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Die nächste Runde ist eingeläutet

Ist autonomes Fahren in allen vorstellbaren Szenarien überhaupt möglich? Das beantworten die Experten unterschiedlich - und geben dabei Einblicke in spannende Entwicklungen der kommenden Jahre.


Datum:
01.02.2022
Autor:
Annemarie Schneider
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Seit Jahren prognostizieren Studien, dass voll automatisiertes und autonomes Fahren nicht mehr lange auf sich warten lässt. So gehen etwa die Autoren des Beratungsunternehmens Pricewaterhouse Coopers (PwC) in ihrer Erhebung "The transformation of the Automotive Value Chain" davon aus, dass 2030 der Anteil an selbstfahrenden Autos (Level 4 und 5) an den Neuzulassungen allein in Europa 28 Prozent beträgt. Vorschub geben diesen Prognosen Ankündigungen wie die von Sixt und Intel auf der letztjährigen IAA, ab 2022 Robotaxis in München einzusetzen.

Verbunden ist diese Entwicklung mit einer Vernetzung der Fahrzeuge untereinander sowie der Infrastruktur in der Umgebung. Dafür kann als Technologie entweder der WLAN-Standard 802.11p, kurz p WLAN, oder Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) dienen. Letztere nutzt Mobilfunk der vierten und fünften Generation (siehe "C-V2X versus p WLAN" S. 17) Welche Lösung das Rennen macht, ist nicht entschieden. Während etwa VW den WLAN-Einsatz in seinen Modellen forciert, neigen andere Hersteller wie BMW und Daimler zu C-V2X.

Generell eröffnet die Kommunikation unter zusätzlichem Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) die Möglichkeit, eine optimierte und neue Mobilität entstehen zu lassen. Die positiven Effekte daraus sollen von der Warnung vor Gefahrstellen über die Verkehrssteuerung für möglichst staufreie Fahrten und reduzierte Unfallzahlen bis hin zu neuen Diensten durch führerlose Autos reichen. Beispiel: Ein Passagier bestellt am Abend das autonome Fahrzeug für den nächsten Morgen an einen Ort, um ihn dort abzuholen. Exakt um die angegebene Uhrzeit steht das Vehikel vor der Tür und bringt ihn zum gewünschten Ziel.

Im Level-4-Modus

Auf dem Weg zu solchen Einsatzszenarien sind allerdings noch so manche Herausforderungen zu meistern. Ein Experte, der sich mit den Chancen und Hürden intensiv beschäftigt, ist Stefan Jenzowsky. Der CEO von Kopernikus Automotive in Leipzig und sein Team arbeiten an Anwendungen für automatisiertes und autonomes Fahren, auch in Kooperation mit verschiedenen Automobilherstellern. Ergebnisse hat er im letzten Herbst auf der IAA präsentiert. Im Zentrum: Automated Valet Parking (AVP) Typ 2, mit dem von außen die Autos durch das Parkhaus gesteuert und ohne Fahrer eingeparkt werden. Typ 2 definiert dabei eine neue Stufe der technischen Entwicklung, die eine entsprechend hohe Rechenleistung inklusive Einsatz von KI beinhaltet. "Die Steuerung erfolgt hier beim AVP extern, weil Fahrzeuge noch nicht über die entsprechende Leistung verfügen, um die notwendigen Berechnungen durchzuführen", erläutert Jenzowsky.

Was AVP Typ 2 als Level-4-Funktion kann, wurde den IAA-Besuchern gezeigt. Dazu hat Kopernikus Automotive das Messeparkhaus West mit Kameras an den Decken und WLAN-Hotspots ausgerüstet, welche es erlauben, das Auto zum Parkplatz zu navigieren und abzustellen. "In verschiedenen Szenarien haben wir mehrere Fahrzeuge gleichzeitig bewegt", sagt Jenzowsky. Zugleich entwächst AVP der Testphase. So steht die Funktion in verschiedenen begrenzten Flächen offen, etwa in Parkhäusern an Flughäfen wie in Stuttgart. Erste Serienmodelle (Mercedes S-Klasse/EQS, siehe auch Seite13 ) sind zur Nutzung befähigt.

