620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Grundlagen zur Kommunikation zwischen automatisierten Kraftfahrzeugen und Verkehrsteilnehmern
(2021)
Der heutige Straßenverkehr ist geprägt durch eine ständige Interaktion zwischen unterschiedlichen Verkehrsteilnehmern, um in geregelten oder ungeregelten Situationen einen reibungslosen Verkehrsablauf zu gewährleisten. Durch einen steigenden Anteil an automatisierten Fahrzeugen und Fahrfunktionen im Verkehrsgeschehen werden zwangsläufig auch die Interaktionen zwischen nicht-automatisierten Verkehrsteilnehmern und automatisierten Verkehrsteilnehmern unterschiedlicher Automatisierungsstufen sukzessive zunehmen.
Der vorliegende Forschungsbericht widmet sich der Frage, wie sich die heutige Kommunikation zwischen automatisierten und nichtautomatisierten Verkehrsteilnehmern unter Berücksichtigung einer zunehmenden Fahrzeugautomatisierung verändern wird und welche möglichen Folgen daraus auf die Verkehrssicherheit und Verkehrseffizienz erwartet werden müssen.
Im Mittelpunkt des Projekts stand eine Analyse, welche Kommunikationsmodelle zur Beschreibung der Interaktionen zwischen automatisierten und nichtautomatisierten Verkehrsteilnehmern geeignet sind. Dabei zeigte sich das Sender-Empfänger-Modell von SHANNON & WEAVER (1949) als geeignet, weil es den im Straßenverkehr üblicherweise kurzzeitigen und gerichteten Kommunikationsprozess durch seine klaren Elemente einfach beschreibbar macht. Zudem erscheint zielführend, die Perspektive und Kommunikationsmöglichkeit des aktiven PkwFahrers bzw. die des automatisiert fahrenden Fahrzeugs einzunehmen.
Dem aktiven Fahrer eines herkömmlichen Pkw steht zur Informationsübermittlung an seine Umwelt eine Vielzahl von Kommunikationsmitteln zur Verfügung, da er sowohl auf die technischen Möglichkeiten seines Fahrzeugs als auch auf seine menschliche Zeichengebung zurückgreifen kann. Diese wurden nach der Modalität, der Formalität, der Intentionalität und der Selektivität klassifiziert.
Diese Klassifizierung erfolgte in einer umfangreichen Sammlung an Interaktionsszenarien, in denen (mindestens) zwei Verkehrsteilnehmer miteinander interagieren. Zudem wurde eine Relevanzbewertung der verschiedenen Interaktionsszenarien hinsichtlich ihres Einflusses auf die Verkehrssicherheit, den Verkehrsfluss und das Verkehrsklima durchgeführt. Aus theoretischen Überlegungen und empirischen Studien wurden mögliche Kriterien abgeleitet, mit deren Hilfe eine qualitative Bewertung der Kommunikationsmittel in Abhängigkeit von der vorliegenden Verkehrssituation und der zu übermittelnden Botschaft durchgeführt werden konnte.
Die Interaktionsszenarien wurden anschließend dahingehend geprüft, ob die bislang genutzten Kommunikationsmittel eines herkömmlichen Pkw auch durch einen automatisiert fahrenden Pkw im Mischverkehr angewendet werden können. Dabei traten insbesondere diejenigen Szenarien in den Mittelpunkt, die vom Regelfall nach StVO abweichen und die im heutigen Verkehrsgeschehen nicht durch geeignete technologiebasierte Kommunikationsmittel verhandelt werden können. Im Rahmen eines Experten-Workshops, u. a. mit Vertretern aus den Bereichen der Arbeits-, Organisations- und Verkehrspsychologie mit Bezug zum automatisierten Fahren, wurde zudem eine Diskussion aus wissenschaftlicher Sicht angestoßen, welche neuen Kommunikationsmittel als Folge einer zunehmenden Fahrzeugautomatisierung möglich bzw. nötig sind.
