Digitalisierung der Verkehrsinfrastruktur

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1 Digitalisierung der Verkehrsinfrastruktur Chancen und Herausforderungen Frankfurt, Dr. Felix Rudolph Siemens AG 2017 siemens.com/mobility

2 Megatrend: Urbanisierung stellt neue Herausforderungen für die Bereiche. Sicherheit Im Jahr 2013 wurden im Straßenverkehr in Deutschland ca Verkehrsunfälle (davon ca mit Personenschaden) registriert Personen getötet und verletzt. Unfallkosten in Höhe ca. 32,5 Milliarden EUR verursacht. Quelle: Bundesanstalt für Straßenwesen Umwelt Der Verkehr war 2009 für 24% aller Treibhausgasemissionen in der EU verantwortlich. Im Verkehrssektor werden 96% des Energiebedarfs mit Erdöl gedeckt. 30% der EU-Flächen sind mäßig, stark oder sehr stark durch Verkehrstrassen zerschnitten. Quelle: Europäische Umweltagentur Effizienz Jeder Deutsche verbringt statistisch jährlich ca. 39 Stunden im Stau. Jährlich werden in Deutschland aufgrund von Staus knapp 1,2 Milliarden Liter Kraftstoff (ca. 69 Liter pro Fahrzeug) vergeudet. Bis 2030 summieren sich die Kosten für Staus in Deutschland auf ca. 520 Milliarden Euro. Quelle: Centre for Economics and Business Research Seite 2 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

3 Trend: Zunehmende Konnektivität in Fahrzeugen 23 Mio. 152 Mio. Anzahl der weltweit mit dem Internet verbundenen Fahrzeuge % aller Neufahrzeuge besitzen integrierte Konnektivitätslösungen. 50% aller Neufahrzeuge haben Konnektivitätslösungen ab Werk integriert oder sind über ein Smart Phone verbunden. 100% aller Neufahrzeuge werden über eine beliebige Konnektivitätslösung verfügen. Quelle: Seite 3 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

4 Bisherige und zukünftige Entwicklung der Car2X Technologie Technologie ist auf dem Weg zu Marktreife. Erste Maßnahmen der OEM s sind jedoch noch unkoordiniert Siemens wird Mitglied im C2C Konsortium 2015 C2C Konsortium: Definition der ersten Tag 1 Anwendungsfälle Beginn Rollout des ersten ITS Korridor Piloten Car2X Technologie ist praxisreif Saab startet erstes Car2X Forschungsprojekt 1984 Gründung des Car2Car (C2C) Konsortiums 2002 Start des ersten Forschungsprojektes Eco-AT (Österreich / Wien) 2011 ETSI (European Telecommunications Standards Institute): Ratifizierung des ersten Tag 1 Standards Bereitstellung für alle Neuwagen 2020 Seite 4 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

5 Kooperative Systeme für eine Vielzahl von Anwendungen C-ITS Airplane2X C-ITS Rail2X C-ITS C2X Urban C-ITS C2X Highway C-ITS Ship2X Seite 5 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

6 Phasen des kooperativen und autonomen Fahrens 1 Grundlegende Warnungen 2 Fortgeschrittene Warnungen 3 Kooperative Warnungen 4 Kooperative Vereinbarungen 5 Autonomes Fahren 50 Fahre 35 um grün zu bekommen 35km/h 60 60!! 100m 100m 80?! 60 in 100m 60! 140m Heute Morgen Übermorgen Seite 6 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

7 Das Grundprinzip Kooperativer Systeme Infrastruktur, Fahrzeuge und andere Verkehrsteilnehmer kooperieren, um eine effiziente und sichere Fahrt zu ermöglichen Die Kommunikation über verschiedene Schnittstellen ermöglicht eine kontinuierliche Verbindung mit der Straßeninfrastruktur Das zentrale Managementsystem verteilt spezifische und individuelle Informationen an Fahrzeuge und Infrastruktur Fahrzeuge generieren Daten und übertragen diese an andere Fahrzeuge oder an ein zentrales Managementsystem WLAN Mobilfunk WLAN Ethernet Ethernet WLAN Seite 7 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

8 What will be the challenges our customers (cities) have to deal with when autonomous cars are on the road? Seite 8 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

9 Intelligent swarm Self Driving cars will not solve all our traffic problems! How is the traffic situations in countries were the costs of the driver are not significant? For Uber the most expensive part of a ride is the driver Taxi Driver - (c) Jim Pennucci (Link) CC license Lotsa Taxis - (c) Michael Coghlan (Link) CC license Seite 9 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

