahrzeugverriegelung, die Betätigung der Blinker bis hin zu Geschwindigkeitsänderungen oder Bremsvorgängen möglich. Ohne ausreichende Schutzmechanismen könnten Fahrzeuge buchstäblich ferngesteuert werden.
Verbunden mit der steigenden Anzahl an technischen Komponenten sind außerdem die anfallenden Kosten nicht zu unterschätzen. Es müssen Lösungen gefunden werden, Software und Technik kostengünstig umzusetzen. Eine enge Zusammenarbeit von Automobilindustrie und der Informations- und Kommunikationsbranche ist dabei anzustreben.
Anpassungen sind jedoch nicht nur auf der Fahrzeugebene, sondern auch hinsichtlich der bestehenden Infrastruktur notwendig. In Abhängigkeit der Automatisierungsstufe bestehen unterschiedliche infrastrukturelle Herausforderungen. Zu diesen zählen unter anderem Veränderungen und Anpassungen von Straßen, Verkehrszeichen, Ampeln und Verkehrsleitsystemen, aber auch hochleistungsfähige flächendeckend ausgebaute Mobilfunknetze (5G Netz). Vor allem die digitale Informations- sowie Kommunikationsinfrastruktur nehmen somit verstärkt einen relevanten Faktor ein [VöPf16].

Während Autobahnen bereits zum Teil als Testfelder für Fahrzeuge der Automatisierungsstufe 4 dienen, stellen innerstädtische Straßen größere Herausforderungen dar. Insgesamt sind lediglich einige wenige Testfelder auf deutschen Straßen bisher mit entsprechender Sensorik implementiert, der Großteil der bestehenden Infrastruktur ist noch nicht optimal an die zunehmenden Automatisierungsvorhaben angepasst. Straßen und Verkehrszeichen müssen somit zunehmend mit intelligenten Kommunikationssystemen ausgestattet werden [VöPf16].
Unerlässlich ist somit auch der Aufbau einer weitreichenden Kommunikationsinfrastruktur, um das Fahrzeug mit seiner Umwelt zu vernetzen. Dabei bezeichnet Car-to-X einerseits die Kommunikation zwischen Fahrzeugen (Car-to-Car) sowie andererseits eines Fahrzeugs zu der umgebenden Infrastruktur wie Ampeln und Verkehrsleitsystemen (Car-to-infrastructure) [VDA15]. Mit Hilfe dieser Möglichkeit Informationen zu übermitteln, erlangt das Fahrzeug verstärkt Echtzeitinformationen und kann somit seine Umwelt besser wahrnehmen. Realisiert wird diese Vernetzung über drahtlose lokale Netze (wireless local area network: WLAN) und Mobilfunknetzte [BMVI15r]. Je mehr Fahrzeuge dazu in der Lage sind, eine Car-to-Car-Kommunikationen zu bieten, desto mehr positive Effekte werden spürbar, wie ein sinkendes Unfallrisiko [Fraun15]. Darüber hinaus muss ebenso die Interaktion und Kommunikation mit Zufußgehenden und/oder Radfahrenden geklärt werden. Es bedarf somit eines Konzepts, das ganzheitlich alle Verkehrsteilnehmenden berücksichtigt.
Der Ausbau der Infrastruktur ist dabei mit einem hohen Kostenaufwand verbunden. Investitionen, die die Einführung neuartiger Technik betreffen, müssen kritisch abgewogen und auf ihre Wirtschaftlichkeit und Vorteile hin geprüft werden.
Ziel sollte es sein, eine vertrauensvolle Fahrumgebung zu schaffen, in der sich Nutzende sicher bewegen können. Auf dem Weg zum autonomen Fahren trägt der sich stufenweise erhöhende Automatisierungsgrad dazu bei, die Akzeptanz bei den Konsumenten zu gewährleisten, da diese sich Stück für Stück an die Neuerungen gewöhnen können [Lemm16a].
Ansprechpartner
Institut für Mobilitäts- und Stadtplanung, Universität Duisburg-Essen, Prof. Dr.-Ing. Dirk Wittowsky
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Zuverlässigkeit und Sicherheit des automatisierten Straßenverkehrs (Stand des Wissens: 06.10.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?471810
Literatur
[BMBF15] Bundesministerium für Bildung und Forschung (Hrsg.) Mein Auto kann mehr / Forschung für das autonome elektrische Fahren, Druck-und Verlagshaus Zarbock GmbH & Co. KG, Frankfurt am Main, 2017/03
[BMVI15r] Bundesministerium für Digitales und Verkehr (Hrsg.) Strategie automatisiertes und vernetztes Fahren -
Leitanbieter bleiben, Leitmarkt werden, Regelbetrieb einleiten, 2015/09
[Fraun15] Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation, Andrej Caclio, Florian Hermann, Oliver Sawade, Hannes Doderer, Volker Scholz Hochautomatisiertes Fahren auf Autobahnen - Industriepolitische Schlussfolgerungen, 2015/11/18
[Lemm16a] Karsten Lemmer Neue autoMobilität / Automatisierter Straßenverkehr der Zukunft (acatech STUDIE), Herbert Utz Verlag München, 2016, ISBN/ISSN ISBN 978-3-8316-4503-9
[RaAe12] Sebastian Rauch, Michael Aeberhard, Michael Ardelt, Nico Käpchen Autonomes Fahren auf der Autobahn - Eine Potentialstudie für zukünftige Fahrerassistenzsysteme, 2012
[VDA15] Verband der Automobilindustrie (Hrsg.) Automatisierung - Von Fahrerassistenzsystemen zum automatisierten Fahren, 2015/09
[VöPf16] Christine Völzow, Peter Pfleger, Benedikt Rüchardt Automatisiertes Fahren - Infrastruktur, München, 2016/05
Weiterführende Literatur
[AGFo] Runder Tisch Automatisiertes Fahren Bericht zum Forschungsbedarf
Runder Tisch Automatisiertes Fahren, 2015/07/31
Glossar
WLAN
Als Wireless Local Area Network (WLAN, deutsch: drahtloses lokales Netzwerk) wird ein lokales Funknetz und dessen verschiedene Techniken und Standards bezeichnet.
Car-to-Infrastructure-Kommunikation Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Infrastruktureinrichtungen wie Funkbaken oder Lichtsignalanlagen auf Basis von Funknetzen
Car-to-X zusammenfassender Begriff für Technologien, die Fahrzeug-zu-Fahrzeug- (Car-to-Car) und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation (Car-to-Infrastructure) ermöglichen.
Car-to-Car-Kommunikation direkter Informationsaustausch zwischen fahrenden Fahrzeugen auf Basis von Funknetzen
5G Als 5G wird die fünfte Generation von Mobilfunknetzen nach LTE (4G), UMTS (3G), GSM (2G) und dem analogen Mobilfunknetz bezeichnet, an der gegenwärtig geforscht wird. Innerhalb dieser Netze werden Mobilfunkgeräte innerhalb einer Funkzelle direkt miteinander kommunizieren und so die jeweilige Basisstation entlasten.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?471427

Gedruckt am Dienstag, 25. Juni 2024 15:22:52