Positionierung als Cloud-Lösung für ISA (intelligente Geschwindigkeitsassistenz)

Moderne Automobile sind immer mehr fahrende Computer, die die Fahrzeugumgebung, den Fahrer und sein Fahrverhalten überwachen: Systeme, die zum Beispiel einen Spurwechsel ohne gesetzten Blinker direkt mit vibrierendem Lenkrad quittieren, müde Augen erkennen oder den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug kontinuierlich kontrollieren. Auch der in der EU ab 2022 für neue Fahrzeugmodelle verpflichtend geltende Intelligente Geschwindigkeits-Assistent reiht sich schützend ein. Alle diese Systeme sollen Unfallzahlen senken und das Fahren insgesamt sicherer machen. Schon heute – ohne verpflichtenden Einsatz – tun entsprechende Systeme ihren Dienst und geben einen Vorgeschmack auf das Kommende.

Zahlreiche Autofahrer haben erste Erfahrungen mit diesen Systemen machen können und dabei feststellen müssen, dass eine fehlerfreie Umsetzung der Geschwindigkeits-Assistenz nicht unter allen Bedingungen eine simple Sache ist: Da zeigt das Kombiinstrument im Auto Tempo 30 an, obwohl der Fahrer direkt vor der Einfahrt in die Dreißigerzone scharf links abgebogen ist, wo das Tempolimit nicht gilt. Oder der Fahrzeuglenker nimmt mit Erstaunen zur Kenntnis, dass auf der gleichen Strecke in umgekehrter Richtung die angezeigten Geschwindigkeitsbeschränkungen anders sind als in der aktuellen Fahrtrichtung, obwohl die gleichen Straßen befahren werden. Auf der Autobahn wird ein Tempolimit nicht erkannt, weil aufgrund der Wetterbedingungen und der komplett von LKW blockierten rechten Fahrspur die Verkehrsschilder nicht ordnungsgemäß eingelesen werden können. Ärgerlich, wenn dann das Kombiinstrument die 120 anzeigt, obwohl nur 80 erlaubt sind – ein kurzer, wärmender Blitz beendet dann oft die Gedankenspiele an das erinnerte Tempolimit an dieser Stelle.

Man muss kein Softwareingenieur sein, um sich vorzustellen, was noch so alles möglich ist: Was würde passieren, wenn das Auto die Maximalgeschwindigkeit auf Schildern falsch erkennt? Fährt man beispielsweise mit 120 über eine Stadtautobahn und die eingebauten Kameras erkennen ein 30-Schild. Wird diese Falschinformation womöglich vom Fahrzeug ausgewertet und leitet eine gefährliche Bremsung ein, mit der der Folgeverkehr nicht rechnet?

Alle Systeme verlassen sich auf smarte Kameras und somit auf jene Helferlein, die nicht nur ein Bild erfassen, sondern zusätzlich mit der Intelligenz ausgestattet sind, die gelieferten Informationen nach einem programmierten Schema auszuwerten. Diese erkennen die zulässige Maximalgeschwindigkeit über eine optische Erfassung der Schilder und geben diese Information im Display an die Fahrenden weiter; eine Geschwindigkeitsüberschreitung signalisiert das System durch ein Tonsignal oder eine Einblendung in das Kombiinstrument. Das funktioniert im Allgemeinen ganz gut, versagt aber natürlich dann, wenn keine freie Sicht zu einem Schild besteht.

Kamerabasierte Systeme allein reichen somit nicht aus, die zulässige Maximalgeschwindigkeit zuverlässig zu ermitteln. Im Sinne des Mottos „Redundanz schafft Sicherheit“ ist es sinnvoll, die Kameras bzw. die intelligente Fahr-Assistenz durch unabhängige Komponenten zu unterstützen. Eine naheliegende Lösung besteht in der Verwendung digitaler Karten im Fahrzeug. Ein Navigationssystem nutzt ganz natürlich eine digitale Karte. Solch eine Karte kennt typischerweise die Geschwindigkeitsbeschränkungen von Straßen, die Navigation weiß genau, wo sich das Fahrzeug auf der Karte befindet. Damit liegt die aktuell zulässige Höchstgeschwindigkeit auch in der Navigation vor und kann gemeinsam bzw. ergänzend mit der Information der Kamerasysteme genutzt werden, um akkuratere Ergebnisse zu erzielen.

Voraussetzung für die sichere Funktion der digitalen Karte ist natürlich die Aktualität der verfügbaren Daten. Angesichts der Update-Zyklen, selbst wenn sie OTA (over the air) stattfinden könnten, besteht natürlich immer die Möglichkeit von nicht bekannten Veränderungen. Das gilt umso mehr, wenn Navigationssysteme über CD, DVD oder USB aktualisiert werden müssen.

