Automatisierung des Alltags
Informatik und Gesellschaft

Smart Traffic


Definition

In der Zukunft werden intelligente Netze dafür sorgen, dass wir nicht mehr ewig an Ampeln oder in Staus warten müssen. Dafür werden intelligente Netze sorgen, die es uns möglich machen werden, bequemer von A nach B zu kommen, um so Zeit und Nerven, sowie Geld zu sparen [2].

Smart Cars – auch bekannt als intelligente Autos, sind Fahrzeuge, welche mit einer systemgesteuerten Form von künstlicher Intelligenz ausgestattet sind.

Die Idee eines Smart Cars ist es, dem Fahrer von vielen der immer wieder auftretenden Aufgaben des Fahrens zu entlasten, um so eine Autofahrt angenehmer zu gestalten.

Befürworter für diese Art von technischer Innovation bemerken bei dieser Entlastung des Fahrers die Möglichkeit, die Straßen um einiges sicherer zu gestalten, als sie heute sind [2]. Die künstliche Intelligenz der Fahrzeuge spielt eine wichtige Rolle in Bezug auf Smart Traffic, immerhin sind sie Bestandteil des Systems, in dem alle miteinander kommunizieren.

Smart Traffic – mit diesem Begriff bezeichnen Fachleute ein Verkehrsnetz, welches intelligent die Steuerung von Verkehrsflüssen auf Basis von automatisch erhobenen Daten ermittelt. Daten, wie zum Beispiel die Verkehrsdichte, Wetterbedingungen oder Umweltbelastung, stammen von Sensoren am Straßenrand, von Kontaktschleifen in der Fahrbahn oder natürlich von Sensoren im Fahrzeug selbst, wie zum Beispiel GPS oder Ultraschallsensoren. Auch die Umgebung, sprich die Menschen im Verkehr spielen dabei eine Rolle. Diese werden ebenfalls in der Lage sein, Informationen zum aktuellen Verkehr geben zu können. Verkehrsleitzentralen kümmern sich anschließend darum, all die Informationen die übermittelt wurden, korrekt auszuwerten und weiterzugeben. Mit den gesammelten Daten lassen sich dann zum Beispiel Ampeln verkehrsgerecht schalten, sodass unnötige Wartezeiten vermieden werden können, Verkehrsströme umleiten oder Umweltzonen kurzfristig einrichten. Außerdem sollten Nutzer multimodal werden, das heißt die Möglichkeit haben, anhand der Daten eine effiziente Benutzung von verschiedenen Verkehrsmitteln hintereinander nutzen zu können. Damit ist zum Beispiel der Umstieg von Zug und Bahn gemeint, der heutzutage meist wegen Verspätungen nicht möglich ist [1].


Automatisierungsgrade

Was stellt man sich darunter vor?

Je unabhängiger komplexe Maschinen und Anlagen von menschlichen Eingriffen sind, desto höher ist der Automatisierungsgrad. Da es immer wieder neue Methoden und damit auch Fortschritte in der Signalerfassung und Signalverarbeitung gibt, konnte der Automatisierungsgrad wesentlich gesteigert werden. Dadurch werden Menschen von gefährlichen, anstrengenden oder Routine-Tätigkeiten entlastet. Die Qualität der Arbeit wird durch Automatisierung verbessert. Maschinen arbeiten in der Regel leistungsfähiger und senken die Personalkosten [3].

Welche Arten von Automatisierungsarten in Bezug auf Fahrzeuge gibt es?

Assistiertes Fahren

Als assistiertes Fahren bezeichnet man die Vorstufe des automatisierten Fahrens. Dabei führt der Fahrer dauerhaft die Quer- oder Längsführung aus. Andere kleinere Aufgaben werden zum Teil vom System ausgeführt. Wichtig ist, dass der Fahrer das System dauerhaft überwachen muss, um jederzeit zur Übernahme der Fahrzeugführung bereit zu sein.

Automatisiertes Fahren

Bei teilautomatisierten Fahrfunktionen handelt es sich um ein System, dass sowohl die Quer- als auch die Längsführung des Fahrzeugs für einen bestimmten Zeitraum oder in spezifischen Situationen übernimmt. Wie auch beim assistierten Fahren muss der Fahrer dauerhaft das System überwachen und in der Lage sein eingreifen zu können. Als Beispiel kann hier der Stauassistent betrachtet werden.

Wie auch beim assistierten Fahren muss der Fahrer dauerhaft das System überwachen und in der Lage sein eingreifen zu können. Als Beispiel kann hier der Stauassistent betrachtet werden.