Die Datenübertragung erfolgte bei Kopernikus Automotive standardmäßig über WLAN. "Wir können auch 5G adressieren, wenn die Kfz mit entsprechenden Antennen ausgestattet sind", so der CEO. Dass mit steigender Zahl an automatisierten Kfz und Ausbau der Mobilfunkinfrastruktur 5G eingesetzt werden muss, sieht er jedoch nicht."Es handelt sich um eine Möglichkeit zur Kommunikation. Sie wird aber nicht zwingend für automatisierte Fahrfunktionen an Bord eines Kfz gebraucht. Das ist eine Legende", so Jenzowsky. Das gelte auch für automatisierte Fahrten auf langen Strecken oder in Städten. Exemplarisch nennt er die Autos von Google und Teslas Autopilot, die ohne 5G laufen.

Ungeachtet dessen sei nicht abschließend geklärt, ob der Austausch zwischen Fahrzeugen überhaupt relevant sowie sicherheitserhöhend sei oder nicht. Jenzowsky fügt hinzu:"Solange wir andere Verkehrsteilnehmer wie 'stumme' Pkw, Radfahrer und Kinder haben, werden die Kfz auf Level 4 nicht miteinander kommunizieren, schon gar nicht über die eigenen Fahrfunktionen." Sie mögen sich vielleicht über Gefahren wie Glatteis warnen und bei einem Unfall Hilfe rufen, aber nicht im alltäglichen Fahrbetrieb in Verbindung treten. "Die Fahrzeuge müssen meiner Einschätzung nach weiterhin eigenverantwortlich durch Mischverkehr navigieren", sagt Jenzowsky. Dafür werden noch mehr Kameras, Radar, Sensoren und IT reingepackt.

Die Zukunft ist ungleich verteilt

Ob und wann Level 5 spruchreif wird, vermag der Unternehmer nicht zu prognostizieren: "Es würde bedeuten, dass ein Kfz sich genauso fahrerlos durch Shanghai bewegt wie durch Palermo und das Hinterland der Anden. Ein solches kann auf absehbare Zeit keiner bauen." Vielmehr geht er davon aus, dass Level 4 permanent weiterentwickelt wird. Dabei denkt er an die Ausweitung automatisierten Fahrens auf bestimmten Straßen, wie es in den USA mit Lkw auf bestimmten Highways praktiziert wird."Europas Autoindustrie ist hier im Aufholmodus. Ich halte daher automatisiertes Fahren beispielsweise von Berlin nach Garmisch-Partenkirchen in Reichweite", so Jenzowsky. Technologisch sei die Branche soweit. "Die Zukunft ist da, nur ungleich verteilt, rar und teuer. Wie stark autonomes Fahren auf Level 4 dann in der Breite Einzug hält, ist abhängig von finanziellen und gesetzlichen Rahmenbedingungen. Vielleicht zuerst bei Lkw auf der Langstrecke und bei Pkw beim automatisierten Parken."