Die Konsolidierung der wissenschaftlichen Beiträge aus dem Workshop sowie deren Gegenüberstellung mit den eigenen Ergebnissen bildeten den Abschluss der Forschungsarbeit. Auf Basis dessen konnten Handlungsempfehlungen für künftige Forschungsfragen und Studienansätze für die Gestaltung und Evaluierung neuer Kommunikationsformen aus wissenschaftlicher Perspektive abgeleitet werden, die bei der weiteren Forschung zu Fragen der Fahrzeugautomatisierung Eingang finden sollen.
Der nationale Objektkatalog für das Straßen- und Verkehrswesen (OKSTRA) und die DATEX II-Spezifikation auf europäischer Ebene sind zwei essentielle Standards für den homogenisierten Austausch von statischen und dynamischen Verkehrsdaten. Im Rahmen der Harmonisierung und Referenzierbarkeit beider Standards wurde ein Konzept für die Erzeugung eines ISO-konformen GML-Applikationsschema für DATEX II erstellt, in Anlehnung an das entsprechende Vorgehen bei OKSTRA zu GML. Dabei ist eine automatisierte Vorgehensweise für die Transformation des existierenden DATEX II-UML-Modells in ein ISO 19103-konformes Modell erarbeitet worden. Als Transformationsbasis diente die DATEX II-Version 3.0. Ausgehend von dem DATEX II-Plattform Independent Model (PIM) und dem entsprechenden DATEX II-UML-Profil – beide in Enterprise Architect verfügbar – bestand die erste Aufgabe darin, Regeln für eine Transformation in ein äquivalentes GML-Applikationsschema zu erstellen. Durch die Nutzung von Automatisierungs- und Codierungsfunktionen im Enterprise Architect ist es möglich, das komplette DATEX II-Datenmodell umzuwandeln. Um ein GML-Applikationsschema aus dem ursprünglichen PIM-Modell zu erstellen, war das Open-Source-Tool Shape Change, das sich über eine API mit Enterprise Architect (EA) verbindet, die erste Wahl. Im Zuge des Konzepts konnte allerdings Shape Change nicht ausreichend konfiguriert werden, um ein fehlerfreies Ergebnis generieren zu können. Als Alternative wurde letztendlich die eingebaute Funktionalität des Enterprise Architect verwendet. Durch den durchgängigen Einsatz des Enterprise Architect konnten reproduzierbare Ergebnisse und ein einfach zu handhabender Mechanismus erreicht werden, so dass jede Art eines zukünftigen DATEX II-Datenmodells einfach übertragen werden kann (auch Level-B-Erweiterungen). Als Ergebnis dieses Projekts ist ein Prototyp unter Nutzung der erarbeiteten Transformationslogik implementiert worden, der ein valides GML Applikationsschema für DATEX II darstellt. In einem abschließenden Schritt ist das abgeleitete GML Applikationsschema validiert worden, um eine ISO 19103 und ISO 19136-Konformität sicherzustellen. Im Ergebnis der prototypischen Implementierung ist aufgezeigt worden, dass eine Überführung des DATEX II-UML-Modells in ein GML-Applikationsschema möglich ist.
Kamera-Monitor-Systeme (KMS) verwenden links und rechts in Höhe der Außenspiegel angebrachte Kameras, um die rückwärtige Verkehrssituation anstatt mit herkömmlichen Außenspiegeln auf einem oder mehreren in der Fahrzeugkabine angebrachten Monitoren zu beobachten. Ein Vorteil des KMS-Einsatzes soll in einer verbesserten Fahrzeugaerodynamik liegen, die mit einem potenziell geringeren Treibstoffverbrauch und niedrigeren Geräuschemissionen einhergeht. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur freien Platzierung der Monitore in der Fahrzeugkabine. Welche Positionierung dabei die angenehmste und gleichermaßen sicherste Umsetzung im Vergleich zum Außenspiegel darstellt, wurde im Rahmen dieser Erhebung in drei Teilstudien eruiert.
