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Ein möglichst barrierefreier Abstand zwischen Bus und Haltestelle macht den Ein- und Ausstieg nicht nur sicherer und komfortabler, sondern auch schneller.
Das Führungssystem nutzt Informationen von Videokamera und verschiedenen Sensoren, um den Bus automatisch zu lenken.
Der PC/104-Plus-Singleboard-Computer ist das Gehirn des optischen Führungssystems.
Die  Framegrabber-Karte ergänzt den Single Board Computer und wird einfach auf ihn aufgesteckt.

Busse sind in vielen Städten und Kommunen das bevorzugte Transportmittel im ÖPNV. Damit sie auch intensiv genutzt werden, möchten die Betreiber das Angebot gegenüber alternativen Verkehrsmitteln möglichst attraktiv machen. Jedoch haben Busse eine Schwachstelle: Der nicht definierte Abstand zwischen Haltestelle und Bus. So kann ein zu großer Abstand zwischen Bus und Haltestelle zur Stolperfalle für Passagiere werden – vor allem für Rollstuhlfahrer oder Fahrgäste mit Kinderwagen oder Trolleys. Außerdem muss der Fahrer vermeiden, gegen den Bordstein zu fahren. Denn das kann insbesondere bei hochgelegten Haltestellen, die für einen ebenerdigen Einstieg sorgen sollen, zu teuren Schäden an Fahrzeug und Reifen führen. Zudem ist das Anecken für die Fahrgäste nicht gerade angenehm und kann auch dazu führen, dass sie sich verletzen. Besonders problematisch ist, dass der Fahrer gerade im Haltestellenbereich gefordert ist: Er muss nicht nur auf potenzielle Gefahrensituationen für und durch Insassen und wartende Fahrgäste achten sowie aufmerksam den umliegenden Verkehr beobachten, sondern sich auch auf den präzisen Lenkvorgang konzentrieren, um die Haltestelle möglichst genau anzufahren. Und das etliche Male pro Schicht.

Fahren wie auf Schienen

Um den Busfahrer in dieser kritischen Situation zu entlasten, sowie die Sicherheit und den Komfort der Fahrgäste zu verbessern, hat Siemens das optische Führungssystem Optiguide entwickelt. Das System steuert den Bus mit einem Abstand von weniger als 5 cm an die Haltestelle. Es nutzt dafür spezielle Fahrbahnmarkierungen für die Orientierung. Dazu sind in den Bussen eine Videokamera an der Fahrzeugfront und ein Steuerungscomputer installiert. Der Fahrer kann den Lenkvorgang ganz dem System überlassen und muss sich nur noch – ganz wie in Schienenfahrzeugen – um Gas und Bremse kümmern. Möglich ist dies bis zu einer Höchstgeschwindigkeit von 70 km/h.

Weniger Kosten, mehr Fahrgäste

Mit seinem kompakten, modularen Aufbau und zahlreichen Ein- und Ausgängen kann das Führungssystem in alle Busse integriert werden: vom klassischen Dieselfahrzeug über Hybridbusse bis zum Oberleitungsbus (Trolley-Bus). Die maximale Fahrzeuglänge liegt bei bis zu 24 m. Aufgrund der einfachen Installation und den leicht aufzubringenden Fahrbahnmarkierungen betragen die Kosten für die Infrastruktur im Höchstfall rund ein Drittel im Vergleich zu Schienensystemen. Ein netter Nebeneffekt wird durch die automatische Buslenkung ebenfalls erzielt. Denn durch die Fahrbahnmarkierungen des Führungssystems können sich auch die Fahrgastzahlen erhöhen. Untersuchungen haben ergeben, dass Fahrgäste durch optische Landmarken wie Oberleitungen, Schienen oder eben auch spezielle Fahrbahnmarkierungen öffentliche Transportmittel besser annehmen und verstärkt nutzen, weil das Leistungsversprechen dadurch stets präsent ist und damit auch als Angebot wahrgenommen wird.

Die Fahrbahn fest im Visier

Die Kamera in der Fahrzeugfront nimmt kontinuierlich einen definierten Bereich vor dem Fahrzeug auf. Die Videosignale werden dann im Steuerungsrechner in Echtzeit verarbeitet, um die spezifischen Fahrbahnmarkierungen zu erkennen. Mit diesen Informationen berechnet das System die aktuelle Position. Das allein reicht allerdings noch nicht für die Berechnung der gewünschten Fahrkurve, um die Haltestelle exakt anzufahren. Hierzu muss das System noch auf weitere Fahrzeugparameter zurückgreifen. Zu den zu analysierenden Werten zählen beispielsweise die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit, die Gierrate (Drehrate um die Fahrzeughochachse) sowie die aktuelle Radstellung beziehungsweise der Lenkradwinkel. Um diese Daten auslesen zu können und den Hilfsmotor an der Lenksäule anzusteuern, der dann das Fahrzeug vollautomatisch an die Haltestelle lenkt, muss der Steuerungsrechner in die vorhandenen Bussysteme der Fahrzeuge integriert sein. Der Fahrer ist allerdings weiterhin verantwortlich für Gas- und Bremse. Für Notfälle ist es jederzeit möglich, die automatische Lenkung durch manuelles Eingreifen zu übernehmen, sodass der Fahrer bei plötzlich auftauchenden Hindernissen schnell ausweichen kann.