Unterfüttert wird die Entwicklung des autonomen Fahrens in der IT- und Autobranche durch die Grundlagenforschung an den Universitäten. Zu den Vorreitern in diesem Feld gehört das FZI Forschungszentrum Informatik in Karlsruhe. Jüngst abgeschlossenes Projekt, an dem das Institut maßgeblich mitgewirkt hat: Der Aufbau des Testfelds Autonomes Fahren Baden-Württemberg. "Dabei hat es sich um ein vom Landesverkehrsministerium gefördertes Projekt gehandelt, um die Erprobung und Entwicklung autonomer Fahrzeuge zu unterstützen", sagt Projektleiter Christian Hubschneider. Ingmar Baumgart, der Leiter des Kompetenzzentrums IT-Sicherheit am FZI fügt hinzu: "Wir haben dafür die Infrastruktur zur Kommunikation der Fahrzeuge untereinander und mit der Umgebung installiert." Dazu wurden in Karlsruhe und Heilbronn in bestimmten Stadtvierteln an Kreuzungen vor allem Kameras und Sensorik sowie Access-Points für p WLAN angebracht, über die Fahrzeuge mit der Umgebung kommunizieren und sich selbstständig bewegen können. Die Entscheidung für die Technik gründet darin, dass die Hardware früher verfügbar war. Inzwischen erprobt das FZI Prototypen, die mit 5G arbeiten. "Aus technischer Sicht gibt es für unsere bisherigen Einsatzzwecke grundsätzlich keine gravierenden Unterschiede", sagt Baumgart.

In künftigen Projekten soll ermittelt werden, welche Technologien sinnvoll sind. "Interessant ist, wie viel Infrastruktur an Kreuzungen tatsächlich benötigt wird und ob etwa mit externer Infrastruktur Sensorik in den Fahrzeugen eingespart werden könnte", sagt Baumgart. "Oder ist es effizienter nur mit der lokalen Sensorik der Fahrzeuge zu arbeiten? Das sind Fragen für spannende Projekte der Zukunft."

Autonome Shuttles kommen an

Das Testfeld in Karlsruhe war ein Schritt dahin. Dieses wurde unter anderem auch im Stadtteil Weiherfeld-Dammerstock errichtet. Dort waren die drei Minibusse "Ella", "Vera","Anna" (EVA) von Ende April bis Ende Juni 2021 täglich sowie an den folgenden Wochenenden bis 1. August fahrerlos und voll automatisiert mit höchstens 20 km/h unterwegs und haben frei sowie auf Abruf Personen befördert. Zum Abschluss des Projektes wurde auch die Akzeptanz eines solchen Angebots ermittelt. Dazu hat Projektpartner Ioki als Dienstleister für datenbasierte Mobilitätsanalysen erste Ergebnisse geliefert.

Insgesamt wurden in der Testphase rund 1.200 Passagiere registriert und 750 Fahrten mit den EVA-Shuttles verzeichnet. Bis zu 35 Personen am Tag sind zugestiegen. "Die Fahrzeuge waren die gesamte Zeit über im Rahmen des Corona-Hygienekonzepts leider auf maximal drei Fahrgäste pro Fahrt beschränkt", bemerkt Hubschneider. Meistgefragter Start- und Zielort war die Stadtbahnhaltestelle Dammerstock. "Demzufolge fand die Idee eines Zubringers oder Abholers von der S-Bahn ins Quartier bei den Menschen in Weiherfeld-Dammerstock großen Anklang." Darauf lassen auch die Angaben der Nutzer zur Akzeptanz schließen. 93 Prozent der Befragten würden das EVA-Shuttle wieder nutzen und 73 Prozent haben sich während der Fahrt sicher gefühlt. "Die befragten Fahrgäste sehen einen deutlichen Mehrwert eines solchen Verkehrsmittels, wenn es technisch weiterentwickelt wird, technisch flüssiger und zuverlässiger läuft."

Zu diesem Zweck hat das FZI bereits im Shuttle-Betrieb regelmäßig Optimierungen durchgeführt."Während zwei Shuttles meist im Einsatz waren, wurden beim dritten potenzielle Neuerungen aufgespielt und das System fortwährend verbessert", sagt Hubschneider. So sei es etwa gelungen, noch während der Projektlaufzeit die Zulassung für die Fahrgeschwindigkeit bis 20 km/h zu erreichen.