Unter hochautomatisierten Fahrfunktionen versteht man ein System, welches für einen bestimmten Zeitraum oder in spezifischen Situationen die Quer- und Längsführung übernimmt. Dabei muss der Fahrer das System nicht mehr dauerhaft überwachen und erhält außerdem genügend Zeitreserven, bevor er wieder selbst übernehmen muss. Der Fahrer wird vom System vorher gewarnt.

Bei den vollautomatisierten Fahrfunktionen übernimmt das System die komplette Steuerung für einen definierten Anwendungsfall. Der Fahrer muss das System nicht überwachen. Das System ist in allen Situationen in der Lage, einen risikominimalen Zustand herzustellen.

Das autonome (fahrerlose) Fahren ist die höchste Stufe der Automatisierung im Fahrzeugbereich. Das Fahrzeug wird komplett vom System gesteuert und bringt die Passagiere vollständig vom Start bis zum Ziel [4].


Funktionsweise

Die Voraussetzung für eine breit gefächerte Einführung von Smart Traffic ist ein Vernetzungskonzept. Die Trägerschaft hierfür kann möglicherweise von einem staatlich anerkannten Akteur, einer privat-öffentlichen Konstruktion oder einem Unternehmenskonsortium übernommen werden, so eine Studie des Fraunhofer-Instituts.

In Japan gibt es bereits einen ähnlichen Service wie Smart Traffic, das „Vehicle Information and Communication System“ (VICS), welches dort von insgesamt ca. 90 Firmen unter Aufsicht des Staates finanziell sowie organisatorisch getragen und ermöglicht wird. Die Daten, die VICS für das Verkehrsnetz benötigt, werden aus einem öffentlichen Sensorennetzwerk gewonnen, wodurch den Verkehrsteilnehmern umfangreiche und kostenfreie Verkehrsinformationen geboten werden können. Für die aktive Nutzung des Systems werden VICSOnBoard-Units benötigt, welche in neuen japanischen Fahrzeugen bereits zur Serienausstattung gehören. In diesem, sowie in einigen anderen Punkten ist Japan Deutschland bereits einen Schritt voraus. Zum Beispiel gibt es in Japan bereits einen einheitlichen Standard zur Erfassung und Aufbereitung von Verkehrsdaten, welcher in Deutschland bislang noch nicht existiert [1].

Automatisiertes Fahren

Bestimmte Systeme in einem Fahrzeug wie z.B. das ESP, welches dem Fahrer hilft, in kritischen Situationen das Fahrzeug stabil auf der Straße zu halten ohne auszubrechen, gelten als Fahrassistenzsysteme, da sie nur einen bestimmten Teil der Fahraufgabe übernehmen. Automatisierte Fahrsysteme zeichnen sich dagegen vor allem dadurch aus, dass sie die Fahraufgabe für den Fahrer in speziellen Situationen oder Zeiträumen komplett übernehmen [6]. Autonom ist es dennoch noch lange nicht, denn ein autonomes Auto zeichnet sich dadurch aus, dass der Fahrer überhaupt nicht mehr ins Fahrgeschehen eingreifen muss und das Fahrzeug selbständig von A nach B fährt.

Wie funktioniert das autonome Auto?

Um zu erklären, wie das autonome Auto funktioniert, verwenden wir als Beispiel das Google-Auto, welches mit Hilfe künstlicher Intelligenz in der Lage ist, selbständig zu fahren. Das Google-Auto des Internetkonzerns fährt mittlerweile seit mehreren hunderttausend Kilometern auf der freien Straße. Dabei hatte es mit hektischem Straßenverkehr, bergigen Landstraßen oder auch Highways zu tun. Damit das ganze überhaupt funktioniert, werden für das Fahrzeug zahlreiche technische Hilfsmittel benötigt.

Das Google-Fahrzeug verfügt über einen hochsensiblen Laser, der auf dem Dach des Autos befestigt ist. Dieser Laser tastet die Umgebung um das Fahrzeug herum innerhalb weniger Augenblicke ab. Aus den gesammelten Daten wird eine detaillierte und dreidimensionale Karte erstellt. Die gesammelten Daten werden durch weitere Sensoren, wie zum Beispiel einem Radarmessgerät, welches an der vorderen und hinteren Stoßstange montiert ist, ergänzt und anschließend gleicht ein Boardcomputer diese mit hochauflösenden Karten ab. Diese Messgeräte arbeiten so schnell, dass das Auto der Zukunft auch am schnellen Verkehr teilhaben kann sowie unerwarteten Hindernissen ausweichen kann. Hinter der Windschutzscheibe befindet sich eine Kamera, welche Lichtsignale und Verkehrsschilder aufzeichnet. Diese werden ausgewertet und das Fahrverhalten des Fahrzeugs dementsprechend angepasst. An den Rändern befinden sich viele weitere Messgeräte und zu guter Letzt verfügt das Fahrzeug noch über einen GPS-Empfänger und ein Trägheitsnavigationssystem, womit das System in der Lage, ist den Neigungswinkel, die Geschwindigkeit und die Position zu bestimmen. GPS alleine ist viel zu ungenau, um den genauen Standort des Autos bestimmen zu können. Erst das Zusammenspiel aus Messtechnik, GPS und hochauflösenden Karten ermöglicht ein sicheres und planbares Fahrverhalten des Roboter-Autos.