Jedoch verfügt nicht jedes Fahrzeug über ein Navigationssystem. Was ist spätestens ab 2024, wenn kein Fahrzeug mehr ohne ISA vom Band laufen darf, mit den niedrigpreisigen PKW, die kein Navigationssystem besitzen? Neben der Fahrzeugnavigation kommen in modernen Autos Lösungen zum Einsatz, die unabhängig von der Navigation einen elektronischen Horizont ermitteln, der ebenso auf einer digitalen Karte basiert. Die Funktion eines solchen elektronischen Horizonts ist für den Fahrer im Gegensatz zu einer Navigation jedoch nicht direkt sichtbar.

Nichts desto trotz muss bei solch einer Lösung die Fahrzeugposition auf einer digitalen Karte ermittelt werden. Die Eigenschaften der aktuell befahrenen Straße stehen am Ende wie bei einem Navigationssystem zur Verfügung, womit auch diese Lösung die zulässige Höchstgeschwindigkeit liefern kann. Die Positionsbestimmung, auf welcher Straße der digitalen Karte sich das Fahrzeug bewegt, findet im Fahrzeug statt. Beides – Navigationssystem wie elektronischer Horizont – stellen Anforderungen an die Hardware im Fahrzeug. Die digitale Karte muss gespeichert werden, die Positionsbestimmung belastet die CPU, die typischerweise mit vielen unterschiedlichen Aufgaben befasst ist. Deckt die Karte im Fahrzeug z. B. ganz Europa ab, dann können durchaus 15 GByte Speicher des Systems belegt sein. Um diese Karten aktualisieren zu können, ist weiterer Speicher notwendig, denn die „alte“ Karte soll so lange nutzbar sein, bis eine neue Karte zur Verfügung steht. Und unabhängig von der technischen Möglichkeit, OTA-Updates zu erhalten, muss das Fahrzeug zwingend mindestens über ein GPS-Ortungssystem verfügen.

Neusoft bietet eine Lösung an, bei der eine digitale Karte im Fahrzeug nicht zwingend benötigt wird. Somit entfällt auch ein teils zeitaufwändiges Update der Karte. Die digitale Karte wird zentral in der Cloud gehalten und dort zeitnah aktualisiert. Auch das Map-Matching erfolgt in der Cloud, während die GPS- bzw. Dead-Reckoning-Positionen im Fahrzeug erfasst werden. So lässt sich die Last für die CPU im Fahrzeug senken.

Bei der Ausgestaltung der Cloudlösung besteht weitgehend Flexibilität: Je nach Wunsch des Automobilherstellers oder eines Tier-1 kann Neusoft die komplette Cloud-Lösung bereitstellen, um die zulässige Geschwindigkeit direkt aus der Neusoft-Cloud abzufragen; die Lösung für den Geschwindigkeitsassistenten lässt sich aber grundsätzlich ebenfalls direkt mit gut überschaubarem Aufwand in jede andere Cloud integrieren.

Dieser Cloud-Service ist in der Lage, eine kurze Positions-Spur plus optionaler zusätzlicher Daten zu verarbeiten, um diese dann auf eine digitale Karte zu mappen. Im Fahrzeug sind damit lediglich noch ein GPS-Empfänger (im günstigsten Fall mit integrierte Dead-Reckoning) und eine Internetverbindung erforderlich. Eine Minimal-Logik, welche die Positions-Spur ermittelt und diese dann an den Cloud-Service sendet sowie die Antwort im Fahrzeug verarbeitet, wird zusätzlich benötigt. Eine komplette Positionierungslösung inklusive einer lokalen Datenbank oder Anbindung an eine Datenbank in der Cloud ist dann im Fahrzeug nicht mehr nötig.

Im Fahrzeug ist dafür eine Telekommunikationsbox (T-Box) erforderlich, die für die Verbindung ins Internet zuständig ist, wobei ein Client der Cloud sogar bereits in der T-Box integriert sein könnte. Zusätzlich wird ein GPS-Empfänger (am besten mit integriertem Dead-Reckoning) benötigt, um die Fahrzeugpositionen zu ermitteln, zu sammeln und diese in einen Cloud-Request zu verpacken. Im Fahrzeug braucht das System dann eine Software, um diese Daten innerhalb einer Anfrage an den Service zu schicken und als Resultat anschließend die entsprechende Geschwindigkeit aus den Antworten zu entnehmen.

Die ausgetauschte Datenmenge dafür ist vergleichsweise gering, weshalb keine besonderen Anforderungen an die Bandbreite der Verbindung bestehen. Pro Anfrage sind deutlich weniger als 1 KByte notwendig, und für das Ergebnis ist die Datenmenge noch kleiner, da im einfachsten Fall lediglich die Geschwindigkeit geliefert wird. Am Ende entscheidet die Verbindungsqualität über die Schnelligkeit der erhaltenen Informationen. Die Verarbeitungszeiten in der Cloud lassen sich im Vergleich zu den Latenzen bei Übertragung vernachlässigen.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung ist die Aktualität. Die digitale Karte liegt zentral in der Cloud und kann jederzeit bei Bedarf aktualisiert werden. Auf Änderungen des Straßennetzes kann sofort reagiert werden, so dass alle Fahrzeuge immer mit aktuellsten Informationen versorgt werden können. Theoretisch besteht die Möglichkeit, unmittelbar auf eine veränderte Straßenführung durch eine Baustelle zu reagieren, und auch temporäre Geschwindigkeitsbegrenzungen können sehr zeitnah berücksichtigt werden, sofern diese zur Verfügung gestellt und in der digitalen Karte entsprechend aktualisiert wurden. Unter der Voraussetzung, dass die digitale Karte aktuell ist, ist das Ergebnis rein technisch gesehen immer aktuell.

Der Nutzer wird nicht damit belastet, die Daten aktuell zu halten, und er kann dieses Daten-Update auch nicht künstlich verzögern. Da das Map-Matching in der Cloud stattfindet, müssen außerdem keine großen Datenmengen aus der Cloud geladen werden, was bei einem Map-Matching im Fahrzeug notwendig wäre.

Was passiert in der Cloud mit einer Anfrage? Im Gegensatz zur Positionierung im Fahrzeug kommt die Anfrage quasi aus dem Nichts. Es gibt keinerlei Vorgeschichte, die helfen könnte, die Mehrdeutigkeit von Positionen aufzulösen. Komplett unbekannt ist solch eine Situation für die Positionierung einer Navigation dennoch nicht. Sie ist etwa vergleichbar mit der Situation, wenn ein Fahrzeug aus dem Off-Road oder gar aus einem Parkhaus kommend auf das Straßennetzwerk trifft. Eine auswertbare Vorgeschichte gibt es so nicht, weshalb die Position auf das Straßennetz gemappt werden muss, ohne zu wissen woher es kommt. Dieses sogenannte „Stateless Map-Matching“ ist bereits integraler Bestandteil elaborierter Positionierungslösungen, aber mit dem Unterschied, dass diese Funktion bisher im Fahrzeug zuhause war und nicht in der Cloud.

Hier ist es möglich, von jahrzehntelanger Erfahrung im Fahrzeug auch in der Cloud zu profitieren. Problemszenarien sind aus vielen Jahren wohlbekannt und wurden gelöst. Die Erfahrung lehrt aber auch, dass ein zustandsloses Map-Matching ohne Vorgeschichte höchstens so gut sein kann, wie ein zustandsbehaftetes Map-Matching. Beim zustandslosen Map-Matching in der Cloud wird daher eine kurze Positions-Spur für das Mapping auf die digitale Karte verwendet. Die Spur kann bei Bedarf mit weiteren Daten angereichert werden, um Mehrdeutigkeiten aufzulösen. Zu solchen Mehrdeutigkeiten kommt es insbesondere, wenn Parallelstraßen sehr nahe beieinanderliegen. Es kann beispielsweise die Geschwindigkeit zusätzlich herangezogen werden, um eine Position zu plausibilisieren. Perfekt kann aber auch eine solche Lösung nicht sein.

Für eine optimale Lösung spielen daher die smarte Kamera, die integrierte Navigation und das Cloud-Map-Matching zusammen. Die Kamera liefert immer aktuelle Bilder und spielt ihre Vorteile bei bester Sicht aus, während bei ungünstigen Witterungsbedingungen und Abschattung von Schildern datenbank-basierte Lösungen Vorteile bieten. Die Cloud-Lösung punktet insbesondere mit ihrer Aktualität in Fällen, bei denen die Kamera versagt. Als Minimal-Setup kann die Cloud-Lösung die ideale Ergänzung zu einem kamerabasierten System sein. Ist schon ein Navigationssystem an Bord, bietet die Cloud-Lösung als kleine Ergänzung immer noch den Vorteil, im Zweifelsfall auf Änderungen im Straßennetz besser eingehen zu können. So könnte eine erst seit kurzem bestehende Baustelle mit geänderten Spurverläufen die Navigation an Bord schnell überfordern. Diese merkt zwar noch, dass das Fahrzeug sich nicht passend zur Karte bewegt, kann dagegen aber nichts tun. Sie könnte in solch einem Fall einen Request an die Cloud absetzen, die schon die geänderten Spuren kennt, diese berücksichtigt und daher das Fahrzeug korrekt auf die Straße mappen sowie die aktuell geltende Maximalgeschwindigkeit ermitteln.

Selbstverständlich ist es möglich, die Cloud ausschließlich im Bedarfsfall zu fragen. Sie erfordert nahezu keine Hardware-Ressourcen im Fahrzeug, was speziell Fahrzeugen ohne Navigation zugutekommt. So entsteht Sicherheit im Dienste des Fahrers durch Redundanz. Eine Positionierungslösung als Ergänzung aus der Cloud macht eine intelligente Geschwindigkeitsassistenz signifikant besser, ohne die knappen Systemressourcen im Fahrzeug zu belasten. (av)