Theoretisch hätten die Fahrzeuge im gesamten Stadtgebiet fahren können. Das verhindern allerdings zwei Restriktionen: die gesetzlichen Vorgaben, welche autonomes Fahren nur ortsgebunden zulässt (siehe "Rechtlicher Rahmen Level 4" S. 18), sowie die zulassungsbedingte Höchstgeschwindigkeit der Shuttles von 20 km/h. "Im Stadtgebiet Weiherfeld-Dammerstock ist alles 30-Zone, so dass die Einflüsse auf den laufenden Verkehr überschaubar waren", erläutert Hubschneider.

Das nächste Projekt, bei dem das FZI wieder mit von der Partie ist, befindet sich gerade in der Predemo-Phase. Dabei handelt es sich um ein großes europaweites Projekt, genannt Shared Automation Operating Models for Worldwide Adoption", kurz: SHOW. In Karlsruhe kommen wieder Shuttle-Busse zum Einsatz. Dieses Mal werden sie nicht nur Personen befördern, sondern dazu dienen, Pakete außerhalb der Rush Hour auszuliefern. "Darüber hinaus werden voll automatisierte Taxis unterwegs sein", sagt Hubschneider. Dazu baut das Forschungszentrum aktuell Autos basierend auf herkömmlichen Serien-Pkw mit entsprechendem Equipment auf. Alle Fahrzeuge werden sich wieder in einem festgelegten Areal bewegen und die installierte Infrastruktur nutzen. Voraussichtlich ab diesem Frühjahr rollen die Fahrzeuge durch die badische Stadt.

Wie steht es nun um den autonom fahrenden Pkw auf Level 4 oder 5 in Serie? Hier wollen sich die beiden Wissenschaftler nicht festlegen. Die Einschätzung von Hubschneider:"Die Hersteller fahren zweigleisig. Sie optimieren die Stufen 1 und 2 immer weiter mit neuen Assistenzsystemen. Gleichzeitig wird aktiv an Level 4 und 5 gearbeitet - und zwar ohne potenzielle Einschränkungen durch die vorhandenen Steuergeräte." Es werde nicht mehr versucht, unbedingt Stufe 3 zu erreichen.

Das Level 4,5

An der Entwicklung von Mobilfunk-, Sicherheitstechniken und Kommunikationsinfrastrukturen für das autonome Fahren arbeitet Hans Schotten. Er leitet als wissenschaftlicher Direktor nicht nur den Forschungsbereich Intelligente Netze am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), sondern ist auch Lehrstuhlinhaber für Funkkommunikation und Navigation an der TU Kaiserslautern. Sein Schaffen sieht er prinzipiell eingebettet in vier Innovationstracks, die den Bereich der Mobilität bewegen. Erstens, die Entwicklung hin zum automatisierten und autonomen Fahren der beiden Level 4 und 5. Zweitens, die Vernetzung der Fahrzeuge via p WLAN und 5G. Drittens, die Entstehung neuer Mobilitätskonzepte wie "Mobility on demand". Und viertens, die Elektrifizierung. "Diese vier Innovationspfade sind erst einmal unabhängig voneinander, befruchten sich aber gegenseitig und bewirken Synergien", konstatiert Schotten. Er beschreibt die Wirkweise:"Automatisiertes Fahren läuft auch ohne Vernetzung. Der Austausch von Daten mit der Umgebung, wie mit Ampeln, macht es jedoch deutlich einfacher und erhöht Komfort, Sicherheit und Effizienz." Zudem sind vernetzte Fahrzeuge steuerbar."So wäre es möglich, dass Fahrzeuge an Ampeln gleichzeitig anfahren, sobald diese auf Grün schaltet. Kommen dann noch Robocaps mit Elektroantrieb und Mobility-on-Demand-Dienste zum Einsatz, können Verkehrsflüsse und Mobilitätsbedarf geplant sowie Emissionen gesenkt werden", folgert Schotten.