Hohe Rechenleistung gefordert

Diese Leistungsbeschreibung lässt bereits erkennen, dass die benötigte Verarbeitungskapazität im Vergleich zu anderen Fahrdynamik-Regelsystemen wie ESP oder ABS höher ist. Denn das System muss nämlich nicht nur die dynamischen Fahrzeugparameter in seine Berechnungen einbeziehen, sondern parallel auch den Videostream auswerten. Zum Einsatz kommen deshalb langzeitverfügbare Embedded-x86er-Prozessoren. Denn sie bieten sowohl die benötigte flexibel adjustierbare Rechenleistung, um Video- und Sensordaten in Echtzeit auszuwerten, als auch die passenden Entwicklungswerkzeuge, Tools und Algorithmen für die Videodaten-Analyse. Zudem gibt es auch ein großes Angebot an serienfertigen Hardware-Komponenten (components off the shelf, Cots), was die Entwicklung effizient und kurz hält.

Kleiner Formfaktor gefragt

Da der Steuerungsrechner in die vorhandene Fahrzeug-Infrastruktur eingebunden werden muss, sollte das System klein sein, damit es sich leicht in unterschiedliche Busaufbauten integrieren lässt. Typische Anforderungen im Verkehrswesen sind zudem ein zuverlässiger Betrieb, hohe Verfügbarkeit und lange Lebensdauer. Eine der wichtigsten Voraussetzungen dafür ist ein geschlossener Systemaufbau ohne anfällige Lüfter, die die Mean Time Between Failure (MTBF) des Systems negativ beeinflussen. Auch muss das System den Umgebungsbedingungen gewachsen sein. Eine hohe Resistenz gegen Schocks und Vibrationen, wie sie durch Schlaglöcher oder Motorvibrationen auftreten, war ebenso gefordert wie eine hohe Unempfindlichkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen und eine gute Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Klein, robust und erweiterbar

Für die Umsetzung bot sich ein embedded Formfaktor an, da er alle Anforderungen erfüllte: PC/104. Mit 90 mal 96 mm ist PC/104 einer der kompaktesten Formfaktoren. Der Formfaktor verfügt zudem über ein umfassendes Angebot nicht nur an CPU-Boards, sondern auch an Erweiterungskarten. Außerdem pflegt ein unabhängiges Konsortium den Formfaktor und er ist seit der Veröffentlichung der Spezifikation 1982 am Markt etabliert. Dadurch profitierte Siemens Transportation SAS von einer schlank gehaltenen Hardware-Entwicklung auf Board- und Systemlevel. Die erforderlichen Baugruppen konnten allesamt am Cots-Markt bezogen werden, waren schnell zusammengesteckt und die Entwicklung auf dem Zielsystem konnte quasi sofort beginnen. Außerdem gibt es von Seiten des Gehäuseaufbaus Standardlösungen. Siemens entschied sich jedoch, das Gehäuse-Design individuell aufzubauen, um so eine kompakte und platzsparende Lösung zu erhalten.

Für Automotive ausgelegte Komponenten

Als Komponenten wählte Siemens den PC/104-Plus-Single-Board-Computer Microspace MSM800SEL sowie die Framegrabber-Karte Microspace MSMG104+ von Kontron Compact Computers, die seinerzeit noch unter Digital Logic firmierte. Beide Boards kennzeichnen sich durch ihre hohe thermische, mechanische Resistenz sowie gute EMV und unterstützten auch das favorisierte Echtzeit-Betriebssystem QNX. Dieses Betriebssystem wird nicht von jedem Embedded-Hersteller mit Treibern für seine Boards unterstützt. So profitierte Siemens Transportation SAS von einem Partner, der aus einer Hand beide Boards liefern konnte und der zudem auch über profundes Betriebssystem-Know-how für Automotive- und In-Vehicle-Applikationen verfügt. Diese Konstellation verringerte den Aufwand beim Lieferantenmanagement.

Erweiterter Temperaturbereich

Der eingesetzte Single-Board-Computer (SBC) basiert auf dem energieeffizienten AMD-Geode-LX-Prozessor. Mit seinem erweiterten Temperaturbereich von -25 bis 70 °C ist er für den harten Einsatz in Bussen geeignet. Die 500 MHz Rechenleistung des Embedded SBCs ist mehr als ausreichend, um unter allen Einsatzbedingungen die Busse bis zu einer Geschwindigkeit von 70 km/h sicher zu steuern. Für die Verfügbarkeit ist prozessorseitig noch bis mindestens 2015 gesorgt. Die Framegrabber-Karte kennzeichnet sich sowohl durch ihre hohe MTBF von 200.000 Stunden sowie ihre hohe thermische Resistenz von bis zu -40 bis 85 °C.

Seit zehn Jahren im Einsatz

Mittlerweile sind beide PC/104-Plus-Boards seit über zehn Jahren in dem optischen Führungssystem integriert. Zum Einsatz kommen sie in verschiedenen Buslinien in Frankreich, Spanien und Italien und haben sich bei den Flotten-Betreibern als zuverlässige, ausfallsichere und effiziente Lösung bewiesen. Derzeit plant Siemens Transportation Systems SAS ein Upgrade für das vorhandene System. Der PC/104-Plus-Formfaktor bleibt dabei der Formfaktor der Wahl, da man so die mechanische Hardwarekonfiguration weiter nutzen kann.

Dass sich der Formfaktor weiterhin gut am Markt schlägt, liegt insbesondere an dem aktuellen Trend in der Prozessortechnologie hin zu Small-Form-Factor-Prozessorplattformen mit geringem Leistungsbedarf. Von Vorteil gegenüber ähnlich kleinen Formfaktoren ist zudem durch das breite Angebot an Cots-I/O-Erweiterungskarten, mit dem sich auch in Zukunft viele individuelle Systemlösungen schnell mit Standardbaugruppen umsetzen lassen.