In den Teilstudien wurden insgesamt vier Monitorpositionen untersucht: links und rechts an der A-Säule, mittig im Fahrzeug vor der Mittelkonsole, vor dem Innenspiegel oder zentral vor dem Tachometer (Kombiinstrument). Dabei wurden die Kamerabilder entweder auf zwei separaten Monitoren jeweils von der linken und rechten Außenkamera oder beide Bilder auf einem Monitor fusioniert dargestellt. Unterschiede zwischen diesen Positionen und zum Außenspiegel hinsichtlich psychologischer Aspekte (z. B. der Belastung bei Nutzung des Systems) und objektiver Maße wie der Objekterkennungszeit wurden erhoben. Auch Gewöhnungseffekte bei wiederholter Fahrt sowie Distanz- und Geschwindigkeitseinschätzungen unter Verwendung des KMS wurden untersucht.
Es konnten wichtige Erkenntnisse insbesondere zur Positionierung der Monitore gewonnen werden. Die Darstellung der rückwärtigen Verkehrssituation im Kombiinstrument wurde von Seiten der Probanden favorisiert. Diese positive Bewertung wurde ebenfalls durch die erhobenen objektiven Daten gestützt. So konnte beispielsweise nur für diese Monitorposition eine dem Außenspiegel gleichwertige Objekterkennungszeit gemessen werden. Mit allen anderen Positionierungen waren die Probanden langsamer. Auf diesen Erkenntnissen basierend werden abschließend konkrete Handlungsempfehlungen ausgesprochen.
Vor dem Hintergrund des zunehmenden Einsatzes von Elektrofahrzeugen im Straßenverkehr besteht ein wachsender Bedarf zur Bestimmung der Wahrnehmbarkeit von Fahrzeuggeräuschen durch Fußgänger, da sich Elektrofahrzeuge bei niedriger Geschwindigkeit nahezu lautlos bewegen. Ziel des Projektes ist die Erarbeitung von Aussagen über den Einfluss eines künstlich erzeugten Stationär-Geräuschs von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen auf die Sicherheit. Des Weiteren wurde erarbeitet, ob ein Stationär-Geräusch zur Vermeidung von Unfällen beitragen kann. Dazu wurden verschiedene sicherheitsrelevante Verkehrssituationen, verschiedene Stationär-Geräusche und auch Fahrgeräusche herangezogen. Für die Stationär-Geräusche wurden zwei Fahrgeräusche (UN-konformes Fahrgeräusch und US-konformes Fahrgeräusch) jeweils als Basis herangezogen und zusätzlich der Frequenzsprung durch prozentuale Frequenzänderung, eine Variation der Rauigkeit durch Veränderung der Frequenzabstände der tonalen Komponenten und ein Gesamtpegelsprung beim Wechsel von Stationär- auf Fahrgeräusch variiert, sodass insgesamt 58 verschiedene Geräusch-Variationen in drei Verkehrssituationen untersucht wurden. Insgesamt nahmen 40 Probanden (davon 20 Blinde und Sehbeeinträchtigte) an der Laborstudie teil. Sowohl in den Laboruntersuchungen, als auch im anschließenden Feldversuch mit Vertretern des Europäischen Blindenverbandes, der Autoindustrie, des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, der Bundesanstalt für Straßenwesen und Anwohnern wurde gezeigt, dass nicht generell jedes Stationär-Geräusch in jeder Fahrsituation zu einer besseren Detektion führt. Einige Stationär-Geräusche zeigen sowohl bei Normalsehenden als auch bei blinden und sehbeein-trächtigten Personen signifikante Effekte bezüglich der Detektionsfähigkeit. Es wurde gezeigt, dass deutliche Unterschiede zwischen Fahr- und Stationär-Geräusch z. B. durch Pegelsprung oder Frequenzsprung die Detektionsfähigkeit begünstigen
