Designing a cooperation space for software-defined vehicles

Abstract

The increasing role of software in vehicles presents great opportunities for enhanced smart city mobility solutions. Among those, is enabling the interactions of vehicles with one another and other digital objects, such as functions, in a shared digital space. In such a digital space, representations of vehicles and functions can interact and cooperate with each other. This thesis explores the design and implementation of digital Cooperation Spaces (CSs) to facilitate enhanced cooperation and coordination among Software-Defined Vehicles, infrastructure elements, functions and other stakeholders in a smart city environment. The core concept involves creating digital twins of physical entities within the CSs, enabling them to communicate, collaborate, and make informed decisions. Motivated by the complexity of modern transportation and the need for adaptive solutions, this work develops use cases and requirements for a cooperative system supporting the dynamic entry and exit of digital objects. Based on these, we outline the architectural considerations for developing such a system. Using these discussed considerations, this work presents a system architecture for such a cooperation system, along with a proof-of-concept implementation showcasing fundamental functionalities. This prototype implementation features the CSs and digital objects such as digital twins of vehicles and mobility functions. Furthermore, a simulation visualizes vehicles driving in a simulated urban environment and interacting with a CS and relevant functions. Then, the implementation is tested with an increasing number of participants in the CS to identify potential bottlenecks and future research areas. The work also highlights remaining challenges and opportunities for future investigation. Thereby, these findings guide the development and real world deployment of such a cooperation system and contribute to the creation of more sustainable and efficient urban environments and mobility solutions. Die zunehmende Bedeutung von Software in Fahrzeugen bietet große Chancen für verbesserte Mobilitätslösungen in Smart Cities. Dazu gehört unter anderem die Ermöglichung der Interaktion von Fahrzeugen untereinander und mit anderen digitalen Objekten, wie z. B. Funktionen, in einem gemeinsamen digitalen Raum. In einem solchen digitalen Raum können Darstellungen von Fahrzeugen und Funktionen miteinander interagieren und kooperieren. Diese Arbeit untersucht den Entwurf und die Implementierung digitaler Cooperation Spaces (CSs), um eine verbesserte Kooperation und Koordination zwischen Software-Defined Vehicles, Infrastrukturelementen, Funktionen und anderen Akteuren in einer Smart-City-Umgebung zu ermöglichen. Das Kernkonzept umfasst die Erstellung digitaler Zwillinge physischer Einheiten innerhalb der CSs, die es ihnen ermöglichen, zu kommunizieren, zusammenzuarbeiten und fundierte Entscheidungen zu treffen. Motiviert durch die Komplexität des modernen Verkehrs und den Bedarf an adaptiven Lösungen, entwickelt diese Arbeit Anwendungsfälle und Anforderungen für ein kooperatives System, das das dynamische Ein- und Aussteigen digitaler Objekte unterstützt. Auf dieser Grundlage skizzieren wir die architektonischen Überlegungen für die Entwicklung eines solchen Systems. Unter Berücksichtigung dieser Überlegungen wird in dieser Arbeit eine Systemarchitektur für ein solches Kooperationssystem vorgestellt, zusammen mit einer Proof-of-Concept-Implementierung, die grundlegende Funktionen demonstriert. Diese Prototyp-Implementierung umfasst die CSs und digitale Objekte wie digitale Zwillinge von Fahrzeugen und Mobilitätsfunktionen. Darüber hinaus visualisiert eine Simulation Fahrzeuge, die in einer simulierten städtischen Umgebung fahren und mit einem CS und relevanten Funktionen interagieren. Anschließend wird die Implementierung mit einer steigenden Anzahl von Teilnehmern im CS getestet, um potenzielle Engpässe und zukünftige Forschungsbereiche zu identifizieren. Die Arbeit hebt auch verbleibende Herausforderungen und Möglichkeiten für zukünftige Untersuchungen hervor. Damit dienen diese Erkenntnisse als Leitfaden für die Entwicklung und den Einsatz eines solchen Kooperationssystems in der Praxis und tragen zur Schaffung nachhaltigerer und effizienterer städtischer Umgebungen und Mobilitätslösungen bei.