Safety-Engineering-Methodik zur Laufzeitverifizierung und Proof of Concept für ein vernetztes autonomes Shuttle an Fußgängerüberwegen in einem Bus-Rapid-Transit-System (BRT).
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Worum geht es:
Zusammenfassung des Projekts
Die Herausforderung:
Mit welcher Herausforderung wandte sich das Unternehmen an das IESE?
Die Unterstützung:
Wie hat das IESE das Unternehmen konkret unterstützt?
Das Ergebnis:
Was sind die wichtigsten Ergebnisse des Projekts und was sind die nächsten Schritte für das Unternehmen?
Ihre Vorteile:
Das Fraunhofer IESE ist Ihr Partner für Sicherheitstechnik
In Hitachi-City, Japan, sollen autonome Shuttles das Bus-Rapid-Transit-System (BRT) verbessern. Hitachi-City will die Effizienz und Zuverlässigkeit des öffentlichen Nahverkehrs steigern und gleichzeitig dem zukünftigen Mangel an qualifizierten Fahrern entgegenwirken. Diese autonomen Shuttles verkehren auf speziellen BRT-Straßen, die eine reibungslose und unterbrechungsfreie Fahrt abseits des regulären Verkehrs gewährleisten. Allerdings kreuzen die BRT-Straßen reguläre Fahrspuren und Fußgängerüberwege, was das potenzielle Risiko von Zusammenstößen und damit von Schäden sowohl für die Verkehrsteilnehmer als auch für die Busfahrgäste erhöht.
Hitachi, Ltd. hat diese Herausforderungen erkannt und in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IESE einen bahnbrechenden dynamischen Safety-Engineering-Prozess entwickelt. Diese innovative Lösung erhöht die Sicherheit von autonomen Shuttles, insbesondere bei Interaktionen mit Fußgängern und anderen Verkehrsteilnehmern. Das System wurde systematisch entwickelt und auf dem Hitachi-Campus in Japan erfolgreich evaluiert, womit seine Wirksamkeit und Skalierbarkeit im BRT-System und in anderen realen Anwendungen gezeigt werden konnte.
Hinweis: Hitachi, Ltd. und Hitachi-City BRT sind zwei separate, unabhängige Unternehmen. Der betrachtete Anwendungsfall ist ein Beispielszenario, um die Anwendbarkeit unserer Lösung zu zeigen.
Die größte wissenschaftliche Herausforderung besteht darin, autonome Shuttles zu entwickeln, die nicht nur den Nutzen für die Fahrgäste erhöhen, sondern auch die Sicherheit gewährleisten. Die Bus-Rapid-Transit(BRT)-Straße weist zahlreiche nicht signalisierte und einige signalisierte Fußgängerüberwege auf, die aufgrund der häufigen Interaktionen zwischen Fahrzeugen und Fußgängern komplexe und dynamische Szenarien für die autonome Navigation darstellen. Bei herkömmlichen Ansätzen werden beim Betrieb des Systems oft Worst-Case-Annahmen getroffen, insbesondere in Bezug auf das Verhalten von Fußgängern. Diese Methode führt zu übermäßig konservativen Reaktionen an Fußgängerüberwegen und damit zu einer Leistung, die hinter der von menschlichen Fahrern zurückbleibt. Ein solches vorsichtiges Verhalten kann sich nachteilig auf die Effektivität, den Nutzen und die Akzeptanz von autonomen Shuttles sowohl bei den Betreibern als auch bei den Fahrgästen auswirken. Um dieses Problem anzugehen, sind innovative Lösungen erforderlich, die ein Gleichgewicht zwischen funktionaler Sicherheit und betrieblicher Effizienz in hochgradig dynamischen städtischen Umgebungen herstellen.
Im Rahmen der Zusammenarbeit trug das Fraunhofer IESE zu drei Schlüsselaspekten der Systementwicklung bei. Der primäre wissenschaftliche Beitrag besteht in der Integration dynamischer Sicherheitsmechanismen, um die Leistung des Zielsystems zu verbessern, indem zur Laufzeit realistische, menschenähnliche Annahmen zum Verhalten von Fußgängern an Überwegen getroffen werden. Um die Sicherheit zu gewährleisten, verwendet das System zunächst eine statische Parametrisierung des Fußgängerverhaltens im schlimmsten Fall, bei der unrealistischerweise davon ausgegangen wird, dass Fußgänger sich plötzlich mit Geschwindigkeiten bewegen könnten, die mit denen eines olympischen Goldmedaillengewinners vergleichbar sind. Dieser konservative Ansatz stimmt nicht mit den typischen Erwartungen menschlicher Fahrer überein, die das Verhalten von Fußgängern dynamischer einschätzen.
