Von der Idee zum Prototyp – Zuverlässige Entwicklung kooperativer Fahrfunktionen

Zukünftige kooperative Fahrfunktionen umfassen neben dem eigenen Fahrzeugsystem verschiedene Systemelemente, vom Backend über Übertragungsinfrastruktur bis hin zu fremden Fahrzeugen. Solche hochkomplex vernetzten Systeme lassen sich mit heutigen Methoden nicht mehr zuverlässig entwickeln und würden sehr hohe Kosten für Entwicklung, Integration und Test erfordern. Daher müssen solche Funktionen zukünftig mit durchgängigen Ansätzen frühzeitig umgesetzt und evaluiert werden, zum Beispiel mit der durchgängigen Werkzeugumgebung des Fraunhofer-Instituts für Kognitive Systeme IKS (früher: Fraunhofer ESK). Damit lassen sich innovative Fahrfunktionen beizeiten zur Marktreife bringen.

Durch die automatische Kooperation verschiedener Verkehrsteilnehmer können völlig neue Anwendungen erschlossen werden, die zu erhöhter Verkehrssicherheit und -effizienz beitragen. Ein Beispiel dafür sind Spursperrungen, bei denen kooperative Einfädelassistenten Staus reduzieren können.

Aufgrund des innovativen Charakters solcher auf starker Vernetzung beruhenden Funktionen, werden diese häufig komplett neu und individuell entwickelt. Die ersten umgesetzten Funktionen arbeiten mit einfachen Interaktionsmechanismen, wie dem unidirektionalen Auslösen einer Warnung bei einem Stauwarnassistenten und lassen sich mit aktuellen Software-Werkzeugen realisieren. Zukünftige kooperative Fahrfunktionen dagegen weisen komplizierte Interaktionsmechanismen auf, wie sie zum Beispiel für das automatisierte Einfädeln notwendig sind. Sie binden verschiedene Akteure ein, etwa andere Fahrzeuge oder Backend-Dienste, welche entscheidend zum Ausgang von Fahrentscheidungen beitragen.

Aktuelle Methoden und Werkzeuge bieten keinen Ansatz, fahrzeugübergreifende Funktionen überhaupt zu berücksichtigen. Aus diesem Grund erweitern und entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Kognitive Systeme IKS Modellierungsmethoden, um Anforderungen zukünftig interaktiv vernetzter Fahrzeuge zu erfassen und frühzeitig abzusichern. Dabei kann diese Modellierung auch als Grundlage in der weiteren Entwicklung und beim Prototyping kooperativer Funktionen verwendet werden.

Kooperative Fahrfunktionen können in den frühen Stadien der Entstehung aus Sicherheits- und Kostengründen nicht direkt auf der Straße erprobt werden. Stattdessen greifen Entwicklerinnen und Entwickler auf ein breites Spektrum an Simulationswerkzeugen zurück. Ausgehend von der umfassenden Modellierung des Systems, den benötigten Komponenten und auch der Umgebung können Module und Konfigurationen für die jeweiligen Tools mithilfe der Umgebung des Fraunhofer IKS automatisch erzeugt werden. Eine Kombination von erprobten und validierten Simulatoren aus den Bereichen Verkehr, Fahrdynamik und Kommunikation ermöglicht es, die geplanten Funktionen mit einem hohen Detailgrad zu untersuchen und kontinuierlich zu verbessern. Aussagen zum Verhalten des Systems im Zusammenspiel mehrerer Fahrzeuge, zu Dimensionierung und Parametrierung von Algorithmen sowie zu möglichen Randbedingungen und Grenzen lassen sich so leicht ermitteln  und im fortlaufenden Prozess berücksichtigen.

Hat sich eine Funktion in der Simulation bewährt, kann sie mit geringem Aufwand direkt aus dem Modell in einen Prototypen überführt und so im Fahrzeug unter realen Bedingungen getestet werden. Hierzu stellt die Lösung, die am Fraunhofer IKS erarbeitet wird, eine Ausführungsumgebung bereit, in der die gleiche Codebasis wie in der Simulation Verwendung findet. Auf diese Weise lässt sich die mehrfache Implementierung der gleichen Funktionalität in unterschiedlichen Umgebungen vermeiden, was Fehler reduziert und ein nahtloses Wechseln zwischen verschiedenen Phasen der Entwicklung ermöglicht. Im Laufe der Erprobung in realen Fahrzeugen wird eine Vielzahl von Daten gesammelt. Die hierfür benötigten Mess- und Erfassungspunkte können bereits im Modell definiert werden. So ist es ohne weiteres möglich, die Ergebnisse von Versuchsfahrten direkt wieder in das Modell zu integrieren und mit standardisierten Tools auszuwerten.

Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein verifiziertes und abgesichertes Modell einer Fahrfunktion. Dieses Modell kann automatisiert in eine Spezifikation für einen Zulieferer oder in die Umsetzung im Serienfahrzeug überführt werden.

Das Fraunhofer IKS bietet eine Toolkette für durchgängige Entwicklung, Evaluierung und Prototyping von verteilten kooperativen Fahrfunktionen. So können neue Erkenntnisse aus Erprobungsfahrten in das Modell einfließen und zuerst in der Simulationsumgebung evaluiert werden, bevor erneut aufwändige Fahrversuche durchgeführt werden müssen. Zusätzlich haben Entwicklerinnen und Entwickler solcher Funktionen die Möglichkeit, auf modellbasierte Methoden und Werkzeuge zurückzugreifen – vom modellbasierten Entwurf über Verifikation und Simulation bis zum Prototyping. Fahrzeughersteller, Zulieferer und Hersteller von Verkehrsinfrastrukturen können ebenfalls eigene Werkzeuge weiter nutzen – hier hilft Fraunhofer-Institut für Kognitive Systeme IKS, eigene Toolketten zu analysieren und durch Erweiterungen die Lücken für eine durchgängige Entwicklung zu schließen.