Fahrerüberwachungsautomaten. und autonome Systeme:

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1 Fahrerüberwachungsautomaten und autonome Systeme: Anwendung kognitiv technischer Systeme Dirk Söffker und Elmar Ahle Kontakt: Web: Lehrstuhl Steuerung, Regelung und Systemdynamik Universität Duisburg-Essen

2 Gliederung Motivation Modellbildung: Situation-Operator-Modell Konzeption und Funktion eines SOMbasierten Überwachungsautomaten Konzeption und Realisierung eines SOMbasierten mobilen Roboters Zusammenfassung und Ausblick 1

3 Motivation Ca. 3% aller Verkehrsunfälle mit Personenschaden durch Überholvorgänge [ Über Verletzte und Getötete (2003) [statistisches Bundesamt 2004] 2

4 Anforderungen an Überwachungsautomaten Modellierung der komplexen Szene Überwachung der Handlungen des Fahrers bei variabler Zielvorgabe Systematischer, modularer und ganzheitlicher Ansatz Gesamtkonzeption erweiterbar Überwachungsautomat konzeptionell beherrschbar Im Fehlerfall erfolgt Warnung an den Fahrer Zentrale Idee / Notwendige Schritte zur Konzeption Auswahl geeigneter Daten zur Beschreibung eines Überholvorgangs Repräsentation eines Überholvorgangs als Situation-Operator-Modell 3

5 Qualitative Modellbildung I (strukturvariabler Systeme) Situation: Der Begriff Situation beschreibt einen festen Problemzusammenhang und grenzt damit ein System nach innen und außen ab. Die Situation besteht aus einer inneren Struktur, welche durch Merkmale (C) und die sie bildenden Zusammenhänge (r) in geeigneter Weise beschrieben werden kann. Die Situation kann z.b. graphisch illustriert werden. C 1 C 1 C 1 r 2 r 2 r 1 C 2 C 2 r 1 C 2 r 3 r 3 C 3 C 3 C 3 r 4 r 4 C 4 C 4 C 4 (Söffker, 1998f, 2001, 2003) 4

6 Qualitative Modellbildung II (strukturvariabler Systeme) Operator: Operatoren repräsentieren qualitative Zusammenhänge in der realen Welt. Derartige Zusammenhänge können konstitutiv (innerhalb von Situationen) oder aktiv (zur Beschreibung von Änderungen / Handlungen) sein. Operatoren bilden damit auch die Kernelemente menschlichen Wissens, als mentale Elemente im Kontext des Konstruktes mentaler Modelle ab. Die Funktionalität eines Operators wird als Ausgang (F), als 'Eingänge' werden explizite und implizite Voraussetzungen zur Realisierung von F(eA, ia) angenommen. ia 1 : Funktion / (Charakteristic) ea 1 : Voraussetzung ea 2 ea 3 O C F 1 ea x ia x C : Explizite Voraussetzung : Implizite Voraussetzung : Kommentar (Söffker, 1998f, 2001, 2003) 5

7 Qualitative Modellbildung III (strukturvariable Systeme Kognitive Systeme z.b. MMS) A 1 A 2 A 2 A 2 O O 1 O O B 1 O 2 O 3 B 2 O 3 O B 2 2 O 4 O 3 O 2 O 3 O 2 B 1 R 1 D 1 D 2 D 2 C 2 D 2 C 2 R 1 ' R 2 ' R 2 Start S 1 Ziel S 2 'Ist' S 2 : S 1, (O 3, O 2, O 4 ) 'Soll' Beschreibungsform auf Basis von angenommenen Zusammenhängen der Welt Notwendig: - Modellwissen > Menschen > 'Regler' - Steuerbarkeit - Beobachtbarkeit 6

8 Qualitative Modellbildung IV (strukturvariable Systeme Kognitive Systeme MMS) Auseinandersetzung mit der Umwelt Mentales Modell Planen Zahlreiche Arbeiten (SRM, U Wuppertal): - Klassifikation menschlicher Fehler, Menschliches Lernen (bei Computerspielern), Rekonstruktion mentaler Modelle aus Interviews, Unfallrekonstruktion (BirgenAir Flugzeugabsturz), Typisierung von Fehlentscheidungen von Gruppen, (> Diplomarbeiten SRM, U Wuppertal; Habilitation Söffker 2001) 7 Vorwegnahme der Interaktionen liefert Verhaltensweisen innere Prozesse liefert mentale Konstrukte

9 Situation-Operator-Modell (SOM) Annahmen Die Innenstrukturierung komplexer Zusammenhänge lässt sich mit Hilfe des Situationsbegriffs beschreiben. Änderungen in der realen Welt lassen sich als Folge zeitlich fixierter Ausschnitte beschreiben. Die Änderungen sowie die strukturierten Situationen sind miteinander verknüpft. Situation-Operator Modell (SOM): [Söffker 2001] (baut auf Situationsbegriff von McCarthy 1963 auf) 8

10 Situation-Operator-Modell (SOM) Situation (Modell einer Szene) Anfangssituation Endsituation Merkmale A i, B i, C i, A f Verknüpfungen r 1, r 2, r 3, r 4 Durch Operator veränderbar r 1 A i Operator A f r 3 Operator (Modell einer Aktion) Funktion als Ausgang C i B i B f r 4 r 2 r 2 C i C f Explizite und implizite Voraussetzungen als Eingang [Söffker 2001] 9