Seit vielen Jahren wird unter dem Begriff der Fahrerablenkung (driver distraction) diskutiert, welche Einschränkungen und Probleme durch die Bearbeitung zusätzlicher fahrfremder Tätigkeiten während des Fahrens in der Leistungsfähigkeit von Fahrern entstehen. Parallel zu dieser Debatte erwuchs in den vergangenen Jahren allerdings auch das Wissen, dass Fahrer trotz oftmals hoher Mehrfachbelastungen beim Fahren in der Lage sind, Unfälle zu vermeiden. Arbeiten im nicht-automatisierten Fahren zeigten, dass Fahrer bestimmte Fähigkeiten oder Eigenschaften besitzen, die es ihnen erlauben, die hohen Belastungen der Fahraufgabe und zusätzlicher fahrfremder Tätigkeiten zu regulieren und somit eine sichere Fahrleistung zu garantieren. Aufbauend hierauf konnte das abgeschlossene Projekt FE 82.0614/2014 zeigen, dass Fahrer vergleichbare Strategien zur Ressourcenregulierung in Übernahmesituationen des automatisierten Fahrens besitzen sowie dass sich Trajektorienbereiche auf der Straße definieren lassen, die Fahrer subjektiv als angemessen bewerten. Das aktuelle Projekt ist bestrebt, diese zwei Forschungsstränge zu kombinieren. Es wurde im automatisierten Fahren die Handlungsrelevanz der subjektiven Fahrleistungsschwellen im Sinne der Aktivierung von Fahrerstrategien untersucht. Dazu wurden die bereits bekannten Schwellenwerte im Rahmen einer Online-Studie um zusätzliche Situationsfaktoren erweitert und anschließend im Fahrsimulator überprüft. Des Weiteren wurde die Handlungsrelevanz dieser Schwellen sowohl im Fahrsimulator als auch im Realversuch untersucht. Ausgehend von den Ergebnissen wurden Empfehlungen für automatisierte Fahrfunktionen im Sinne adaptiver Mechanismen in der Trajektorienplanung abgeleitet
Lkw-Notbremsassistenzsysteme
(2020)
Notbremsassistenzsysteme für Lkw können einen großen Beitrag zur Verkehrssicherheit leisten, indem sie Unfälle, die von schweren Lkw verursacht werden, wirkungsvoll vermeiden helfen. Die aktuellen Anforderungen für diese Notbremsassistenzsysteme wurden allerdings vor über zehn Jahren festgelegt. Der Stand der Technik hat sich seitdem stark weiterentwickelt. Aufgabe der Bundesanstalt für Straßenwesen war daher, zu überprüfen, ob die technischen Anforderungen für Notbremsassistenz noch zeitgemäß sind oder ob eine Anpassung sinnvoll für die Verkehrssicherheit ist. Der technische Fortschritt im Bereich der Fahrerassistenzsysteme ist so groß, dass die vor knapp 10 Jahren festgelegten Anforderungen an Notbremssysteme heute nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen – sowohl hinsichtlich der in den derzeit geltenden Vorschriften explizit erlaubten Abschaltbarkeit der Notbremssysteme als auch hinsichtlich der geforderten Bremsleistung beziehungsweise des Geschwindigkeitsabbaus. Es war daher zunächst zu prüfen, ob die derzeit zulässige Abschaltbarkeit erforderlich ist, und falls ja, ob sie auf bestimmte Verkehrssituationen und Fahrzeugtypen eingeschränkt werden kann. Es war weiterhin zu prüfen, ob höhere Mindestverzögerungswerte gefordert werden können, ob insbesondere im Falle von stehenden Fahrzeugen vor dem Fahrzeug (z. B. am Stauende) Notbremsungen mit deutlich höherer Geschwindigkeitsreduktion eingeleitet werden können und durch die Systeme auch kleinere Fahrzeuge als bisher vorgeschrieben erkannt werden müssen. In Notbremssituationen ist es denkbar, dass Fahrer unabsichtlich eine Übersteuerung (und damit eine Abschaltung des Notbremssystems) vornehmen, indem sie beispielsweise „in das Pedal fallen“. Es sollte daher untersucht werden, ob dieser Fall relevant ist und Abhilfe bedarf. Auch eine Anpassung der Regelkriterien an unterschiedliche Straßenverhältnisse (Niedrigreibwert) sowie die Möglichkeit