Kooperatives autonomes Fahren

Dieser Forschungsschwerpunkt beschäftigt sich damit, die Grundlagen für ein Fahrerassistenzsystem zu entwickeln, welches ein autonomes Verkehrsmanagement umsetzt. Hierbei wird der Verkehr in zwei Perspektiven betrachtet. Zum einen wird der Verkehr auf mikroskopischer Ebene modelliert, um einzelnen Fahrzeugen das kollisionsfreie und autonome Passieren einer Kreuzung zu ermöglichen. Auf der anderen Seite wird das Verkehrsnetz in seiner Gesamtheit auf makroskopischer Ebene betrachtet und geleitet. Die Herausforderung ist neben der Untersuchung und Erweiterung dieser Ansätze die Kombination sowie die Umsetzung beider Betrachtungsweisen auf reale Straßennetze. Zukünftig sollen zusätzliche kooperative Ansätze zum autonomen Verkehrsmanagement betrachtet werden, um weitere typische Verkehrssituationen, wie z.B. das Einfädeln, zu meistern.

Autonomes Kreuzungsmanagement

Das auf der mikroskopischen Verkehrsebene angesiedelte autonome Kreuzungsmanagement sorgt dafür, dass ein Kreuzungsbereich mehrerer Verkehrswege kollisionsfrei bleibt. Hierzu wird für jedes in die Kreuzung eintretende Fahrzeug eine optimale Trajektorie berechnet, die es zu verfolgen hat.

Durch eine Formulierung des Problems als Netzwerkflussproblem kann für jedes Fahrzeug eine Lösung durch Anwendung der dynamischen Programmierung gefunden und eine kollisionsfreie Durchquerung der Kreuzung garantiert werden. Hierbei ist insbesondere die Echtzeitfähigkeit des Ansatzes zu erwähnen, da die Worst-Case-Laufzeit bekannt ist [Br11].

Simulation des autonomen Kreuzungsmanagements

Verteilte Verkehrsdichteregelung

Auf der makroskopischen Ebene werden keine einzelnen Fahrzeuge, sondern verkehrsmakroskopische Größen wie die Verkehrsdichte, der Verkehrsfluss oder die mittlere Geschwindigkeit betrachtet. Ziel ist es, Fahrzeuge im Straßennetz so zu beeinflussen, dass es zu keinen Stauungen kommt und alle Fahrzeuge störungsfrei „abfließen“ können.

Hierzu wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt, der auf einer verteilten Regelung, den sog. Konsens-Algorithmen, aufsetzt. Ziel des Algorithmus ist es, in einem definierten Bilanzraum eine gleichmäßige Verkehrsdichte einzustellen (= Konsenszustand). Um dies zu ermöglichen, erhält jede Kreuzung einen Kreuzungsmanager, der die Geschwindigkeiten und Routen der Fahrzeuge beeinflussen und mit den anderen Kreuzungsmanagern kommunizieren kann. Hier ist die Topologie der Kommunikation von entscheidender Rolle. Durch geeignete Beeinflussung der Fahrzeuggeschwindigkeiten und –routen einer Kreuzung kann auf diese Weise die Verkehrsdichte erhöht oder verringert werden bis eine gleichmäßige Verkehrsdichte für alle Kreuzungen eines Bilanzraumes erreicht ist [Wu14].

Beispiel für einen Bilanzraum für die verteilte Verkehrsdichteregelung

Weitere Forschung zum kooperativen autonomen Fahren

Die zuvor genannten Ansätze enthalten noch einige ungeklärte Fragestellungen wie etwa die Wahl eines Bilanzraumes oder des Hierarchisierungsansatzes, welche in der Zukunft geklärt werden sollen.

Durch Modellbildung und Simulation (z.B. durch Verkehrssimulationsprogramme wie SUMO) können Analysen zu bestehenden Straßennetzen durchgeführt und als Grundlage weiterer Forschung herangezogen werden. Im folgenden Bild sieht man beispielhaft die Verkehrsdichte einer Verkehrssimulation der Paderborner Innenstadtkreises.

SUMO Verkehrssimulation

Gemessene Verkehrsdichte einer Simulation des Paderborner Innenstadtkreises (Rot: Hohe Verkehrsdichte, Grün: Geringe Verkehrsdichte)

Zukünftig wird zudem das Ziel verfolgt ein ganzheitliches autonomes Verkehrsmanagement zu entwickeln. Hierbei sollen die zuvor erwähnten Ansätze kombiniert und erweitert werden. Die Schwierigkeit liegt dabei in der nahtlosen Kombination von mikroskopischen und makroskopischen Verkehrsmodellen und deren Anwendung auf reale Straßennetze und Situationen. Daher sollen die Ansätze derart umgesetzt werden, dass diese in mittels unseres Fahrsimulators in einer virtuellen Verkehrsumgebung getestet und auf Akzeptanz bei den Fahrern geprüft werden können.

Ausgewählte Veröffentlichungen:

• [Br11] Trajektorienplanung mittels Diskretisierung und kombinatorischer Optimierung am Beispiel des autonomen Kreuzungsmanagements für Kraftfahrzeuge, Thorsten Bruns, 2011, Dissertation, Universität Paderborn
• [Wu14] Consensus coordination in the network of Autonomous Intersection Management, Chairit Wuthishuwong, 2014, Beitrag in Informatics in Control 2014, Universität Paderborn