Interview: TUM erforscht „digitalen Zwilling“ der Infrastruktur

Auf einer Teststrecke der A9 bei München, Höhe Garching, erprobt ein Forschungsteam der Technischen Universität München die enge Verknüpfung von Fahrzeug und Straße. Im Gespräch mit VM erklärt Projektleiter Prof. Dr. Alois Knoll Hintergründe und Chancen des Modells Providentia++.

Prof. Dr. Alois Knoll ist Mobilitäts-Experte und Lehrstuhlinhaber an der TU München für den Fachbereich Robotik, Künstliche Intelligenz und Echtzeitsysteme. | Bild: TUM
Prof. Dr. Alois Knoll ist Mobilitäts-Experte und Lehrstuhlinhaber an der TU München für den Fachbereich Robotik, Künstliche Intelligenz und Echtzeitsysteme. | Bild: TUM

Ziel dieses Projektes ist die Erforschung des Zusammenspiels vernetzter Fahrzeuge mit digitalen Systemen und Infrastruktur. Auf welche Initiative hin ist es entstanden und was sind die Erwartungen?

Prof. Dr. Knoll: Das Projekt Providentia wurde von der Koordinierungsstelle für Autonomes Fahren des Bundesverkehrsministeriums in Berlin 2017 gestartet. Es ging – und geht – um die Frage, wie eine digitalisierte Autobahn der Zukunft aussehen könnte. Und um die möglichst präzise Erfassung des Gesamtzustandes des Verkehrsgeschehens mit Hilfe von ausgefeilter Sensorik wie Kameras, Radaren, Lidaren. Wir sprechen hier von einem digitalen Echtzeit-Zwilling im Rechner. Alles was unsere Sensorik sieht, geht nach einer Vorverarbeitung in den Rechner und kann dort weiterverarbeitet werden. Daher der Begriff des Zwillings. Man könnte auch von einem präzisen Abbild im Rechner sprechen. Dabei nehmen wir alles zu Hilfe, was man an Sensorik und Auswertungsmethodik für die daraus entstehenden Daten aufbieten kann, um zu ermitteln, welche Dienste und Dienstleistungen auf Basis dieser Erhebungen möglich sind. Aufgrund der relativ kurzen Laufzeiten solcher Projekte, haben wir Anfang 2020 ein Nachfolgeprojekt eingeworben, Providentia++. Hier geht es darum, einerseits die sehr komplexe Methodik einsatzfähig und alltagstauglich zu gestalten und andererseits die Anwendbarkeit auf Bereiche außerhalb der Autobahn auszuweiten – von der Autobahnausfahrt Garching-Süd der A9 über die Bundesstraße 471 bis hinein in eine verkehrsberuhigte Zone von Garching-Hochbrück, also Richtung Business Campus München, um musterhaft städtische Straßenverkehrsszenarien abzudecken.

Wie sieht die logistische Ausrüstung aus?

Prof. Dr. Knoll: Die Sensorik ist auf den einzelnen Schilderbrücken angebracht. Wir beobachten den Verkehr in beide Richtungen, wobei die Sensorstationen etwa 500 Meter auseinanderliegen. Geht man in die Städte hinein, kann es sinnvoll sein, dass sie dichter beieinanderliegen. Es hängt auch davon ab, ob man später zusätzlich zu den Fahrzeugen auch Fußgänger und Radfahrer erfassen möchte. Natürlich ohne Gesichtserkennung, um alle Datenschutzregeln einzuhalten. Aber damit man Fußgänger als Objekt im Straßenverkehr genau detektieren kann, braucht man vielleicht eine etwas höhere Dichte an Messpunkten. Das hängt dann von der konkreten Aufgabenstellung ab. Wenn man sagt, wir wollen insbesondere an neuralgischen Punkten eine sehr viel höhere Genauigkeit als auf einer Strecke, wo in der Regel wenig passiert, sagen wir mal die A20 bei Rostock – dann ist es nicht erforderlich, diese Prominenz aufzubauen. Aber wenn Sie beispielsweise an den Mittleren Ring in München denken, dann wäre es anzuraten, mehr Erfassungspunkte zu installieren.