einer Warnung von Fahrern bei geringen Sicherheitsabständen sollte geprüft werden. Insbesondere die erforderlichen automatischen Geschwindigkeitsreduktionen bei bevorstehenden Kollisionen auf stehende Ziele können deutlich angehoben werden. Aus fahrdynamischen Grundlagen wurden, je nach Ausgangsfahrgeschwindigkeit, unterschiedliche Zeitpunkte für Bremseingriffe bestimmt. Als Voraussetzung für automatische Bremseingriffe wurde angenommen, dass diese spätestens dann gerechtfertigt sind, wenn ein menschlicher Fahrer keine Möglichkeit mehr hat, einem Zielobjekt auszuweichen. Messungen zeigen eine gute Übereinstimmung eines aus den Annahmen abgeleiteten Simulationsmodells mit den tatsächlichen Bremseingriffszeitpunkten und Bremseingriffen eines mit einem modernen Notbremssystem ausgerüsteten Lkw. Als Ergebnis wurden durchaus erzielbare Geschwindigkeitsreduktionen in Abhängigkeit von Ausgangsgeschwindigkeit und Fahrbahnoberfläche ermittelt, die sich als Anforderung für internationale Vorschriften eignen. Bezüglich der Abschaltbarkeit von Notbremsassistenzsystemen wurde anhand der durchgeführten Untersuchungen festgestellt, dass sich Fehlwarnungen im Fahrbetrieb, selbst unter Nutzung eines der derzeit am weitesten entwickelten Notbremssysteme, nicht gänzlich vermeiden lassen. Grund dafür ist im Wesentlichen die unzureichende Erkennbarkeit der Fahrerintention in bestimmten Verkehrssituationen. Fehlwarnungen in ungestörter Autobahnfahrt (= außerhalb von Autobahnbaustellen) konnten aber nicht gefunden werden. Aus technischer Sicht ist es daher sinnvoll, die Deaktivierbarkeit eines Notbremssystems nur in solchen Verkehrssituationen zu erlauben, in denen es durch Fehlinterpretationen seitens des Systems (Objekte abseits der Fahrbahn) zu Fehlfunktionen kommen kann. Ein Indikator hierfür kann eine bestimmte Geschwindigkeitsgrenze sein. Für eine zusätzliche frühzeitige Warnung des Fahrers bei zu geringem Mindestabstand ist gegebenenfalls eine Verbesserung der Verkehrssicherheit denkbar. Der tatsächliche Nutzen einer Abstandswarnung hängt aber davon ab, ob der Abstand irrtümlich oder bewusst gering gehalten ist und ob die Lkw-Fahrenden auf eine Warnung durch eine Vergrößerung des Abstands reagieren.
Thorax injury is one of main causes of serious injury in frontal collisions, especially for elderly car occupants. The anthropometric test device (ATD) THOR‐M provides chest deflection measurements at multiple locations, to assess the risk of thorax injury. For this purpose e, risk functions are needed that relate the potential criteria based on multipoint chest deflection measurement to in jury risk. Different thorax injury criteria and risk functions for THOR have been proposed [2‐3]. The criteria and functions are based on the traditional approach to developing injury risk functions using matched ATD and PMHS tests by relating the injury (number of fractures) to injury criteria. Regarding these studies, some limitations have been identified, in particular concerning the loading conditions of the data used (mainly 3‐point‐belt loading, high loading severity, out‐of‐date ATD versions. To extend the data set and overcome these limitations, a new approach for improved thorax injury criteria was applied within the EC‐funded project SENIORS. The new approach is based on matched frontal impact sled computer simulations with a model representing the latest THOR‐M ATD version, and matching simulations with a human body model (HBM) representing an elderly car occupant.
