Rahmenbedingungen für den rationalen Einsatz von Fahrsimulatoren zur Entwicklung fortschrittlicher Assistenz- und Automatisierungssysteme

Transkript

1 Rahmenbedingungen für den rationalen Einsatz von Fahrsimulatoren zur Entwicklung fortschrittlicher Assistenz- und Automatisierungssysteme Frank Köster, Jens Plättner, Andreas Richter, Lars Schnieder, Martin Fischer, Julian Schindler, Martin Baumann, Klaus Jaschke Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Institut für Verkehrssystemtechnik Lilienthalplatz Braunschweig Kontakt: frank.koester@dlr.de Kurzfassung Fahrsimulatoren sind ein essentielles Werkzeug während der Entwicklung von Assistenz-/Automatisierungssystemen bzw. Fahrerassistenzsystemen für Straßenfahrzeuge. Im Allgemeinen nutzen Entwickler nicht nur einzelne Simulatoren, da ein für jeden Anwendungsfall optimal ausgelegter und gleichzeitig kostenökonomisch nutzbarer Universalsimulator in der Praxis nicht existiert. Es werden dementsprechend Simulatorlandschaften aufgebaut und genutzt. Für den erfolgreichen Aufbau und Betrieb solcher Simulatorlandschaften sind neben einer leistungsfähigen Systemarchitektur (Soft- und Hardware) insbesondere auch die Experimentgestaltung und Experimentdurchführung wie auch Konzepte/Komponenten zur Verbindung simulationsbasierter Entwicklungsphasen mit dem Aufbau von Prototypen und Realsystemen wichtige Punkte. In diesem Artikel skizzieren wir die Simulatorlandschaft des Instituts für Verkehrssystemtechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) in Braunschweig. Hierbei adressieren wir verschiedene organisatorische und technische Rahmenbedingungen und Aspekte der Umsetzung.

2 Einleitung und Zielsetzung Fahrsimulatoren sind ein etabliertes Werkzeug zur Entwicklung von Assistenz-/Automatisierungssystemen bzw. Fahrerassistenzsystemen für Straßenfahrzeuge. Insbesondere kann in ihnen das Fahrer/Fahrzeug- Zusammenspiel unter gezielt herbeigeführten Verkehrsbedingungen untersucht werden. Sie ermöglichen damit eine kontrollierbare, reproduzierbare wie auch zeit-/kostenökonomische Erprobung und Optimierung verschiedener Fahrzeugbestandteilen und deren Parametrisierung. Untersuchungen in Fahrsimulatoren sind bis in den Grenzbereich aktiver und passiver Sicherheit hinein möglich, wobei sowohl die Unversehrtheit von Testfahrern/Probanden als auch der Schutz technischer Systeme nahezu vollkommen gewährleistet werden kann. Ziele beim Einsatz von Fahrsimulatoren in Entwicklungsprozessen sind häufig: - allgemeine Anforderungsermittlung z.b. im Sinne der Feststellung eines Unterstützungsbedarfs bei Autofahrern - Systemgestaltung und Systemauslegung z.b. im Zusammenhang mit der Gesamtgestaltung eines Fahrerarbeitsplatzes oder der Mensch/Maschine-Interaktion - Testen (funktionaler und nicht-funktionaler Aspekte) gerade Integrationstests sind ein wichtiges Einsatzgebiet - Akzeptanzuntersuchungen z.b. hinsichtlich der Nutzerakzeptanz von Fahrerassistenzsystemen in verschiedenen (u.u. in der Praxis selten zu beobachtenden oder kritischen) verkehrlichen Situationen Mit der inhärenten Systemkomplexität aktueller Fahrerassistenzsysteme, wie zum Beispiel bei den mit hoher Intensität bearbeiteten teil- /hochautomatisierten Systemen oder im Zusammenhang mit vernetzten kooperativen Assistenz- und Automatisierungssystemen, wächst auch die Bedeutung von Fahrsimulatoren in Forschung und Entwicklung.