Das Fraunhofer IESE trug zur Verbesserung des Systems bei, indem es das Verhalten von Fußgängern aus der Perspektive eines menschlichen Fahrers analysierte und modellierte, wodurch das System in die Lage versetzt wurde, die Sicherheitsparameter dynamisch anzupassen, um sie besser auf Echtzeitsituationen abzustimmen. Dieser Ansatz macht die Reaktionen des autonomen Systems intuitiver und menschenähnlicher, was wiederum die Akzeptanz bei den Betreibern und Fahrgästen des Systems erhöht, da das Verhalten des Systems dem eines menschlichen Fahrers ähnelt.
Die signifikante Verbesserung der Systemleistung durch die Verwendung sicherer, aber realistischerer Sicherheitsparameter für bestimmte Situationen wird durch die vom Fraunhofer IESE entwickelte Methode »Situation-Aware Dynamic Risk Assessment« (SINADRA) erreicht. Diese Methode wird durch den »Symbiotic Safety«-Ansatz von Hitachi, Ltd. ergänzt. Zusammen bilden sie einen robusten Rahmen für die Verbesserung der Interaktion zwischen autonomen Fahrzeugen und Fußgängern in dynamischen Umgebungen.
Ein zweiter Beitrag fokussiert auf der Anpassung der Sicherheit der beabsichtigten Funktionalität (»Safety of the Intended Functionality (SOTIF)«). Die ebenfalls vom Fraunhofer IESE entwickelte Technologie der »Conditional Safety Certificates« (ConSerts) befähigt das System, sich dynamisch an SOTIF-Fehler anzupassen, die zur Laufzeit auftreten. Diese Fähigkeit gewährleistet, dass das System seine eigenen Fähigkeiten genau und sicher bewerten kann. Darüber hinaus werden alle für die Implementierung anderer Sicherheitstechnologien im Rahmen dieser Zusammenarbeit erforderlichen und davon betroffenen Fähigkeiten durch Anpassungen des Systems adressiert. Dieser Prozess erleichtert eine robuste und zuverlässige Anwendung dynamischer Risikomanagementstrategien zur Laufzeit, indem er geeignete Anpassungen des Systems ermöglicht.
Schließlich wurden diese Modelle mithilfe der »Digital Dependability Identities (DDI)«-Technologie in ausführbare Software umgewandelt und in die Zielsystemarchitektur des autonomen Shuttlebusses und des BRT-Systems integriert.
Das Gesamtsystem einschließlich der verschiedenen Technologien wurde für Fußgängerüberwege sowohl in Simulationen als auch an einem realen System auf einem geschlossenen Testgelände auf dem Hitachi-Campus in Japan erfolgreich evaluiert. Die Evaluierung ergab, dass sich die Systemleistung verbessert hatte, sodass das System an einem Fußgängerüberweg jetzt nicht mehr jedes Mal warten muss, wenn es auf einen Fußgänger trifft, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
Das sagt Dr. Masaya Itoh, Forschungsabteilung für autonome Steuerung:
Die Integration verschiedener dynamischer Laufzeit-Sicherheitsmechanismen – darunter Symbiotic Safety von Hitachi, Ltd., sowie die Technologien SINADRA und ConSerts des Fraunhofer IESE – wurde zusammen mit neu entwickelten systematischen Ansätzen für dynamische Sicherheit in einem realen System umgesetzt. Die Wirksamkeit dieser Technologien wurde mittels einer Echtzeitevaluation des entwickelten Systems nachgewiesen. In der nächsten Phase soll das autonome Shuttle auf weitere Szenarien ausgeweitet werden, mit dem Ziel, es auf der öffentlichen BRT-Straße einzusetzen.
Zusätzlich wurde der Referenzprozess des Fraunhofer IESE für dynamisches Safety Engineering im Anwendungsfall des BRT-Shuttles eingesetzt. Dieser Prozess hilft dabei, die Nachvollziehbarkeit verschiedener Artefakte aufrechtzuerhalten und unterstützt eine solide Sicherheitsargumentation. Durch die Nutzung dieses Fachwissens ist Hitachi, Ltd. nun gut aufgestellt, um den dynamischen Safety-Engineering-Prozess in anderen Anwendungsfällen und zukünftigen Entwicklungsprojekten in verschiedenen Bereichen anzuwenden.
Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE