Konzeption einer Architektur für ein Werkzeug zur Verkehrssimulation unter Berücksichtigung von Fahrerassistenzsystemen

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1 Konzeption einer Architektur für ein Werkzeug zur Verkehrssimulation unter Berücksichtigung von Fahrerassistenzsystemen Diplomarbeitsvortrag Oliver Betreuer: Prof. Dr.-Ing. K. Böhm Betreuender Mitarbeiter: Dipl.-Inform. H. Schepperle Copyright DAMAST

2 Motivation Film starten 2

3 Gründe für ein neues System Strikte Trennung zwischen Fahrzeugsteuerung und Simulation Es existiert zwar eine Vielzahl mikroskopischer Verkehrssimulationssysteme, aber keine Möglichkeit, Fahrerassistenz und menschlichen Fahrer explizit zu betrachten globales Modell für das Fahrerverhalten 3

4 Agenda Architektur Verkehrsnetzmodell Verkehrsregelung Simulationseinheit Vorführung des Simulators Evaluation Zusammenfassung 4

5 Architektur Garantie von Fahrtrechten Verkehrsregelung 7 8 Anfrage Fahrersimulationsmodul Menschlicher Fahrer Fahrerassistenzmodul Fahrer-Assistenz Fahrer-Simulator Aktionswunsch Konfiguration 5 Aktionswunsch 6 Verkehrs- regelungs- Simulator Verkehrs - regelungs - modul Zustand Position 9 Verkehrssimulationsmodul 10 5

6 Architektur Garantie von Fahrtrechten Verkehrsregelung Verkehrs- regelungs- Simulator Verkehrs - regelungs - modul Zustand Position Anfrage Fahrersimulationsmodul Menschlicher Fahrer Fahrerassistenzmodul Fahrer-Assistenz Gefilterte Sensor Fahrzeug Tatsächliche Geschwindigkeit & Fahrtrichtung Verkehrssituation Zentrale Simulationseinheit Fahrzeuginformation Gefilterte 1 Fahrer-Simulator Aktionswunsch 2 wunsch Aktions Aktionskoordinator 5 Wahrnehmung Konfiguration Sensorinformation & eigener Zustand Fahrzeugschnittstelle Sensor Verkehrssituation Repräsentation des Verkehrsnetzes Verkehrsnetz Knoten Gewünschte Geschwindigkeit / Fahrtrichtung Kante Sinn Gefilterte / verzerrte Verkehrssituation Zustand Fahrbahn Umwelt Umwelt-Simulator 6

7 Architektur Garantie von Fahrtrechten Fahrzeuginformation Verkehrsregelung Verkehrs- regelungs- Simulator Zustand Position Anfrage Fahrersimulationsmodul Menschlicher Fahrer Fahrerassistenzmodul Fahrer-Assistenz Gefilterte Sensor Fahrzeug Tatsächliche Geschwindigkeit & Fahrtrichtung Verkehrssituation Zentrale Simulationseinheit Gefilterte 1 Fahrer-Simulator Aktionswunsch 2 wunsch Aktions Aktionskoordinator 5 Wahrnehmung Konfiguration Sensorinformation & eigener Zustand Fahrzeugschnittstelle Sensor Verkehrssituation Repräsentation des Verkehrsnetzes Verkehrsnetz Knoten Gewünschte Geschwindigkeit / Fahrtrichtung Kante Sinn Gefilterte / verzerrte Verkehrssituation Zustand Fahrbahn Umwelt Umwelt-Simulator 7

8 Architektur Garantie von Fahrtrechten Verkehrssituation Verkehrsregelung Verkehrs- regelungs- Simulator Zustand Position Anfrage 3 Fahrzeugschnittstelle Konfiguration Fahrzeuginformation Gefilterte Fahrer-Assistenz Sensorinformation & eigener Zustand 1 2 Aktionskoordinator Sensor 4 5 Repräsentation des Verkehrsnetzes Verkehrsnetz Knoten Gewünschte Geschwindigkeit / Fahrtrichtung Aktionswunsch Kante Sinn Fahrer-Simulator Menschlicher Fahrer Gefilterte Sensor Fahrzeug Tatsächliche Geschwindigkeit & Fahrtrichtung Verkehrssituation Zentrale Simulationseinheit Aktionswunsch Wahrnehmung Gefilterte / verzerrte Verkehrssituation Zustand 6 Fahrbahn Umwelt Umwelt-Simulator 8