3 Für ihren erfolgreichen praktischen Einsatz ist es notwendig sich zunächst die spezifischen Anforderungen einzelner Entwurfsphasen und Engineering- Aufgaben vor Augen zu führen. Hieraus ergibt sich i.allg. ein durchaus heterogenes Anforderungsgefüge, welches nur in integrierten Simulatorlandschaften adäquat abgebildet werden kann der eine Universalsimulator, der für jeden Einsatzzweck optimal geeignet ist und mit wenig Aufwand zeit-/kostenökonomisch genutzt werden kann, existiert nicht. Neben einer leistungsfähigen Systemarchitektur (Soft- und Hardware) sind für den erfolgreichen Aufbau und Betrieb solcher Simulatorlandschaften insbesondere auch potente Komponenten für die Experimentgestaltung und Experimentdurchführung vorzusehen. Eine Harmonierung (organisatorisch und technisch) mit weiteren Laboreinrichtungen zum Aufbau von Prototypen/Realsystemen ist ebenfalls vorzusehen. Wir skizzieren im weiteren Verlauf des Artikels die Simulatorlandschaft des DLR-Instituts für Verkehrssystemtechnik (DLR/TS, 2013), die zur Entwicklung fortschrittlicher Assistenz- und Automatisierungssysteme in Straßenfahrzeugen eingesetzt werden kann. Diese fußt auf einem Plattformkonzept, welches neben der Standardisierung verschiedener Hardwaremodule auch die Standardisierung eingesetzter Softwaresysteme im Kontext der Simulation und Experimentdurchführung zum Gegenstand hat. In diesem Zusammenhang werden auch aktuelle Aktivitäten im Bereich der Experimentgestaltung/-Durchführung und Kalibrierung/Validierung wie auch Parametrisierung von Simulationsmodellen erläutert. Hierbei ermöglicht uns die Verflechtung mit der Anwendungsplattform Intelligente Mobilität (AIM 1 ) den Rückgriff auf Felddaten und Infrastrukturdaten der Stadt Braunschweig, die zum Beispiel zur 1 AIM ist eine Großforschungsanlage für Forschung und Entwicklung im Bereich intelligenter Mobilität. Diese besitzt wesentliche Anteile im realen Umfeld einer Stadt sowie ausgewählter umliegender Regionen, spezielle Teststrecken und ein leistungsfähiges Instrumentarium zur Simulation und Beeinflussung großräumiger (z.b. Verkehrsflüsse) und mikroskopischer (z.b. Fahr- bzw. Fahrerverhalten) Aspekte von Verkehr/Mobilität. Das DLR- Institut für Verkehrssystemtechnik ist Federführend für den Aufbau der Großforschungsanlage verantwortlich. Die Nutzung ausgewählter AIM-Dienste ist bereits ab 2011 möglich. Im Anschluss an die Aufbauphase, die im Dezember 2013 abgeschlossen sein wird, ist ein mehrjähriger Betrieb geplant eine dauerhafte Etablierung von AIM wird angestrebt. Ein offenes und flexibles Architekturkonzept fördert die kontinuierlich Weiterentwicklung der Großforschungsanlage sowie die Wiederverwendung ihrer Bausteine in zukünftigen mobilitätsbezogenen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten (vgl. Köster et al., 2011).

4 Parametrisierung von Simulationen herangezogen werden können. Ebenfalls ermöglicht uns AIM die Weiterführung von Entwicklungsarbeiten, die im Rahmen der Simulation begonnen wurden und in Arbeiten am realen System bzw. im Feld münden. Generischer Rahmen für konkrete Entwicklungsprozesse Die in der Einleitung genannten Anwendungsziele für Fahrsimulatoren ergeben sich aus den unterschiedlichen Aktivitäten im Zusammenhang mit der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen. Diese sind aus den verschiedenen an der Systementwicklung beteiligten Fachdisziplinen motiviert z.b. werden Ingenieursdisziplinen ebenso mit ihren speziellen Anforderungen berücksichtigt wie die Informatik, Psychologie und die Sozialwissenschaften. Abbildung 1 skizziert den Rahmen für diese interdisziplinäre Zusammenarbeit im Institut für Verkehrssystemtechnik. Abbildung 1: Generischer Rahmen für konkrete Entwicklungsprozesse Das Schaubild hebt gerade die empirische Absicherung aller Aktivitäten sowie ein adäquates Wissensmanagement als wichtige methodische Bausteine hervor.