Daimler oder Mercedes arbeiten ebenfalls an einem autonomem Auto. Bei diesen Herstellern sieht die Technik allerdings anders aus. Auf auffällige und teure Laser- sowie Radarscanner auf dem Dach des Wagens wird verzichtet, stattdessen dienen Stereokameras am Innenspiegel sowie Fern- und Nahbereichsradare als Augen des Fahrzeugs, sowie weitere Sensoren in den vorderen Kotflügeln, im Heck und im Bug [5].

Beispiele für automatisiertes Fahren

So gut wie jeder kennt mittlerweile den Stauassistent. Trotz der Bezeichnung Assistent handelt es sich um ein automatisiertes Fahrsystem. Fährt das Fahrzeug im Stauassistentenmodus, können dichte Verkehrsgeschehen bis zu einer bestimmten abgegrenzten Geschwindigkeit automatisch angepasst werden. So wird beispielsweise ständig der gewünschte Abstand zum vorderen Fahrzeug eingehalten sowie gleichzeitig die Spurhaltung kontrolliert. Sinn und Zweck des Stauassistenten ist, die Verkehrssicherheit zu erhöhen, da z.B. die Wahrscheinlichkeit einen Auffahrunfall zu begehen stark minimiert wird. Außerdem kann der Verkehrsfluss verbessert werden, sowie die Steigerung des Fahrkomfort, da dem Fahrer weniger Stress entsteht [6].

Hilfe beim Finden einer Parklücke

Die Grafik veranschaulicht, wie das Finden einer Parklücke mit der intelligenten Maschine-zu-Maschine (engl. M2M) Lösung das Leben in der Stadt einfacher macht.

  1. Sensoren am Auto erkennen, ob eine Parklücke besetzt oder frei ist und übermitteln diese Daten zum zentralen Server.

  2. Der Benutzer besitzt z.B. eine Smartphone App, welche beim zentralen Server nachfragt, ob eine Parklücke frei ist und führt den Benutzer daraufhin zu einer freien Parklücke.

  3. Die Bezahlung des Parkens geschieht automatisch durch die App.

  4. Außerdem erkennt die App, ob es sich bei bestimmten Parklücken um Eigentumsparkplätzen oder Parkplätze für Taxen oder Lieferdiensten handelt.

  5. Das System kann außerdem unterscheiden, wer dazu berechtigt ist, bestimmte Zonen befahren zu dürfen und welche nicht.

In dem Bild wird außerdem die intelligente Straßenbeleuchtung dargestellt, welche automatisch das Licht reguliert, wenn die Straße durch Fahrzeuge oder Menschen in Benutzung gerät [7].

Smart Transportation Video

Die Stadt hat jede Menge an Transportmöglichkeiten, Autos, Busse, Züge, U-Bahnen, tausende von bewegenden Teilen in einem gesamten System, welches stark an die Effizienz und Gesundheit der Stadt und der Menschheit geht.

Es ist eines der wichtigsten Systeme, welches sich ständig weiterentwickelt und auch weiterentwickeln muss.

Jeder geht zur Arbeit, sucht eine Parklücke oder wartet auf ein Paket, was auch bedeutet, mehr Verschmutzung, mehr verschwendete Zeit und mehr Gase. Ihr denkt der Verkehr wäre jetzt schon schlecht? Was denkt ihr, wie es in der Zukunft aussehen wird? Immer mehr Menschen verstopfen irgendwann das System.

Mehrere Meinungen und Vorschläge kamen zum Vorschein, wie zum Beispiel das Weiten der Straßen, um mehr Kapazität zu erreichen. Aber bevor man sich damit beschäftigt, sollte man sich erst mal mit anderen Problemen beschäftigen.

