Forschung für die Straßenbahn der Zukunft

Projekt MAAS untersucht Machbarkeit von Automatisierung und Teleoperation

2019/06/18

Wie lassen sich Assistenzsysteme beim Betrieb von Straßenbahnen nutzen, um die Sicherheit zu erhöhen? Kann man dafür Technologien nutzen, die bereits in Autos erprobt sind? Reichen diese auch aus, um eine Bahn vollautomatisch zu fahren? Wird ein Automatisierungssystem alle Aufgaben übernehmen können? Diese Fragen untersucht ein Promotionsvorhaben des Fachgebiets Fahrzeugtechnik im Fachbereich Maschinenbau der TU Darmstadt. Die Universität und Projektpartnerin HEAG mobilo gaben heute in Darmstadt gemeinsam einen ersten Blick in das künftige Forschungsfahrzeug.

Das Projekt MAAS („Machbarkeitsstudie zur Automatisierung und zu Assistenzsystemen der Straßenbahn“) ist eine Forschungskooperation zwischen dem Fachgebiet Fahrzeugtechnik der TU Darmstadt und der HEAG mobilo, die unter anderem die Straßenbahnen in Darmstadt betreibt. Außerdem sind die HEAG Holding AG und die Deutsche Telekom als Partnerinnen beteiligt. Bis Frühjahr 2021 sollen ausgewählte Assistenz- und Automatisierungssysteme prototypisch im Bereich Straßenbahn eingesetzt werden. Diese könnten im Zusammenspiel irgendwann einmal vollautomatische Bahnen durch den Verkehr lotsen. Doch eine vollständige Automatisierung aller Verkehrsmittel auf den Straßen wird noch mehrere Jahre dauern. MAAS untersucht daher auch, wie einzelne Teilfunktionen einer automatisierten Straßenbahn bereits heute als Assistenzsysteme zum Einsatz kommen könnten – und so bereits jetzt die Sicherheit im Betrieb mit konventionell fahrenden Straßenbahnen gesteigert werden könnte.

Klassische Zugsicherungssysteme sind nicht vollständig für das automatisierte Fahren auf den Straßen anwendbar, erklärt Timm Ruppert, der zusammen mit seinem Kollegen Patrick Pintscher das Projekt MAAS von TU-Seite betreut. Er gibt ein Beispiel: „Man könnte zwar die zulässige Streckengeschwindigkeit automatisiert vorgeben, aber nicht feststellen, ob zum Beispiel wegen anderer Verkehrsteilnehmer oder Lichtsignalanlagen langsamer gefahren werden muss.“

Messdaten werden gesammelt

Für die Grundlagenforschung von MAAS wird derzeit durch HEAG mobilo und die Projektverantwortlichen der TU eine Straßenbahn zum automatisierten und teleoperierten Fahren aufgebaut, die ab dem Sommer in Darmstadt Messdaten sammeln soll. Da die Grundlage für automatisiertes Fahren eine Erfassung der Umgebung durch maschinelle Wahrnehmung ist, werden Radar, Lidar und Ultraschall, Stereo-, Weitwinkel- und Infrarotkameras eingebaut, außerdem kommen in der Forschung moderne Methoden der Sensordatenfusion sowie maschinelles Lernen und hoch aufgelöste digitale Karten zum Einsatz.

Die mit dem Forschungsfahrzeug gesammelten Messdaten ermöglichen es einem Computerprogramm, Alltagssituationen zu lernen und wiederzuerkennen, die im realen Betrieb auftreten werden, um dann die richtigen Reaktionen einzuleiten. Dafür muss das System in der Lage sein, die mit den verschiedenen Sensoren erfassten Objekte als „Menschen“ oder „Autos“ zu klassifizieren, um Rückschlüsse auf ihr Verhalten zu ziehen und so etwa das Risiko von Kollisionen zu reduzieren. „Wie auch der menschliche Fahrer weiß, dass ein Auto schneller sein kann als ein Fußgänger, ist dies auch für Assistenzsysteme und automatisierte Fahrzeuge wichtig“, erklärt Pintscher.

Die Aufgabe ist komplex und geht so weit ins Detail, dass zwar Menschen nicht identifiziert werden, aber ihre Pose korrekt interpretiert werden muss. „Das bedeutet, dass in Echtzeit bestimmt werden kann, ob jemand auf die Bahn zu- oder von ihr weggeht, ob die Person die Bahn erkannt hat oder auf ihr Handy schaut“, sagt Ruppert.