5 Diese Bausteine ermöglichen es, dass sich die Konzeptionierung wie auch Gestaltung/Umsetzung von Assistenz- und Automatisierungssystemen maßgeblich auf valide Daten bzw. daraus ableitbare Erkenntnisse beziehen können. Gleiches gilt im Kontext ihrer Bewertung. Dieser methodische Rahmen ist mit dem grundlegenden Vorgehen in AIM harmoniert, sodass AIM als wichtige Quelle für Felddaten genutzt werden kann insbesondere die AIM-Dienste Forschungskreuzung, Referenzstrecke und Fahrzeugflotte mit ihren datenverarbeitungstechnischen Erweiterungen (vgl. Köster et al., 2011; Köster et al., 2012). Das abgestimmte Zusammenspiel mit AIM bewirkt, dass Untersuchungen und Systemaufbauten, die in Fahrsimulatoren des Instituts für Verkehrssystemtechnik durchgeführt werden, auch in anderen AIM- Laborumgebungen ohne methodische/technische Brüche innerhalb der Entwicklungsprozesse vertieft werden können insbesondere sind dies Simulationen für unterschiedliche Systemskalen und Erprobungen auf Teststrecken im nicht-öffentlichen und öffentlichen Raum. Eine weitere Besonderheit bei diesem Vorgehen ist, dass bei der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen der Mensch, die Funktion und Architektur des technischen Systems, die Umwelt bzw. das Verkehrssystem sowie auch Normen und Standards integriert gehandhabt werden (vgl. Abbildung 1 Design Prozess). Die formalen Grundlagen hierzu wurden vorrangig im Rahmen des virtuelles Instituts Design of Safety-Critical Automotive Systems gelegt (DeSCAS siehe z.b. Köster et al, 2012; Gacnik, 2010; Gacnik et al., 2010). Zukünftig ist eine weitere Integration mit Resultaten aus dem Kontext des in 2012 abgeschlossenen europäischen Forschungsprojekts CESAR (Cost-efficient methods and processes for safety relevant embedded systems) geplant insbesondere mit der in diesem Projekt erarbeiteten RTP (Reference Technology Platform) und den in diesem Zusammenhang entwickelten formalen Methoden und modellbasierten Werkzeugen (siehe z.b. CESAR, 2012).

6 Hardwarebaukasten Im Zusammenhang mit AIM werden verschiedene Aufgaben im Bereich Weiterentwicklung, Ausbau und Standardisierung von der Hardware in den Fahrsimulatoren des Instituts für Verkehrssystemtechnik durchgeführt. Zentraler Baustein ist in diesem Zusammenhang das Konzept eines modulares Mock-Up (vgl. Köster et al., 2011), welches als Festsitzsimulator eingesetzt werden kann, aber auch im dynamischen Fahrsimulator des Instituts zu betreiben ist. Zudem sollte das Modulare Mock-Up einen erweiterbaren Baukasten darstellen, auf dessen Grundlage in kurzer Zeit insbesondere Fahrzeuginnenraumkonzepte und Ideen zur Mensch/Maschine-Interaktion praktisch erfahrbar aufgebaut und bewertet werden können. Während der Ideenfindung zum Modularen Mock-Up haben wir uns diesem Thema aus zwei Richtungen genährt: Zum einen haben wir aktuelle Trends und Show-Cases im Automobilbereich analysiert. Zum anderen betrachteten wir verschiedenen Klassen von Simulatoren bzw. Erprobungseinrichtungen und erörterten deren Einsatzmöglichkeiten. Hierbei wurden insbesondere auch verschiedene Wechselwirkungen systematisch berücksichtigt z.b. Außendesign mit Einfluss auf den Innenraum, Antriebstechnik, Lenkung, Rahmengestaltung, Sitzanordnung, Ergonomie und Bedienkonzepte. Sich hieraus ergebende Anforderungen an das Mock-Up haben wir in verschiedenen Iterationen präzisiert, wobei gerade die spezifischen Anforderungen des Instituts für Verkehrssystemtechnik und seiner strategischen Partner einen Schwerpunkt darstellen. Beispielsweise wurden hierzu Interviews mit verschiedenen (potenziellen) Nutzergruppen geführt. Vor dem Hintergrund der gesamten Menge von Anforderungen erfolgt aktuell der Aufbau bzw. die abschließende Konzipierung der Hardware des Modularen Mock-Up z.b. eine geeignete Bodengruppe (siehe Abbildung 2), verschiedene Basismodule für den Innenraum (siehe Abbildung 3),