Damit startet Phase 2 Ihres Projektes. Welche Erkenntnisse haben Sie aus der ersten bereits gewonnen?

Prof. Dr. Knoll: Wir konnten eine Vielzahl an wissenschaftlichen Erkenntnissen gewinnen. Über die Frage, wie man eine solche Erfassung vornimmt, welche Art von Sensorik man braucht, wie die Ergebnisse zusammenzufassen sind, wie Sensordaten fusioniert werden, wie man die Kommunikation zwischen einzelnen Messpunkten optimiert und welche Anforderungen sie erfüllen müssen. Wir sind die ersten, die Fahrzeuge und Infrastruktur miteinander haben kommunizieren lassen. Das ist Neuland und mit vielen Herausforderungen und auch Überraschungen verbunden. Mit Hilfe unserer Industriepartner konnten wir erstmalig ein Messfahrzeug, ausgestattet mit 5G, auf die Teststrecke schicken. Jetzt wissen wir, wie stationäre Sensorik, sprich die Infrastruktur, robust und dauerhaft mit einem Fahrzeug kommunizieren kann. Das halte ich für einen wesentlichen Durchbruch. Welche Daten von Relevanz sind, wie man mit unterschiedlichen Wettersituationen zurechtkommt – das ist eine enorm umfangreiche, komplexe Fragestellung. Denn letztlich geht es darum, über alle Umwelt- und Verkehrssituationen hinweg ein exaktes Bild der Straßenverkehrssituation zu liefern.

Aktuell sind zwei Sensorstationen im Einsatz. Würde man diese Technik flächendeckend einsetzten, was würde eine solche Infrastruktur kosten?

Prof. Dr. Knoll: Um das System über Deutschland auszurollen und etwa die Hälfte der Autobahnen damit auszurüsten, kommen wir grob berechnet auf den Betrag von etwa einer Milliarde Euro. Diese Zahlen sind allerdings nur eine vage Hochrechnung. Wenn man bedenkt, dass man damit das Autobahnnetz für das digitale Zeitalter fit machen könnte, ist es so gesehen kein großer Betrag. Zumal man solche Systeme dann auch exportieren könnte. Aber das geht überzeugend nur, wenn man sie selbst auch installiert hat.

Was bedeutet Providentia++ für die Ausstattung der Fahrzeuge?

Prof. Dr. Knoll: Im Wesentlichen müssen die Fahrzeuge durch ihre Assistenzsysteme fähig sein, Informationen zu empfangen und selbst auszuwerten. Dafür müssen die Hersteller Sorge tragen. Das wäre die erste Stufe. Weiter wäre es wünschenswert, dass die Umgebung, die das Auto selbst „sieht“ – die Fahrzeuge sind ja heute schon ausgerüstet mit Kameras, Radaren, Ultraschall und Lidaren – als konzentrierte „Brise“ an die Infrastruktur gesendet wird, zur Präzisierung des Zwillings. Das wäre die zweite Stufe. Und als dritte Stufe bestünde die Möglichkeit, dass sich das Fahrzeug von der Infrastruktur Empfehlungen senden und sich von dort vielleicht über kritische Abschnitte hinweg auch direkt steuern lässt. Jedes Fahrzeug hat eine mehr oder weniger umfangreiche Sensorik und ganz unabhängig davon, wie das physikalische Wirkprinzip ist, geht es immer darum, das Umfeld möglichst genau zu erfassen und zusätzlich die eigene Lokalisierung vorzunehmen. Diese Informationen könnte man kontinuierlich an die Infrastruktur senden. Das muss in einem datensparenden Format passieren, damit es für den Fahrer nicht zu teuer wird, wenn er über 5G Daten an die Infrastruktur sendet. Aber die preisliche Situation wird sich deutlich entspannen, wenn 5G Massenware ist.

Es würden also keine nennenswerten Mehrkosten für den Fahrzeughalter entstehen?