Internationale Aktivitäten der Forschung auf dem Gebiet "Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen"
(2000)
Eine Fülle von Aktivitäten ist derzeit auf den Gebieten Frontal- und Seitenstoß zu beobachten, die in Europa auf den beiden entsprechenden EG-Richtlinien aufbauen. Das EEVC führt seine Arbeiten, an denen die Automobilindustrie beteiligt ist, fort; hier sind insbesondere die Arbeiten zum Seitenstoß (Kopfaufprall und Barrierenvergleich) zu nennen. Auf weltweiter Ebene beginnen die Arbeiten der IHRA (International Harmonised Research Activities) in ein konkretes Stadium der Zusammenarbeit einzutreten. Auf dem Gebiet der Seitenkollision ist längerfristig ein neues Testverfahren geplant, in das der von ISO entwickelte WORLD-SID einbezogen werden soll. Es gibt derzeit viele ernsthafte Bemühungen der Forschung um Harmonisierung. Auch wenn es nicht zu einer weltweiten Harmonisierung kompletter Regelungen kommt, so gibt es doch Hoffnung auf eine weltweite Harmonisierung von definierten Teilbestimmungen in speziellen Regelungen, so zum Beispiel bezüglich der Testmethode, der Versuchspuppen und der Bewertung der Schutzkriterien. Der Name des EEVC, European Enhanced Vehicle-safety Committee, steht für die Weiterentwicklung der Fahrzeugsicherheit. Die beteiligten Regierungen sind überzeugt, dass moderne Technologien neue Möglichkeiten eröffnen, um die Sicherheit der Kraftfahrzeuge weiter zu verbessern.
Um die Automobilhersteller zu animieren, mehr als die gesetzlich geforderte Sicherheit anzubieten, haben strengere Versuche im Rahmen des Verbraucherschutzes in den letzten Jahren nicht nur in den USA, sondern auch in Europa deutlich an Bedeutung zugenommen. Besonders Initiativen aus England ist es zu verdanken, dass sich heute die Testverfahren nach dem sogenannten Euro NCAP, dem European New Car Assessment Programme, durchgesetzt haben. Diese Entwicklung wurde auch von der Europäischen Kommission unterstützt. Ziel des Euro NCAP ist es, die unabhängige und objektive Bewertung des Sicherheitsniveaus von Fahrzeugen zu einer transparenten und leicht verständlichen Verbraucherberatung zu fördern. Weiterhin sollen objektive Bewertungsverfahren entwickelt werden, um die Fahrzeughersteller zu ermutigen, die Fahrzeuge sicherer zu machen. Im Beitrag wird auf die Struktur des Euro NCAP sowie auf seine Arbeitsweise eingegangen. Vorgestellt werden ferner bisherige Testphasen mit Fahrzeugen deutscher Hersteller oder Tochtergesellschaften sowie deren Bewertung.
Bewertung der Fahrzeug-Fußraumintrusionen beim Offset Frontaltest gegen das Verformungselement
(1998)
In den Tests nach dem neuen Frontaltestverfahren (Entwürfe ECE R.94 sowie Richtlinie 96/79/EG und Ergänzung zu RL 70/156/EWG) entstehen hohe Verformungen der Fußräume der Versuchsfahrzeuge. Die Bewertung der Gefährdung der Insassen durch Intrusion, vorwiegend der Spritzwand begleitet von heftigen Bewegungen der Pedale, soll durch am Dummy zu messende Schutzkriterien erfolgen. Es ist vorgesehen, an den Dummies die Verschiebung des Schienbeins gegen das Knie, die Längskraft im Unterschenkel und den sogenannten Tibia Index zu messen. Um dieses zu ermöglichen, mussten an den vorhandenen Dummy-Unterschenkeln konstruktive Änderungen vorgenommen werden. Über die Herleitung der Schutzkriterien, Fragen bei der Anwendung dieser Kriterien sowie die technischen Einzelheiten und die Zertifizierung der neuen Dummy-Unterschenkel, welche die erforderlichen Messungen erlauben, wird berichtet.