An der Uni Kaiserslautern laufen daher verschiedene Projekte, die Smart-Mobility-Anwendungen entwickeln und praxisreif machen. Neben dem Einsatz von Flurfahrzeugen in Fabrikhallen steht teilautonomes Fahren von kleinen Roboterfahrzeugen sowie Kleinbussen auf dem Campus im Vordergrund. In allen Fällen können die Vehikel in schwierigen Situationen ferngesteuert werden und lernen im Betrieb permanent mittels KI hinzu. Schotten begründet:"In der Entwicklung verursachen die letzten drei Prozent an möglichen Szenarien 99 Prozent der Kosten. Das bedeutet: Mit wenig Aufwand kann sich ein Fahrzeug autonom auf einer einfachen Straße bewegen oder ein mobiler Roboter kann einfache Aufgaben erledigen. Die Herausforderung ist sicherzustellen, dass dies immer machbar ist."

Sein Ansatz ist deshalb, die Fahrzeuge nur mit der notwendigsten IT und elementaren Funktionen fürs autonome Fahren auszustatten und das Maximum an Prozessen in der Cloud stattfinden zu lassen. Zugleich ist ein Kontrollzentrum eingerichtet, in dem der Mensch bei Bedarf eingreift und das Gefährt durchnavigiert. Trifft eines auf eine Situation, die es nicht bewältigen kann, wird das Kontrollzentrum eingeschaltet und der Mensch steuert es durch. "Parallel dazu verfolgt ein Computer, wie der Mensch das Problem löst und die KI lernt es, dadurch selbst zu lösen", erläutert Schotten. Je mehr das System lernt, desto mehr Fahrzeuge können gesteuert werden, weil sie immer mehr kompliziertere Situationen beherrschen. "Ich nenne das Level 4,5. Hier bleibt der Mensch stets letzte Instanz", so Schotten. Damit bewegen sich beispielsweise kleine Outdoor-Fahrzeuge auf dem Uni-Campus, die Deliveryund Post-Dienste durchführen.

Als nächsten Schritt sieht der Experte für Künstliche Intelligenz die Öffnung des Campus nach außen für Nutzfahrzeuge, die auf das Gelände kommen. Dort werden sie in bestimmten Grenzen ebenfalls integriert und ferngesteuert. "Das sind besondere Szenarien, die wiederum in komplexere hineinwachsen", sagt Schotten. "Im finalen Stadium übernimmt das System das Fahren. Die KI weiß zum Beispiel, wo man hinwill, wie die Verkehrssituation ist und optimiert unter den Komfort- und Effizienz-Aspekten die komplette Fahrt." Wann wird sich ein Passagier ins Auto setzen können und durch den Berufsverkehr gefahren werden, ohne dass er oder sie etwas machen muss? "Frühestens 2035", meint Schotten. "Der Fortschritt in diesem Bereich ist extrem und der Zeitpunkt hängt davon ab, wie die Roadmap 'Vernetzung der Fahrzeuge' umgesetzt wird."

Vor allem die Einsatzzwecke und Art der Dienste werden den Datenbedarf bestimmen. Je höher die benötigte Datenrate und Geschwindigkeit, desto mehr spricht für die Nutzung des Mobilfunkstandards. Das könnte etwa bei der Übertragung von HD-Videostreams von einem Lkw zu einem folgenden Pkw der Fall sein, wenn die Sicht versperrt ist. Die darauf bezogene Vision des Elektrotechnik-Professors:"Der Lkw liefert die Daten nicht an den Fahrer, sondern an den Pkw. Dieser berücksichtigt automatisch bei seinem Fahrverhalten, was vorne passiert. In diesem Fall könnte der Lkw die Situation schon verarbeiten und beispielsweise rote Bremslichter entsprechend erfassen. Nach hinten meldet der Lkw nur das Signal: 'Achtung bremsen.' Durch das vorverarbeitete Signal würde eine niedrigere Bandbreite für die Übertragung gebraucht." Das setzt allerdings voraus, dass alle Autos hinter dem Lkw mit dem Signal etwas anfangen können. Da es wohl noch lange Mischverkehr geben wird, ist dieses Szenario in der Ferne.