Prof. Dr. Knoll: Nein. Die Fahrzeuge können ja heute schon kommunizieren und sie können die Umwelt erfassen. Es geht hauptsächlich darum, dass sie die selbst gesammelten Informationen auch nach außen an die Infrastruktur übertragen. Das ist ein Entwicklungsaufwand, den die Autoindustrie leisten müsste, ohne dass sie unmittelbar einen finanziellen Gegenwert davon hat. Aber es würde deutlich mehr Transparenz und Sicherheit im Verkehr ermöglichen. Ich sehe diese Ausrüstung als weiteren sehr wichtigen Evolutionsschritt im Bereich Mobilität, eine Bedingung dafür, im Zeitalter der Digitalisierung anzukommen.

Mit Providentia++ stehen motorisierte Straßenverkehrsteilnehmer und Infrastruktur im permanenten Datenaustausch zueinander. Fußgänger, Radfahrer oder E-Roller-Fahrer sind mangels technischer Ausstattung nicht integriert. Sollen diese künftig entsprechend ausgestattet und einbezogen werden?

Prof. Dr. Knoll: Das könnte man durchaus machen. Der Fußgänger hat ja typischerweise keine Kamera am Körper, hier gibt es keinen Datengewinn und das muss auch gar nicht sein. Es geht zunächst nur darum, die Position der „Vulnerable Road Users“, also ungeschützten und häufig auch nicht motorisierten Verkehrsteilnehmern zu erkennen. Fußgänger sind natürlich die am wenigsten geschützten Verkehrsteilnehmer und deshalb haben sie auch höchste Priorität. Kommen sie beispielsweise in eine Gefährdungszone durch ein herannahendes Fahrzeug, müsste eine direkte Information an das Fahrzeug selbst ausgespielt werden und das Fahrzeug gegebenenfalls abbremsen, wenn der Fahrer den Fußgänger nicht sieht. Das ist möglich. Wichtig ist hier und übrigens auch generell, dass man eine zusätzliche Sicht von Oben hat. Aus der Vogelperspektive hat man eine ganz andere Übersicht als hinter der Frontschutzscheibe und diese erhalten wir durch das Zusammenspiel der gesamten Sensorik. Alles, was hier zur Verfügung steht, kann zur Verbesserung des Umweltbildes und des digitalen Zwillings eingebunden werden.

Könnten Fußgänger sich selbst ins digitale Netz einbinden, etwas über eine App?

Prof. Dr. Knoll: Das ist denkbar. Wobei man aber bedenken muss, dass wir über ein System reden, das in Echtzeit arbeiten und reagieren soll. Der Nutzen eines digitalen Zwillings in Realzeit besteht zunächst darin, zusätzliche Informationen an die Fahrzeuge zu geben. Man kann diese jedoch auch an die anderen Verkehrsteilnehmer weitergeben und beispielsweise über eine App visualisieren. Der ursprüngliche Gedanke war ohnehin, dass man eine Art Vorausschau ermöglicht. Wenn schon überall Kameras und weitere Sensorik installiert sind, wie etwa an der Autobahn, dann spricht erstmal nichts dagegen, allen Fahrern die Information als synthetisch erzeugtes Zustandsbild ins Fahrzeug zu spielen. Das würde über eine App funktionieren, die das aktuelle Verkehrsbild auf das Großdisplay oder an die Frontscheibe projiziert. So könnte ich beispielsweise das Verkehrsbild fünf oder fünfzig Kilometer vor mir abrufen. Hier kann man argumentieren, dass das auch mit den Navigationssystemen ginge. Doch genau das ist nicht der Fall, denn da sehe ich ja eben gerade nicht die wahre Situation mit allen für meine Entscheidung vielleicht wichtigen Facetten. Möchte man die eigene Route planen oder korrigieren, gerade bei hohem Verkehrsaufkommen, bietet unsere Technologie die beste Möglichkeit. Inzwischen ist das ein Nebenprodukt von Providentia++, aber zu Beginn war es vor allem die Intention, Transparenz zu schaffen, für alle Verkehrsteilnehmer. Insofern ist es durchaus vorstellbar, dass sich irgendwann jeder über eine App einklinken kann, um die Verkehrssituation nachzuvollziehen. Steht die Infrastruktur einmal, kostet das ja fast nichts zusätzlich.

Könnte Providentia++ in Stresssituationen intervenierende Maßnahmen kommunizieren? Etwa bei einem Unfall oder einem Geisterfahrer?