Die von der Straßenbahn erfassten Umfelddaten werden für die Entwicklung von Algorithmen zum automatisierten Fahren verwendet. Diese Daten werden entsprechend dem aktuellen Stand der Technik geschützt und nur den Forschern zur Verfügung stehen. Die entwickelten Algorithmen werden in anschließenden Fahrten in einem passiven Modus erprobt, also ohne Eingriff in die Fahrzeugsteuerung. Fahrgäste, Fahrerinnen und Fahrer bekommen hiervon nichts mit. Erst in einem späteren Stadium werden die Algorithmen aktiv, mit Eingriff in die Steuerung, auf gesonderten Testfahrten erprobt. Hierbei werden keine Fahrgäste, aber immer ein Sicherheitsfahrer oder eine Sicherheitsfahrerin an Bord sein, die das System bei Bedarf übersteuern können.

Zweites Forschungsfeld Teleoperation

Das Projekt MAAS untersucht die Machbarkeit eines Systems nicht nur für den automatisierten, sondern auch für den teleoperierten Betrieb. Dabei werden Videobilder der Straßenbahn per Mobilfunk an einen sogenannten Operator-Fahrerplatz übertragen, von dem aus Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus der Ferne Steuerbefehle an die Bahn geben können.

Bereits heute ist absehbar, dass Automatisierungssysteme immer wieder an ihre Funktionsgrenzen stoßen werden. Das heißt nicht, dass diese Systeme unsicher sind, sondern es eine lange Zeit Aufgaben geben wird, bei denen der Mensch den Computer unterstützen muss. Zwei beispielhafte Szenarien für die Teleoperation als Erweiterung der Automatisierung: Eine Automatisierung wird immer besonders defensiv und vorsichtig fahren und nicht alle Situationen eigenständig lösen können. Die Hilfe des Menschen wird nach wie vor erforderlich sein. Kann nicht mit großer Sicherheit vorhergesagt werden, dass der Fahrweg hindernisfrei ist, ist ein automatischer Stopp einzuleiten. Liegt beispielsweise eine Einkaufstüte im Gleis, die das System jedoch nicht als solche erkennt und als unbekanntes Hindernis einstuft, bliebe die Straßenbahn stehen. In diesem Fall könnte eine speziell ausgebildete Person des Verkehrsunternehmens mittels Teleoperation die Steuerung kurzzeitig übernehmen. Des Weiteren ist denkbar, dass die automatisierte Fahrt für bestimmte Streckenabschnitte freigegeben wird, auf anderen Abschnitten aber weiterhin die Fahrt oder zumindest die Aufsicht durch einen menschlichen Fahrer vorgeschrieben ist. Diese Kombination ließe sich ebenfalls mit Hilfe der Teleoperation ermöglichen.

Testfahrten mit Sicherheitsfahrer

Für die Teleoperation müssen die Bilder ohne merklichen Zeitverzug von der Bahn zum entfernten Operator-Fahrerplatz übertragen werden. In Ballungsgebieten mit besonders vielen Mobilfunkteilnehmern reicht normales LTE (4G) nicht mehr aus. Daher soll der Vorteil des Mobilfunkstandards 5G im Projekt MAAS näher untersucht werden.

Zur Beantwortung der Forschungsfragen wird für die Teleoperation der gleiche Prototyp genutzt wie zur Erforschung der Automatisierung. Testfahrten werden stets mit Sicherheitsfahrer durchgeführt und sollen zunächst nur auf dem Betriebsgelände der HEAG mobilo erfolgen. Zu einem späteren Projektzeitpunkt sind auch Testfahrten – ebenfalls mit Sicherheitsfahrer – auf einer ausgewiesenen Teststrecke geplant.

„Mit diesem Projekt wollen wir herausfinden, ob die Automatisierung der Straßenbahn im Vergleich zu Automobilen leichter möglich sein wird, weil keine Bahnplanung benötigt wird, oder ob sie schwieriger ist, weil noch vorausschauender und präziser die Umwelt wahrgenommen werden muss“, sagt Professor Hermann Winner, Leiter des Instituts für Fahrzeugtechnik der TU Darmstadt.

sip