Gleichwohl prognostiziert Schotten gewaltige volkswirtschaftliche Gewinne, wenn sämtliche Kfz autonom, elektrifiziert und vernetzt wären. Das betrifft unter anderem die Emissionsreduktionen. Hierzu führt sein Institut derzeit eine groß angelegte europaweite Studie durch. Ziel ist es, den klimatechnischen Nutzen in Zahlen zu fassen. Laut Schotten zeigen erste Ergebnisse, dass dieser signifikant sein könne. Dennoch betont der Experte gleichzeitig: "Am wichtigsten ist es aber, dass die Nutzer, die Bevölkerung mitgenommen und früh für die Akzeptanz dieser Technologien geworben wird."

C-V2X versus p WLAN: Technologien für vernetztes Fahren im Wettstreit

Zur Vernetzung des Verkehrs stehen zwei Standards zur Verfügung. Zum einen WLAN 802.11p, auch p WLAN oder in Europa ITS-G5 genannt. Dieser wurde vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) bereits vor über zehn Jahren veröffentlicht. Das WLAN-Netz existiert bereits und ermöglicht Kommunikation über Entfernungen von einigen hundert Metern in Echtzeit. Zum anderen gibt es den Standard Cellular-Vehicle-to-Everything-Communication (C-V2X), der Mobilfunk der vierten und fünften Generation (4G und 5G) nutzt und vom 3rd Generation Partnership Projects (3GPP) definiert wurde. Darüber lassen sich auch Daten in zentralen Verarbeitungsstellen mittels einer weiträumigen Netzwerkinfrastruktur übertragen. Gleichwohl ist diese noch nicht vorhanden. Das soll sich ändern. Zu diesem Zweck wurde ein Maßnahmenplan durch die Bundesregierung 2019 erstellt, durch den in den kommenden Jahren die Lücken im 4G-Netz geschlossen und der Ausbau der 5G-Infrastruktur befördert werden sollen. Zugleich haben Unternehmen angekündigt, 5G-Campusnetze zu installieren. Für die reibungslose Vernetzung von Fahrzeugen und dem Verkehr ist allerdings speziell der Standard 5G Standalone (5G SA) notwendig, welcher noch mal höhere Datenraten und niedrigere Latenz bietet im Vergleich zu 5G None Standalone. Und Ersterer steckt noch in den Kinderschuhen. Die Deutsche Telekom testet seit Ende des Jahres gerade 5G SA in den vier Städten Bonn, Düsseldorf, Frankfurt und Köln. Und Vodafone hatte im Sommer vergangenen Jahres nach eigenen Angaben mehr als 1.000 5G SA-Antennen im öffentlichen Netz errichtet. Des Weiteren hat der Mobilfunkanbieter 2021 beispielsweise auch im Porsche-Entwicklungszentrum in Weissach ein 5G-Standalone-Netz installiert.

Rechtlicher Rahmen für Level 4

Mit dem neuen Gesetz zum autonomen Fahren, das am 28. Juli 2021 in Kraft getreten ist, wurde gemäß Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur der Rechtsrahmen geschaffen, damit autonome Kraftfahrzeuge der Stufe 4 in festgelegten Betriebsbereichen im öffentlichen Straßenverkehr bundesweit fahren können.Das Ziel: Kfz mit autonomen Fahrfunktionen in den Regelbetrieb zu bringen. Als Einsatzszenarien sieht das Verkehrsministerium beispielsweise Shuttle-Verkehre von A nach B, nachfrageorientierte Angebote in den Randzeiten und Dual-Mode-Fahrzeuge wie beim Automated Valet Parking (AVP). Nach Ablauf 2023 will das Bundesministerium die Auswirkungen des Gesetzes evaluieren, vor allem mit Blick auf dem Gebiet des autonomen Fahrens und der Fortschreibung der internationalen Vorschriften sowie der Vereinbarkeit mit den Datenschutzbestimmungen.

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