Sichere Information durch infrastrukturgestützte Fahrerassistenzsysteme zur Steigerung der Verkehrssicherheit an Straßenknotenpunkten

Abstract

Die Entwicklungen im Bereich der Fahrerassistenzsysteme führen zunehmend zu Systemen, die den Fahrer auf der Bahnführungsebene unterstützen. Diese Systeme sind geprägt von direkten oder indirekten Eingriffen in den Fahrprozess und damit als sicherheitsrelevante Fahrzeugsysteme einzuordnen, für deren Betrieb hohe Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu stellen sind. Um eine angemessene Fahrerunterstützung zu realisieren, ist die umfassende Erfassung und Interpretation des Verkehrsgeschehens notwendig und damit eine Vielzahl von Informationen und Informationsquellen zu integrieren. Dies gilt insbesondere für die komplexen Verkehrssituationen an innerstädtischen Knotenpunkten. Als informationsverarbeitendes System können die Anforderungen dabei nicht allein auf die technische Zuverlässigkeit des Systems und der Systemkomponenten beschränkt werden. Die Forderung des sicheren Betriebs überträgt sich ebenso auf die im System enthaltenen und ausgegebenen Informationen. Die Informationen müssen eine geforderte Qualität erreichen, damit über die gesamte Verwendungsdauer der Informationen keine Gefährdung vom System ausgeht. Hierbei zeigt sich, dass keines der existierenden Modelle und den damit in Verbindung stehenden Methoden in den verschiedenen Fachbereichen eine einheitliche Beschreibung der Qualität von Informationen in Fahrerassistenzsystemen gestattet. In der Arbeit wird ein Qualitätskonzept zur Beschreibung und Bewertung der Qualität von Informationen innerhalb informationsverarbeitenden Systemen aufgestellt. Das Qualitätskonzept besteht aus einem Qualitätsmodell und einem Analyseverfahren. Das Qualitätsmodell bildet den Rahmen des Qualitätskonzepts. Über einen festen Satz von Qualitätsmerkmalen erfolgt die einheitliche und objektive Beschreibung sämtlicher auftretender Arten und Typen von Informationen. Zur Konkretisierung und Quantifizierung der Informationsqualität werden geeignete Qualitätsparameter herangezogen. Mit dem Analyseverfahren erfolgt die Beschreibung und Bewertung der Informationsqualität innerhalb des Informationsverarbeitungsprozesses des Systems. Das Verfahren orientiert sich an den Zuverlässigkeitsanalyseverfahren Fehlerbaum- und Ereignisablaufanalyse und gliedert sich in einen graphischen und analytischen Teil. Das Informationsflussdiagramm wird zur Modellierung der Informationskette herangezogen. Damit lässt sich der Informationsfluss von Systemen und Systemvarianten anschaulich und leicht verständlich darstellen. Zur Auswertung des Informationsflussdiagramms wird ein probabilistisches Auswerteverfahren aufgestellt, welches die Wahrscheinlichkeit, mit der die Anforderungen an die Qualitätsmerkmale erfüllt werden, nutzt. Die Verwendung des definierten Satzes von Qualitätsmerkmalen ist dafür eine wesentliche Voraussetzung. Die bestehenden Abhängigkeiten zwischen den Qualitätsmerkmalen in der Informationskette werden im Analyseverfahren berücksichtigt. Wesentliche Eigenschaften des Qualitätskonzepts sind die Analyse in verschiedenen Abstraktionsstufen, die Analyse von Systemkomponenten, die Möglichkeit des Vergleichs verschiedener Systemansätze und Systemvarianten sowie die interdisziplinäre Anwendbarkeit. Sämtliche Analysen können bereits anhand des Systementwurfs durchgeführt werden. Über das Analyseverfahren kann die Informationsqualität – in Abhängigkeit der Qualität der Eingangsinformationen und des implementierten Informationsmanagements – dargestellt werden. Anhand verschiedener Beispiele aus dem Bereich der Fahrzeugortung wird die praktische Anwendung des Analyseverfahrens verdeutlicht. Dazu wird ein System zur DGPS-Messung, eine Ortungskomponente bestehend aus GPS-Empfänger, Tachosignal und Kreisel sowie ein Navigationssystem näher betrachtet. Des Weiteren werden grundlegende Maßnahmen zur Fehlervermeidung und Fehlerbeherrschung aufgezeigt und deren qualitätssteigernder Effekt dargestellt. Basierend auf der Funktionalität eines Ampel- und Vorfahrterkenners werden verschiedene Systemansätze entworfen und hinsichtlich der Einhaltung der geforderten Informationsqualität untersucht. In einer vorangestellten Verkehrs- und Unfallanalyse werden Verkehrssituationen mit erhöhtem Konfliktpotenzial identifiziert und daraus Wirkungsfelder für Fahrerassistenzsysteme im innerstädtischen Straßenverkehr abgeleitet. Bei den Systementwürfen werden fahrzeugautonome, infrasturgestützte und kombinierte Ansätze untersucht. Fahrzeugautonome Ansätze werden mit Bildverarbeitungssystemen und digitalen Straßenkarten, die ergänzend die Verkehrszeichen als Attribute aufweisen, als Informationsquellen behandelt. Bei den infrastrukturgestützten Ansätzen kommen verschiedene Varianten der Nahbereichskommunikation an Verkehrszeichen und Lichtsignalanlagen zum Einsatz. Das Analyseergebnis zeigt, dass nur durch einen Ansatz mit fahrzeugautonomen und infrastrukturgestützten Komponenten die fahrerunterstützende Information in der geforderten Qualität bereitgestellt werden kann.