7 einzelne Aspekte der Außenhülle (siehe Abbildung 4), visuelle und akustische Module wie auch einzelne haptische und gestalterische Aspekte. Abbildung 2: Bodengruppe des Modularen Mock-Up Abbildung 3: Basismodule für den Innenraum

8 Abbildung 4: Modulare Außenhülle Die im Kontext des Modularen Mock-Up erarbeiteten Lösungen werden in die weiteren Fahrsimulatoren des Instituts für Verkehrssystemtechnik übertragen. Beispielsweise wurde dies beim Aufbau der Modular and Scalable Application Platform for ITS Components (MoSAIC vgl. Köster et al., 2011) bereits berücksichtigt. Softwarebaukasten Systemarchitektur DOMINION Neben der Hardware haben wir auch im Bereich der Software eine starke Standardisierung angestrebt. Hierbei haben wir Entwicklungen aufgegriffen, die bereits seit einigen Jahren durch uns thematisiert werden. Zentrale Softwarekomponente ist für uns die Systemarchitektur DOMINION (siehe z.b. Dannemann et al., 2010). DOMINION folgt konzeptionell dem Paradigma der Serviceorientierten Architekturen SOA (siehe z.b. Reussner und Hasselbring, 2008). Basierend auf DOMINION lassen sich weitgehend flexible und offene System-/Softwarelandschaften realisieren, die trotz u.u. hoher

9 Gesamtkomplexität sehr gut wartbar und mit angemessenem Aufwand erweiterbar sind. Ein Service repräsentiert in diesem Kontext eine abgrenzbare und im Systemzusammenhang definierte Leistung, die i.allg. von einem Anwendungsbaustein erbracht und von anderen Anwendungsbausteinen konsumiert werden kann. Services können zusammenspielen, um eine komplexe Funktionalität zu realisieren, wobei insbesondere auch Services aus unterschiedlichen Kontexten leicht in einem neuen Gesamtzusammenhang integriert werden können. Dies wird dadurch erleichtert, dass Serviceschnittstellen, Signaturen und funktionale Spezifikationen existieren, die als Vertrag zwischen nutzenden und anbietenden Anwendungsbausteinen existieren. Die Instantiierung eines SOA-basierten Systems geschieht zumeist auf Grundlage einer generischen SOA-Plattform. Hierbei ermöglicht der Schritt der Orchestrierung die Beschreibung der Service-Nutzung in einem Prozess. DOMINION ermöglicht u.a. die in-vehicle-umsetzung serviceorientierter Assistenz- und Automationssysteme und stellt hierzu eine leichtgewichtige und durchgängig in den Anlagen (Simulatoren und Fahrzeuge) des Instituts verfügbare SOA-Plattform bereit (DOMINION wird aktuell ebenfalls in Anlagen anderer DLR-Institute genutzt und befindet sich auch bei Partnern außerhalb des DLR im praktischen Einsatz). Aufgrund seiner zugrundeliegenden Architektur und Verfügbarkeit in den bereits existierenden Forschungsanlagen des Instituts für Verkehrssystemtechnik fördert DOMINION den Aufbau einer integrierten Simulatorlandschaft und erleichtert den Austausch von Hard-und Softwarekomponenten zwischen verschiedenen Anlagen. Durch die Integration von DOMINION in AIM ist auch die Verknüpfung der Laboranlagen mit Installationen im Feld leicht möglich. Die Migration von Forschung- und Entwicklungsergebnissen in reale Fahrzeuge wird hierdurch erleichtert, sodass die Erprobung von simulationsbasiert