11 Strukturierung der Komplexität der Interaktion 10

12 Konzeption des Überwachungsautomaten 11

13 Sensorebene des Überwachungsautomaten Erfassung der Szene und der Aktion durch Sensorsysteme 12

14 Verarbeitungsebene des Automaten Beschreibung der Situation als Merkmalsvektor Auswahl des Operators Basisoperatorbibliothek Auswahl des Metaoperators Metaoperatorbibliothek 13

15 Komplexitätsreduktion: Abbildung der Verkehrssituation Der Merkmalsvektor Merkmalsvektor bildet Szene als Situation ab Hier: Feste Merkmalsstruktur Änderung der Parameter während eines Überholvorgangs Bestimmung der Parameter nach Verkehrssituation Das SOM als Repräsentationsebene realisiert eine Komplexitätsreduktion und realisiert eine technische Szenenwahrnehmung 14

16 Beispiel für die Merkmalsextaktion Ermittlung der Informationen der komplexen Szene durch geeignete Sensorik Verarbeitung mehrerer Sensordaten durch Algorithmen, Fuzzy-Logik Abbildung der komplexen Szene durch Merkmalsvektor als Situation 15

17 Abbildung der Handlung/Aktion des Fahrers Basisoperatoren Blinken links Blinken rechts Blinker zurücksetzen Nach links Ausscheren Nach rechts Ausscheren Fahren Beschleunigen Verzögern Bremsen... 16

18 Beispiel eines Basisoperators Voraussetzungen Funktion Ein Parameter oder mehrere Parameter für das Merkmal möglich Direkte Änderung des Parameters eines Merkmals Änderung von anderen Parametern möglich 17

19 Abbildung der Handlungsweise des Fahrers Bildung des Metaoperators Sequenz von Basisoperatoren Metaoperatoren Normaler Spurwechsel nach rechts/links Schneller Spurwechsel nach rechts/links Langsamer Spurwechsel nach rechts/links Schnelles Vorbeifahren Langsames Vorbeifahren... 18

20 Beispiel eines Metaoperators Voraussetzungen und Funktion ergeben sich aus Basisoperatoren 19

21 Analyseebene des Überwachungsautomaten Überprüfung nach Voraussetzungen Überprüfung nach Ziel Zieltransformation Überprüfung nach Fehler SOM-basierte Darstellung der Fehlhandlungsstruktur 20

22 Beispiel einer Sequenz Szene Situation Aktueller Operator 21

23 Funktionsweise des Überwachungsautomaten Szene Operatoren Operatoren nach Voraussetzungen nach Ziel - Blinker Blinken Fahren links - Verzögern zurücksetzen rechts Nach Verzögern Fahren links - Bremsen - Bremsen Beschleunigen Ausscheren Verzögern Situation - Verzögern Bremsen - Bremsen 1. Nach Beschleunigen Blinker Fahren Blinken links links 2. Verzögern Fahren Ausscheren zurücksetzen 2. Verzögern Blinker 3. Blinken Bremsen 3. Bremsen zurücksetzen rechts 3. Verzögern 4. Verzögern 4. Bremsen 5. Bremsen Ziel Schnell vorankommen 22

24 Autonomer Roboter (Ziel: situative, flexible, zielgerichtete Interaktion mit unbekannten Umwelten) Sensoren Videokamera Aktoren Räder/Motoren Greifer Laserscanner Sonarsensoren 23

25 (SRS: Ahle, Olle 2005) Erfahrungen werden in einer Datenbank gespeichert Client ist bekannt, ob gerade ein Operator ausgeführt wird Auswahl und Senden von Operatoren im Lern- oder Planungsmodul Client fordert die vorgefilterte Situation ständig an Client/Server-Struktur: Implementierung 24

26 Realisierung der flexiblen, zielorientierten und situativen Interaktion I (SRS: Ahle, Olle 2005) 25

27 Realisierung der flexiblen, zielorientierten und situativen Interaktion II (SRS: Ahle, Olle 2005) 26

28 Realization Test in lab environment 27 SOM-approach scenes actual situation desired situation [Ahle und Söffker 2005] actual situation desired situation

29 Zusammenfassung Modellierung der komplexen Szenerie i) Umgebung eines fahrenden Fahrzeugs ii) unbekannte Umgebung durch SOM Konzept eines Überwachungsautomaten - Abbildung der Verkehrssituation durch Merkmalsvektor - Abbildungen der Handlungen durch Operatoren - Fehlverhalten durch Analyse der Operatoren - Meldung alternativer Handlungen > Warnhinweis bei nicht situationsadäquaten Handlungsweisen Realisierung eines autonomen, lernfähigen mobilen Roboters - Abbildung der Interaktionsstruktur durch Merkmalsvektor - Technische Realisierung kognitiver Funktionen Kognitive Systeme sind auf Basis der SOM-Modellierung realisierbar und realisiert 28

30 Ausblick Erweiterung der Überwachung zusätzliche Merkmale zur Situationsbeschreibung zusätzliche Aktionen des Fahrers Automatisierung der Fehlererkennung Validierung des Automaten mittels Fahrzeugsimulation realer Fahrversuche Realisierung eines Notfallautomaten zur Übernahme der Fahrbedienhandlungen Entwicklung eines Simulationssystems für kognitive Systeme 29

31 Fahrerüberwachungsautomaten und autonome Systeme: Anwendung kognitiv technischer Systeme Dirk Söffker und Elmar Ahle Kontakt: Web: Lehrstuhl Steuerung, Regelung und Systemdynamik Universität Duisburg-Essen

32 Ausgewählte Publikationen 31