10 Intelligent swarm Self Driving cars will not solve all our traffic problems! Individual traffic cannot be the solution Alternative traffic modes could be the solution Public transport must be part of the solution Fahrradtage_Bus-Autos-Raeder_600.jpg - (c) Presseamt Münster Seite 10 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

11 Deshalb haben wir bei Siemens ein kooperatives Gesamtsystem entwickelt -Sitraffic ESCoS (EcoSytemCooperativeSystem) RSU Management z.b. SPAT Verkehrs- Managementzentrale ESCoS CMS Zentralenmodul Cloud-Basiertes PKI Zertifikatshandling LTE LTE LTE Ethernet VMS & Virtuelle Schilder Ethernet Instandhaltung via Remote Zugang Fußgänger Warnung WLAN (2.4 & 5 GHz, b/g/n) ITS G5 5.9 GHz Instandhaltung via Remote Zugang ITS G5 5.9 GHz 60! 60! 60 NebelFog Instandhaltung via Remote Zugang Regen Snow Urban Highway Seite 11 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

12 Anwendungsfälle: Sicherheit, Verkehrsmanagement und Komfort. Urban Highway Sicherheit U/H Verkehrsmanagement Komfort Seite 12 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

13 Anwendungsfall 1: ÖPNV Priorisierung VM Zentrale ESCoS-CMS Zentralenmodul LTE Der Bus meldet sich über die Short Range Kommunikation WLAN p an der LSA an. Die LSA registriert die Anmeldung und räumt dem öffentlichen Nahverkehr Priorität ein. Die verbleibende Grünzeit wird an das Fahrzeug übertragen und dem Fahrer im Display angezeigt. Wenn der Bus die Kreuzung passiert hat, meldet sich das Fahrzeug wieder ab. LSA Steuergerät Wartung mittels Remote Access Road Side Unit ITS G5 5.9 GHz C2X On-Board Unit CAN Bus On-Board Display Phase 2 Fortgeschrittene Warnungen Sicherheit U Verkehrsmanagement Komfort Seite 13 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

14 Anwendungsfall 2: Baustellenwarnung VM Zentrale ESCoS-CMS Zentralenmodul LTE Über die Short-Range Kommunikation WLAN p, erhält der Fahrer Informationen zu Baustellen Warnungen unmittelbar in sein Fahrzeug. Gleichzeitig gehen die Informationen über die Baustellenwarnungen parallel ans Traffic Control Center, wo zusätzliche Maßnahmen getroffen werden können. (z.b. Geschwindigkeitsanzeigen geschaltet werden). Road Side Unit Wartung mittels Remote Access ITS G5 5.9 GHz C2X On-Board Unit On-Board Display CAN Bus Phase 1 Grundlegende Warnungen Sicherheit Verkehrsmanagement H Komfort Seite 14 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

15 Anwendungsfall 3: Ampelphasen-Kreuzungsassistent VM Zentrale ESCoS-CMS Zentralenmodul LTE Während die Fahrer an der LSA warten werden sie darüber informiert, dass die Signalisierung bald auf grün wechselt. (Bei Neufahrzeugen mit Start/Stop-Funktion kombiniert). Während der Annäherung an die LSA erhält der Fahrer aktuelle Signalisierungszustände und Prognosen der Schaltzustände in Echtzeit. Bevor das Signal auf rot wechselt erfolgt in Relation zur Entfernung eine Empfehlung den Bremsvorgang einzuleiten. LSA Steuergerät Road Side Unit ITS G5 5.9 GHz On-Board Display CAN Bus Phase 2 Fortgeschrittene Warnungen Wartung mittels Remote Access C2X On-Board Unit Sicherheit U Verkehrsmanagement Komfort Seite 15 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

16 Vorteile kooperativer Systeme im Straßenverkehr Car2X bringt folgende Vorteile mit sich: Verkehrsteilnehmer können schneller und im Voraus über die aktuelle Verkehrslage und kritische Situationen informiert werden. Fahrzeuge werden zu mobilen Sensoren und Aktoren, wodurch die Verkehrsbeeinflussung und das Fahrverhalten optimiert wird. Der Verkehrsfluss kann differenzierter, effizienter und schneller überwacht werden, was zu einer verbesserten Auslastung der vorhandenen Straßeninfrastruktur führt. Erhöhung der Sicherheit Reduzierung der Emissionen Vermeidung von Staus und Leerfahrten Seite 16 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