10 entwickelten Komponenten ohne methodischen/technischen Bruch im nichtöffentlichen und öffentlichen Raum fortgesetzt werden kann. Abstützung auf AIM-Dienste zur Experimentgestaltung und Parametrisierung von Simulationen Die Übertragbarkeit der in Fahrsimulationen erzielten Resultate in reale Fahrzeuge und in ein reales Verkehrsumfeld wird durch eine enge Verzahnung des Themas Simulation mit AIM unterstützt. Beispielsweise liefern die Forschungskreuzung und die NDS-orientierten AIM-Dienste Input zur Gestaltung valider Verkehrssituationen in Simulatorstudien bzw. der Validierung/Plausibilisierung von Simulationsergebnissen. Zudem liefert der AIM-Dienst SimWorld (Urban) Daten, die ebenfalls zur Experimentgestaltung bzw. Validierung genutzt werden können insbesondere sind dies Straßenverläufe und Verkehrsinfrastrukturdaten. Weitere Dienste in AIM liefern Daten zum Verkehrsfluss und zur Verkehrsdynamik, die zur weitergehenden Untersuchungen der gesamtverkehrlichen Wirkung von Fahrerassistenzsystemen genutzt werden können. Hiermit können in Fahrsimulatorstudien durchgeführte Untersuchungen auf gröberen Systemskalen weitergeführt werden. Zusammenfassung Fahrsimulatoren sind für die Arbeit des Instituts für Verkehrssystemtechnik ein unverzichtbares Werkzeug. Da es den einen Universalsimulator nicht gibt, der für jede Anwendungssituation das optimale und zeit- /kostenökonomisch günstigste Werkzeug darstellt, stellt u.e. die Konzeptionierung einer Simulatorlandschaft ein wichtigen Ziel dar. Hierbei ist es unverzichtbar die entstehenden Einzelsimulatoren hinsichtlich Hardund Software weitgehend zu standardisieren. Dies gewährleistet den einfachen Austausch von Simulatorkomponenten und damit das Tailoring eines konkreten Simulationssystems, welche für den jeweiligen Anwendungszweck optimal geeignet ist.

11 Literatur CESAR (2012). Projektdarstellung zu CESAR. (letzter Zugriff: Januar 2013). F. Dannemann, L. Dittrich, J. Gacnik, M. Hannibal, F. Köster, S. Montenegro, U. Noyer, A. Richter, und B. Vogel (2010). [(Spacecraft Bus Controller) + (Automotive ECU)] / 2 = Ultimate Controller. Envision 2020, GI-Workshop. LNI-Band 160. DLR/TS (2013). Institutsdarstellung zum Institut für Verkehrssystemtechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.v. (letzter Zugriff: Januar 2013). J. Gacnik (2010). Providing Guidance in an Interdisciplinary Model-Based Design Process. In: th IEEE International Symposium on Object/Component/Service-Oriented Real-Time Distributed Computing Workshops, Mai 2010, Carmona. Seiten J. Gacnik, H. Jost, F. Köster und M. Fränzle (2010). The DeSCAS Methodology and Lessons Learned on Applying Formal Reasoning to Safety Domain Knowledge. FORMS/FORMAT th Symposium on Formal Methods for Automation and Safety in Railway and Automotive Systems, December F. Köster, M. Hannibal, T. Frankiewicz und K. Lemmer (2011). Anwendungsplattform Intelligente Mobilität Dienstespektrum und Architektur. AAET 2011, Februar F. Köster, T. Frankiewicz und T. Lorenz (2012). Die Anwendungsplattform Intelligente Mobilität im Kontext der Entwicklung sicherheitsgerichteter Assistenz und Automation für Straßenfahrzeuge. AAET 2012, Februar R. Reussner und W. Hasselbring, (Hrsg.) (2008). Handbuch der Software- Architektur. Dpunkt Verlag, 2. Auflage.