9 Verkehrsnetzmodell Entwicklung eines Netzmodells basierend auf einer Analyse bestehender Simulationssysteme Netzgraph Kante als gerichteter Fahrweg mit mehreren Spuren Ein Knoten besteht aus mehreren Konnektoren Beim Befahren von Konnektoren müssen die Fahrzeugströme übergeordneter Konnektoren beachtet werden. 9

10 Verkehrsregelung Verkehrsregelung über unabhängige Instanzen Aktionsradius: Treffen von Vorgaben zur erlaubten Fahrweise Dynamische Vergabe von Vorfahrtsrechten Zustände der Verkehrsregelung nach außen hin repräsentiert durch Verkehrszeichen Verkehrszeichen besitzen Geltungsbereiche m 100 m Ampeln als spezielle Verkehrszeichen Einsatz mehrerer Verkehrsregelungseinheiten an verschiedenen Stellen des Verkehrsnetzes innerhalb eines Szenarios möglich 10

11 Simulationseinheit Zeitintervalle während eines Simulationsschrittes Wahl der Simulationsschrittgröße kritisch DAMAST - Driver Assistance using Multi-Agent Systems in TrafficDiplomarbeitsvortrag Oliver 11

12 Simulationseinheit Entwurf einer zentralen Simulationskomponente Zu bearbeitende Aufgaben während eines Simulationsschrittes: 12

13 Vorführung des Simulators 13

14 Evaluation Tests zur Skalierbarkeit 3 km Spezielles Verkehrsnetz für Evaluation Ergebnis: km 52 km Berechnungszeit Anzahl Fahrzeuge im Netz Dauer [ms] / Anzahl [Stück] km Erhöhung der Simulationszeit auf 987 ms Simulationsschritt Berechnungszeit skaliert linear zur Anzahl der im Netz befindlichen Fahrzeuge Berechnungszeit / Fahrzeug bleibt auch bei > 2000 Fahrzeuge im Netz konstant unter 1,5 ms 14

15 Evaluation Durchführung einer Evaluation zur Erweiterbarkeit des Systems Fünf Testpersonen mit unterschiedlichen Vorkenntnissen Abarbeitung eines Aufgabenkatalogs für die Erstellung neuer Komponenten: Verkehrsnetz, Verkehrsregelungseinheit, Sensor, Assistenzsystem Für jede Aufgabe: Anschließende Beantwortung eines diesbezüglichen Fragebogens Ergebnis: Alle Aufgaben konnten bewältigt werden Aufwand für Erweiterbarkeit des Systems vergleichsweise gering Berücksichtigung von Anregungen und Verbesserungsvorschlägen der Tester 15

16 Zusammenfassung System zur Verkehrssimulation unter Berücksichtigung von Fahrerassistenzsystemen Modulare Struktur Simulation unabhängig von vorgegebenem Fahrermodell Verkehrsregelung einfach austauschbar Flexible Erfassung statistischer Daten Simulation großer Fahrzeugmengen bei kleinem Simulationsschritt in Echtzeit möglich Danke für die Aufmerksamkeit! 16

17 Verkehrsnetzmodell Zwei Hierarchiestufen: Abstrakte Ebene vs. Detaillierte Ebene Hauptknoten und Sektionen (gerichtet) Einzelknoten und Kanten (gerichtet) 17

18 Verkehrsnetzmodell Entwicklung eines geeigneten Netzmodells basierend auf einer Analyse bestehender Simulationssysteme 18

19 Sensoren und Umgang mit en beschreiben die Umwelt Repräsentation Wert + Wertetyp: 50 km/h 100 m Typ: Geschwindigkeitsbeschränkung Entfernung zu Verkehrszeichen Einsatz von Sensoren als Mittel zur serfassung Einsatzort: im Fahrzeug oder statisch 19