17 Kontakt Dr. Felix Rudolph Siemens AG Mobility Division Mobility Management Lifecycle Management MO MM ITS TS PLM Otto-Hahn-Ring München, Deutschland Mobil: mailto:felix.rudolph@siemens.com Seite 17 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

18 ETSI - ITS G5 Standardprotokoll (WLAN mit 5,9 GHz nach IEEE p) CAM Cooperative Awareness Message Car Vehicle ID, Position, Speed DENM Decentralized Environmental Notification Message Incident messages (accident, clear ice, ), Location, Incident type X MAP (of intersection / topology) Lanes, Driving directions SPAT Signal Phase and Timing Signal groups, Signal phase and remaining green/red times IVI In-Vehicle Information Traffic signs, Variable traffic signs Seite 18 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

19 Sitraffic ESCoS CMS Anwendungsfälle auf Autobahnen und Schnellstraßen Wetterlagewarnung Stauwarnung Baustellenwarnung Falschfahrer Warnung 50 Exit 100 SOS 100 Seite 19 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

20 Sitraffic ESCoS CMS Anwendungsfälle im innerstädtischen Bereich Rettungsfahrzeug Warnung ÖPNV Priorisierung Fußgänger Warnung Kreuzungsassistent Radfahrer Warnung! 500m Seite 20 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

21 Das Car2Car Konsortium Partner Mitglieder Institute Seite 21 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

22 Highway / Autobahn Kalkulation / Max. RSU Datenvolumen für 10 Fahrzeuge RSU Empfangsbereich RSU Kommunikationsverhalten ist ähnlich dem der OBU RSU 2 km Seite 22 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

23 Privatsphäre und Sicherheit Public-Key-Infrastruktur (PKI) geplanter Ansatz (ENTWURF) Anforderung Public Key Public Key Long Term Zertifikat Key Road Side Unit (RSU) Pseudonym Zertifikat Signierte Pseudonym Zertifikat Anfrage Key Server Zentrales Managementsystem (CMS) Pseudonym Zertifikat Pseudonym Zertifikat Authority Seite 23 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

24 Highway / Autobahn 10 Fahrzeuge nähern sich der LED-VMS Schilderbrücke von 2 Richtungen Datentransfer gemäß ETSI / IEEE CAM ; MAP ; SPAT ; IVI DENM = ad hoc Dateigröße: 200 Byte / Nachricht Maximaler Empfangsbereich der RSU 2000m 100 km/h = 27,7 m/s Fahrzeuge im Fangbereich der RSU 1000 m 2 km RSU Max. 6 MBit/s Beispiel: 10 Fahrzeuge - DENM (ad hoc) = 1 Multihopping-messages/100ms/ between Vehicles. - CAM = 10 messages/ sek. / vehicle 1 RSU SPAT = 1 message/ sec. / RSU MAP = 0,5 messages/ sec. / RSU IVI = 1 Meldung / sec. / RSU Datenvolumen pro Sekunde = 2,3 MBit/s 0 m 1520 Nachrichten (2,32 MBit) Seite 24 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

25 Highway / Autobahn Kalkulation max. RSU Datenvolumen für 1200 Fahrzeuge (6 Linien) Variable DENM messages max. 2 Nachrichten / Sek. / Fahrzeug CAM message max. 1 Nachricht / Sek. / Fahrzeug RSU Kommunikationsverhalten ist ähnlich dem der OBU RSU Empfangsbereich RSU 2 km Seite 25 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

26 Highway / Autobahn 1200 Fahrzeuge im Verkehrsstau 6 Linien Datentransfer gemäß ETSI / IEEE CAM DENM = ad hoc MAP ; SPAT ; IVI Dateigröße: 200 Byte / Nachricht DCC (Decentralized Congestion Control) wirkt sich aus. Maximaler Empfangsbereich der RSU 2000m Stau Fahrzeuge im Fangbereich der RSU 1000 m Stau RSU Max. 6 MBit/s Beispiel 1200 Fahrzeuge 6 Linien DENM (ad hoc) = 1 message / 100ms / vehicle (20% of cars.) and max. 3 messages / sec. (80% of cars.) CAM = 3 messages / sec. / RSU SPAT = 1 message / sec. / RSU MAP = 0,5 messages / sec. / RSU IVI = 1 messages / sec. / RSU Datenvolumen = 20,9 MBit/s (ohne DCC) Datenvolumen = 5,2 MBit/s (mit DCC) 0 m 3432 Nachrichten / Sek. (5,24 MBit/s) with DCC Seite 26 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