Alles beginnt mit Daten. Wir kriegen eine riesige Menge an Daten von Kontrollständen (toll booths), Verkehrsmustern (traffic patterns), Augenzeugen, Fahrgästen (fares), Zählern (meters), Kameras. Das Problem an der Sache ist, dass wir diese Daten nicht effizient nutzen. All diese Daten müssten in einer Zentrale miteinander verbunden werden, um die Stadt „smart“ zu machen. Um dieses System effizient zu gestalten, müssen viele Komponenten miteinander arbeiten.

In vielen Städten funktioniert es so, dass die Busse, Züge usw. alle ihre eigenen agencys besitzen, welche nur mit ihrer jeweiligen Sache beschäftigt sind. Werden gemeinsame Entscheidungen mit anderen agencys getroffen? Sagen wir z.B. ein Zug kommt 5 Minuten später an der Station an. Der Bus übernimmt diese Information nicht und fährt ab, bevor die Person aus dem Zug gestiegen ist und muss nun warten. Zeit geht verloren, Stress vorprogrammiert. Der Busfahrer kann allerdings nichts dafür, er hat nie etwas von den Informationen mitbekommen, dass der Zug später ankommen wird. Er hält sich bloß an den Plan, und genau da ist das Problem. Alles müsste in Echtzeit angepasst werden. Busse müssten warten, wenn ein Zug später erscheint oder es wird ein extra Bus losgeschickt. Alle Teile in diesem System müssten sozusagen synchronisiert werden, um besser und effizienter miteinander arbeiten zu können.

Informationen sorgen außerdem dafür, dass bessere Entscheidungen getroffen werden können.

Nehmen wir an, ein Unfall hat stattgefunden. Sensoren in der Straße senden Informationen direkt an Transportation Managers, welche bestimmte Muster berechnen, um Vorhersagen treffen zu können, um dem Rest des Systems in den nächsten Minuten oder Stunden helfen zu können. Andere können diese Informationen abrufen und dadurch effizientere, alternative Routen oder Mittel nehmen, basierend auf den Echtzeitdaten, um schneller ans Ziel zu gelangen. Die Zeit dafür, dass unser Transportation System zusammenarbeitet, ist jetzt. Die guten Neuigkeiten – es beginnt bereits zu passieren [8].


Chancen und Risiken

Stand und Ausblick der Entwicklung

Autos, die selber fahren können, sind nicht mehr Science Fiction, sondern modernste Technik. Trotzdem sollte man immer bedenken, dass die Forschung ein sehr zeitaufwendiger und intensiver Prozess ist. Der Straßenverkehr ist eine komplexe Struktur, die jeden Tag neue Situationen aufwirft, die selbst für Personen manchmal schwer zu handhaben sind. Durch das nicht Einhalten der Verkehrsregeln oder Missachtung von Verkehrsschildern der Verkehrsteilnehmer wird der Einsatz autonomer Autos erheblich erschwert und gefährdet. Bevor autonome Fahrzeuge auf den Markt gebracht werden, muss die Technik ausgereift sein, da es sonst eine hohe Gefahr für Strafen und Klagen gibt.

Der Prototyp der S-Klasse von Mercedes, welcher für autonomes Fahren getestet wird, hat bereits erfolgreich eine Strecke von 100 Kilometern in der Stadt- und im Überlandverkehr absolviert. Mercedes benutzt für die S-Klasse ihre neuste Technik und innovative Software. Mercedes nennt dies „Intelligent Drive“ und ist bereits erhältlich. Das System ist in der Lage autonom zu fahren, zu beschleunigen und zu bremsen. Auch komplexe Situationen, wie z.B. Kreisverkehre, Radfahrer oder extreme Situationen kann das Fahrzeug bewältigen.

Auch der deutsche Hersteller Audi ist im Gebiet der autonomen Fahrzeuge vorne mit dabei und kündigte an, dass bereits 2016 ein teilautonomer A8 auf den Markt kommen soll, welcher in der Lage ist, das Bremsen zu übernehmen, sowie das Lenken und Bedienen des Gaspedals, allerdings nur bis zu einer Geschwindigkeit von 50 km/h. Nissan, BMW und Volvo haben ebenfalls erkannt, dass das autonome Fahrzeug in der Zukunft eine große Rolle spielen wird und arbeiten derzeit an eigenständigen Lösungen.

