Wie der Verkehr in der Stadt durch Vernetzung effizienter und sicherer gestaltet werden kann

Stuttgart – Der digitale Wandel, zunehmende Urbanisierung und Automatisierung sowie die Notwendigkeit zu höherer Energieeffizienz und Klimaschutz sind aktuelle Herausforderungen für den Mobilitätssektor. Mit dem dreijährigen Forschungsprojekt LUKAS (Akronym für „Lokales Umfeldmodell für das kooperative, automatisierte Fahren in komplexen Verkehrssituationen“) erforschen Bosch, InMach, IT-Designers, Mercedes-Benz, Nokia und die Universitäten Ulm und Duisburg-Essen, wie die Verkehrseffizienz und Sicherheit im zukünftigen Mischverkehr urbaner Verkehrsräume gesteigert werden können. Dabei spielt die zuverlässige Kommunikation zwischen automatisierten und nicht-automatisierten Verkehrsteilnehmern sowie der Infrastruktur eine tragende Rolle. Gefördert wurde dieses Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des Fachprogramms für neue Fahrzeug- und Systemtechnologien mit 5,2 Millionen Euro.

Mehr Sicherheit und Effizienz durch Datennutzung aus dem lokalen Umfeld

Um eine Steigerung der Verkehrseffizienz und -sicherheit im zukünftigen Mischverkehr urbaner Verkehrsräume zu erreichen, nutzt das Forschungsprojekt LUKAS alle im lokalen Umfeld verfügbaren Informationen, beispielsweise von Infrastruktursensoren, vernetzten Pkw und Nutzkraftwagen, aber auch von mobilen Geräten wie Smartphones von Fußgängern oder Radfahrern. Dieses Konzept liefert anonymisierte Daten von Verkehrsteilnehmern und stationären Objekten. Sie umfassen zum Beispiel Position, Ausmaße, gegebenenfalls Fahrgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung. Die vorverarbeiteten Sensorinformationen werden an einen so genannten Edge-Server, einen Server, der direkt an das 5G-Netz in der Nähe des Kreuzungsbereiches angeschlossen ist und eine Datenübertragung mit minimalen Verzögerungszeiten ermöglicht, weitergegeben.

Ein Fusionsalgorithmus des Edge-Servers ist in der Lage, ein umfassendes Modell der lokalen Umgebung zu erstellen und darauf aufbauend Manöver für vernetzte Verkehrsteilnehmer zu planen. Objektinformationen des Server-Umfeldmodells werden an sie zurückgespielt. Damit erweitert sich der Überblick um Bereiche, die die Verkehrsteilnehmer selbst nicht erfassen können. „Der Edge-Server berechnet unter anderem mit Methoden der künstlichen Intelligenz ein optimiertes, kooperatives Manöver und übermittelt Handlungsanweisungen an die vernetzten Verkehrsteilnehmer.

Mit diesem Ansatz ist es möglich, die Gesamt-Energie-Effizienz einer Verkehrsszene und die Sicherheit insbesondere verletzlicher Verkehrsteilnehmer zu erhöhen

erklärt Dr. Rüdiger Walter Henn, Leiter des „LUKAS“-Projekts beim Konsortialführer Bosch.

LUKAS-Pilotanlange in Ulm-Lehr

Die Erprobung fand im öffentlichen Raum statt: Dafür nutzte das Konsortium eine von der Stadt Ulm unterstützte und von der Universität Ulm betriebene Pilotanlage im Stadtteil Lehr. Es handelt sich dabei um eine Kreuzung mit abbiegender Vorfahrtsstraße und einmündender Nebenstraße. Aufgrund der dortigen Bebauung besteht eine Sichtverdeckung auf die Vorfahrtsstraße, was diese Straßensituation besonders für den Realverkehr interessant macht. „Diese Anlage bietet uns hervorragende Möglichkeiten, die erforschten und entwickelten Ansätze direkt im realen Verkehr zu erproben und damit sehr schnell eine Aussage über deren Praxistauglichkeit zu machen“, erläutert Priv.-Doz. Dr.-Ing. Michael Buchholz, Leiter der Forschungsgruppen Elektromobilität und Vernetztes Fahren/Vernetzte Infrastruktur des Instituts für Mess-, Regel- und Mikrotechnik der Universität Ulm, der die Pilotanlage verantwortet.

Im Kreuzungsbereich sind die Laternenmasten mit Video-, Lidar- und Radar-Sensoren ausgestattet, um den laufenden Verkehr zu detektieren und zu klassifizieren. Die Objektinformationen – Personen und Fahrzeuge sind aus Datenschutzgründen nicht identifizierbar – werden über ein 5G-Netz des Partners Nokia an den Edge-Server gesendet. Dieser beherbergt das globale Umfeldmodell, verschiedene untersuchte Varianten der kooperativen Manöverplanung sowie ein Warn-Modul für Fußgänger und Radfahrer.

Sicherer und effizienter unterwegs dank Vernetzung

Zur Darstellung von kooperativen Anwendungsfällen im Mischverkehr bringen Bosch, Mercedes-Benz und die Universität Ulm vernetzte und zum Teil automatisierte Pkw ein. InMach stellt einen vernetzten Prototyp einer Kehrmaschine. Spezielle Smartphone-Apps der IT-Designers GmbH und Nokia ermöglichen die Vernetzung von Fußgängern und Radfahrern mit dem Edge-Server. Für die simulative Unterstützung der Verkehrsszenen erhebt IT-Designers Daten mit einer Video-Drohne. Die Universität Duisburg-Essen unterstützt das Projekt mit Verkehrsfluss-Simulationen.

In allen getesteten Anwendungsfällen konnte der Nutzen des LUKAS-Ansatzes im Sinne der Erhöhung der Verkehrseffizienz und -sicherheit verifiziert werden. Simulative Ergebnisse von KI-basierten Planungsalgorithmen lassen eine signifikante Erhöhung des Verkehrsflusses erwarten. Untersuchungen des Partners Mercedes-Benz zeigen eine deutliche Reduktion des Verbrauchs sowie eine Verkürzung der Durchfahrzeiten im Kreuzungsbereich im Vergleich zu konventionellen Fahrten. Vorbeifahrten an stehenden Fahrzeugen und die Straßenüberquerung verletzlicher Verkehrsteilnehmer werden in unübersichtlichen Bereichen abgesichert, indem der Gegenverkehr für ein kooperatives Verhalten verzögert wird. Die Verkehrsteilnehmer erkennen dank der neuen Technik und der kooperativen Szenenplanung frühzeitig, mit welcher Fahrstrategie sie sich sicher und effizient verhalten können.

Mit den Ergebnissen des LUKAS Projektes konnten die Konsortialpartner aufschlussreiche Erfahrungen bezüglich des vernetzten, kooperativen Fahrens sammeln und diese in die Entwicklung neuer Produkte einfließen lassen. Der von LUKAS entwickelte Ansatz kann dazu beitragen, das automatisierte Fahren im städtischen Mischverkehr effizienter und für alle Verkehrsteilnehmer sicherer zu gestalten.