27 Urban / innerstädtisch Ein Fahrzeug erreicht einen Signalgeber Datentransfer gemäß ETSI / IEEE CAM ; MAP ; SPAT ; IVI DENM = ad hoc Dateigröße: 200 Byte / Nachricht RSU Max. 6 MBit/s Maximaler Empfangsbereich der RSU 50 km/h = 13,8 m/s Beispiel 1 Fahrzeug DENM (ad hoc) = 1 message / 100ms / vehicle CAM = 10 messages / sec. / vehicle SPAT = 1 message / sec. / RSU MAP = 0,5 messages / sec / RSU IVI = 1 message/ sec. / RSU Datenvolumen pro Sekunde = 0,02 MBit/s 800m Fahrzeuge im Fangbereich der RSU 150 m 0 m 57,6 s Fahrtzeit 864 Nachrichten (1,15 MBit) in 57,6 s Fahrtzeit Seite 27 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

28 Das Siemens ITS Portfolio ermöglicht zahlreiche Car2X Anwendungsfälle Verkehrsmanagement Protokoll Kommunikation Anwendungsfälle Zentrale ETSI - ITS G5 Standard Sitraffic Scala Baustellenwarnung CAM Cooperative Awareness Message Falschfahrer Warnung Steuergeräte Aktoren Streckenstationen DENM Decentralized Environmental Notification Message MAP (of intersection/ topology) WLAN Grüne Welle Smartes Parken Kreuzungsassistent Fußgänger Detektoren TEU Bluetooth CCTV SPAT Signal Phase and Timing Rettungsfahrzeug Warnung ÖPNV Priorisierung Fahrrad FCD ANPR Radar IVI In-Vehicle Information Seite 28 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

29 Schrittweise Einführung kooperativer Systeme in Europa Projekt Eco-AT (Österreich / Wien): Anwendungsfälle Zwei Anwendungsfälle Baustellenwarnung Frühzeitige Warnung vor Tagesbaustellen, um Kollisionen mit Sperranhängern vermeiden. Wesentlichen Vorteile: höhere Sicherheit für das Baustellenpersonal und andere Verkehrsteilnehmer Information der Verkehrszentralen über die aktuelle Position von Tagesbaustellen Verbesserung des Baustellenmanagements Verkehrslageerfassung Verbessertes Verkehrsmanagement durch Einbeziehung von Fahrzeugdaten Stauvermeidung durch optimierte Strecken- und Netzbeeinflussung Verbesserung des Störfallmanagements Zugang zu Fahrzeugdaten unabhängig von kommerziellen Anbietern Seite 29 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

30 Schrittweise Einführung kooperativer Systeme in Europa Projekt Eco-AT (Österreich / Wien): Projektablauf und -partner Fakten Zeitraum: Q2/2013 Q2/2017 Gesamtbudget : ca.10 Mio. ECo-AT ist die zentrale Österreichische Aktivität im C-ITS Bereich. Das Projekt trägt wesentlich zur Umsetzung der Österreichischen C-ITS Strategie bei und stärkt die Positionen von BMVIT, ASFINAG und allen Projektpartner auf Europäischer Ebene. Die Implementierung erfolgt in 2 Phasen Phase 1: Komplette System-Spezifikation für C-ITS, welche von den ECo-AT Industriepartnern getestet und verifiziert wird Phase 2: ASFINAG setzt, nach einer positiven Bewertung der Rahmenbedingungen, die Ausschreibungen um. Partner Seite 30 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM

31 Schrittweise Einführung kooperativer Systeme in Europa ITS Korridor: Rotterdam - Frankfurt/M. - Wien Intelligente Mobilität über Landesgrenzen hinweg In den bereits laufenden Forschungsprojekten in den Niederlanden, in Deutschland und in Österreich werden organisatorische, funktionelle und technologische C2X-Inhalte entwickelt. Ziel: Den Nutzen und Praxistauglichkeit kooperativer Systeme im Straßenverkehr aufzeigen, indem die individuelle Mobilität effizienter, sicherer und umweltfreundlicher gestaltet wird. Beteiligte: Seite 31 11/2017 Felix Rudolph / MO MM ITS TS PLM