So schön und bequem das Konzept der autonomen Autos klingt, einige Jahre wird es noch dauern, bis wir auf den deutschen Straßen damit fahren werden, denn nur weil ein Produkt in den Markt eingeführt wird, heißt dies nicht direkt, dass es sich auch durchsetzt. Nissan rechnet damit, dass die Einführung im Jahr 2020 beginnen wird. Bis die Straßen aber ausschließlich von autonomen Autos besetzt werden, werden wohl noch Jahrzehnte vergehen. So sagen Wissenschaftler voraus, dass ab dem Jahr 2050 ausschließlich selbstfahrende Autos benutzt werden [10].


Vor- und Nachteile

Die Vorteile, die autonome Fahrzeuge mit sich bringen, übertreffen die Nachteile bei weitem. Die Technologie ist so gut wie ausgereift und das Google-Car fährt bereits 2012 mit Zulassungsgenehmigung auf den öffentlichen Straßen im Bundesstaat Nevada, ohne je einen Unfall verursacht zu haben, ganz im Gegenteil. Google behauptet, dass mit den Autos 90% aller Verkehrsunfälle verhindert werden können. Es könne dadurch ein wirtschaftlicher Schaden verhindert werden, welcher von der American Automobile Association auf rund 450 Milliarden Dollar geschätzt wird.

Außerdem haben Studien ergeben, dass autonome Autos innerhalb einer Kolonne deutlich schneller und effizienter fahren. Die Folgen sind klar – weniger Stehzeiten und mehr Kraftstoff, der eingespart werden kann. Auch bei der Parkplatzsuche können autonome Autos hilfreich sein. Der Passagier braucht sich nicht mehr um das Finden einer Parklücke kümmern. Stattdessen wird von der Zentrale die Information an das Auto gesendet, wo eine Parklücke frei ist, und das Auto sucht daraufhin ohne Fahrer die Parklücke, parkt ein und teilt dem Besitzer den Standort mit [10].

Bereits 2011 stellte das Unternehmensberatung McKinsey Global Institute fest, dass sich bis 2019 weltweit rund 700 Milliarden US-Dollar jährlich einsparen ließen. In Deutschland wären es laut dem Hightech-Branchenverand Bitkom Einsparungen in Höhe von rund elf Milliarden Euro. Dies macht sich vor allem durch Kraftstoff- und Zeitersparnisse bemerkbar [1].

Natürlich gibt es wie bei fast allem auch zum autonomen Auto negative Aspekte, die man nicht außer Acht lassen sollte. Die Technologie könnte dazu verleiten, das Auto noch öfter zu nutzen, als wir es ohne hin schon tun. Dadurch würde gleichzeitig wieder das ohnehin schon hohe Verkehrsaufkommen noch weiter steigen. Auch muss stark auf die standardisierte Software aufgepasst werden, da bereits ein kleiner Fehler zu vielen Unfällen führen könnte. Ebenso wird es manche Hacker interessieren, sich in diese Software einzuhacken, vorausgesetzt die Software des Fahrzeugs ist mit dem Internet verbunden [10].

Die Gesetzgeber stehen vor einer großen Herausforderung, da die deutsche StVO bei Delikten immer davon ausgeht, dass ein menschlicher Fahrer am Steuer sitzt und auch die Rechtsprechung bezieht sich im Fall von Unfällen immer auf reale Personen. Was passiert, wenn ein autonomes Fahrzeug einen Unfall baut, während der Fahrer bereits ausgestiegen ist und das Fahrzeug weiter nach einem Parkplatz Ausschau hält? Das Verkehrsrecht und die Verordnung von Punkten oder Bußgeldern müsste also in vielen Bereichen erneuert werden [10].

Ein anderes großes Problem, um das sich die Menschheit und Nutzer heutiger sozialer Netzwerke Gedanken machen, ist, wie es mit dem Datenschutz aussieht, wenn etwa der PKW selbständig Fahrdaten an ein Rechenzentrum überträgt und dort mit anderen Daten verknüpft wird. Wie auch in sozialen Netzwerken handelt es sich hierbei um persönliche Daten des Autofahrers, aus denen leicht ein Bewerbungsprofil erstellt werden könnte. In diesem Fall lautet der Vorschlag der Fraunhofer-Wissenschaftler, dass die Nutzer Kontrolle über Daten erhalten [1].

Tabelle [10]

Pro

Contra

Unfälle können vermieden werden, dadurch drastische Reduzierung von volkswirtschaftlichen Schäden

Enorm hoher Aufwand für den Gesetzgeber

Erhöhung der Mobilität…

…, die zu einem erhöhtem Verkehrsaufkommen führt

Stehzeiten und Kraftstoffverbrauch werden eingespart

Kleiner Fehler in standardisierten Systemen führen zu vielen Unfällen

Hoher Fahrkomfort

Mögliche Angriffe durch Hacker