20 Sensoren und Einsatz von Sensoren als Mittel zur serfassung Notwendige Vorraussetzung für Trennung zwischen Fahrzeug und Simulationseinheit Einsatzort: im Fahrzeug oder statisch Einsatz durch: Fahrzeug Verkehrsregelungseinheit statistische Einheit 20

21 Fahrzeugsteuerung Festlegung des Vorgehens bei der Fahrzeugsteuerung über eine Kombination von Fahrer und Assistenzsystem Aktionsspielraum von Fahrer / Assistenzsystem : Vorgabe einer gewünschten Geschwindigkeit Aktionskoordinator koordiniert Fahrer und Assistenzsystem Verschiedene Strategien: bevorzuge Fahrer, wähle sicherste Variante etc. Umsetzung der Anweisungen des Aktionskoordinators nur im Rahmen der Möglichkeiten des Fahrzeuges. Aktionskoordinator Intelligent-Driving-Model als Grundlage einer globalen Fahrerstrategie Einsatz beliebiger Assistenzsysteme (auch in Kombination) möglic 21

22 Fahrzeugsteuerung sfluss bei der Fahrzeugsteuerung 22

23 Fahrzeuginitialisierung Fahrzeuginitialisierung Konfigurierbare Fahrzeugquellen Problem: Kann ein initiales Fahrzeug F tatsächlich unfallfrei auf das Netz einfahren? Was ist die Startgeschwindigkeit? Kriterium für das Einsetzen von F Vorteil: i Kein Fahrzeug auf dem Netz darf überholt oder kollidiert werden. geschwindigkeitsabhängiger Mindestabstand Unfallvermeidung beim Einsetzen neuer Fahrzeuge Erzeugung von Kolonnen möglich i F i wurde noch nicht eingesetzt F i konnte nicht mit v start eingesetzt werden. F i konnte nicht mit v start eingesetzt werden. F i konnte nicht mit V(F j ) eingesetzt werden. v(f ) = v start (F ) i i [Einsetzkriterium erfüllt] [Einsetzkriterium nicht erfüllt] [Setze Position von F soweit zurück, bis Einsatzkriterien erfüllt] [Position nach Quelle] [Position vor Quelle] v(f ) = v(f ) i j [Einsetzkriterium erfüllt] [Einsetzkriterium nicht erfüllt] [Setze Position von F soweit zurück, bis Einsatzkriterien erfüllt] [Position nach Quelle] [Position vor Quelle] F i kann in diesem Simulationsschritt nicht eingesetzt werden und muss in den Puffer verschoben werden. F i kann an der berechneten Position eingesetzt werden. F i kann an der berechneten Position eingesetzt werden. F i kann an der berechneten Position eingesetzt werden. F i kann an der berechneten Position eingesetzt werden. 23

24 Bewertung Simulation eines Verkehrsszenarios unter Einsatz beliebiger Kombinationen von Assistenzsystemen, Sensoren, Fahrertypen, Verkehrsregelungseinheiten und Fahrzeugtypen möglich Skalierbarkeit: Simulationszeit skaliert linear zur Anzahl der im Netz befindlichen Fahrzeuge Simulationszeit / Fahrzeug bleibt auch bei > 2000 Fahrzeuge im Netz konstant unter 1,5 ms einfache Erweiterbarkeit des Systems wurde getestet Eigens entwickeltes Verkehrsnetzmodell gewährt optimale Grundlage für Simulation Hohes Maß an Flexibilität bei der Erfassung statistischer Daten 24

25 Implementierung Erzeugung eines Verkehrsszenarios über Managerklassen TrafficNetManager, TrafficControlManager, StatisticManager Konsequente Verwendung von Java Interfaces und Erzeugung von Elementen nur über Fabriken Beobachtermuster zur Trennung und flexiblen Kopplung der Komponenten Import eines Verkehrsnetzes aus VISSIM Textmanager sorgt für automatische Sprachanpassung Wahlweise als Applet oder als Java Applikation 25