Progress of development of driver assistance systems have more and more lead to systems assisting the driver on guidance level. These systems allow direct or indirect driving process contact thus being safety relevant vehicle systems, and their operation requires high safety and reliability standards. To realize the necessary driver assistance, complete collection and interpretation of traffic actions are required and a number of information and information sources has to be integrated, especially in case of traffic situations at junctions in urban areas. The requirements, however, cannot only be reduced to technical reliability of the system and system components but have also to be extended to the information in- and output thus guaranteeing safe operation. This information has to reach the required quality thus avoiding any hazards during the complete time of information use. It is evident that none of the existing models and methods allow a uniform description of information quality of driver assistance systems. The thesis shows a quality concept for description and evaluation of information quality within information processing systems. The quality concept consists of a quality model and an analysing procedure. The quality model is the basis of the quality concept. All types of information are described by a fixed set of quality characteristic, and suitable parameters are used for concretion and quantification. Description and evaluation of information quality is effected by an analysing procedure based on the reliability analysing procedure (fault tree analysis and failure mode and effect analysis) and devided into a graphic and an analytic part. Information flow diagram is used for modelling of information chain. Thus information flow of systems and system variants can be shown easily. For evaluating the information flow diagram a probabilistic evaluation procedure is provided. The defined set of quality characteristics is an essential prerequisite. The consisting dependencies between quality characteristics within the information chain are also considered. Essential properties of the quality concept are the analysis of the different abstraction steps, the analysis of system components, the possibility of comparing of various system sets and system variants as well as the interdisciplinary applicability. All analyses can be already effected by means of the system draft. Information quality depending on the quality of input information and implemented information management can be presented by the analysing procedure. Various examples of vehicle navigation show the practical application of the analysing procedure, for example a DGPS measurement system, a navigation component consisting of a GPS-receiver, speedometer signal and gyro, and navigation system. Furthermore basic measures for error avoiding and error handling and the quality increasing effects are presented. Based on the functionality of a traffic signal and right-of-way assistance various system drafts are designed and investigated regarding the required information quality. During an a priori traffic and accident analysis situations with increasing conflict potential are identified and possibilities for driver assistance systems in urban areas derived. An accident avoiding potential of up to 20% is estimated. Within these drafts on board, infrastrucure based, and combined systems are investigated. On board systems are used with imaging systems and digital road maps containing traffic signs as attributes, and serve as information sources. In case of infrastructure based systems various possibilities of short range communication are used. The analysing result shows that only a system with on board and infrastructure based components provides driver assisting information of the required quality.