Prof. Dr. Knoll: Ja, absolut. Es gibt drei Dimensionen unseres Systems: Optimierung, Transparenz und Sicherheit. Um den Verkehrsfluss zu optimieren, könnte man beispielsweise die in Staus aus dem Nichts resultierende „Längswellenbildung“ vermeiden. Dazu kann man an wenige autonome Autos Kommandos vom Providentia++-System senden, damit diese als Wellenbrecher den Fluss beruhigen, was immer zu einer Durchsatzerhöhung führt. Was jetzt die Sicherheit betrifft, so lassen sich beispielsweise Geisterfahrer erkennen und Anomalien detektieren, etwa Unfälle auf der Autobahn, oder es lässt sich vor einem Stauende warnen. Speziell in der Stadt gibt es auch die Problematik mit Rechtsabbiegern, durch die alleine in München jedes Jahr einige Menschen sterben. Hier kann man die Verkehrsteilnehmer bzw. die Fahrzeuge rechtzeitig warnen. Ein Sicherheitseingriff kann so aussehen: Wenn das Auto eine gefährliche Situation erkennt, könnte man eine Notbremsung oder ein Ausweichmanöver zumindest empfehlen. Hier gilt es noch einige Fragen zu klären, vor allem bezüglich der Versicherung und Haftung, aber die Technik bekommen wir hin.

Mehr Verkehrssicherheit kann auch durch simplere und weniger invasive Maßnahmen erreicht werden, wie Tempolimit oder Investitionen in die Fahrradinfrastruktur.

Prof. Dr. Knoll: Es spricht nichts dagegen, alles andere auch zu machen. Was man bedenken muss: Es gibt immer Zielkonflikte. Wahrscheinlich wird ein Tempolimit nicht dazu führen, dass die Anzahl der Unfälle drastisch sinkt. Wenn man sich die Unfallzahlen in Deutschland anschaut, dann hat man sich von den sehr hohen Zahlen der 70er Jahre inzwischen bei relativ konstanten Zahlen um die 3.000 Tote pro Jahr eingependelt. Die meisten sind nicht bei Tempo 180 km/h passiert, sondern bei niedrigerer Geschwindigkeit. Da muss man sich schon eher überlegen, welche Maßnahmen man etwa für die Landstraße braucht, auf der viele Unfälle wegen überhöhter Geschwindigkeit passieren, dabei ist die Geschwindigkeit da ja auf maximal 100 km/h begrenzt. Wir denken, dass ein situationsbezogener direkter Eingriff in die Fahrzeugsteuerung hier viel bringen könnte – aber dazu braucht man wieder präzise und schritthaltende Information, wie sie Providentia++ liefern könnte, natürlich nur dort wo man das System aufgebaut hat. Was das Fahrrad betrifft: Da wird man irgendwann dieselben Probleme haben wie beim Autoverkehr. Wir haben mit der Stadt München bereits bezüglich einer grünen Welle für Fahrradfahrer diskutiert. Auch hier muss man erstmal feststellen: Wie ist das Verkehrsaufkommen? Schon ist man wieder bei der Erfassung, diesmal eben nur für Radwege. Sie glauben ja gar nicht, welche eigenartigen Argumente vorgetragen werden, warum man diese grüne Welle keinesfalls haben will. Ich bin selbst intensiver Fahrradfahrer; eine grüne Welle wäre wirklich eine drastische Verbesserung für wenig Geld. Sie wäre technisch einfach zu machen – ist aber politisch schwer umzusetzen. Aber nehmen wir an, es gäbe die Entscheidung für eine grüne Welle. Gerade dann wäre ein System wie Providentia++ von größtem Nutzen, weil es die Phasenlage der Ampeln für Fahrradfahrer optimieren kann. Wenn ein Pulk an Fahrradfahrern erkannt wird, hat dieser Priorität und muss durchgelassen werden. Im Gegensatz zum Auto gibt es hier allerdings nicht die Möglichkeit, direkt zu kommunizieren: „Fahr jetzt genau 50, dann ist die nächste Ampel grün“. Mit einem Smartphone könnte man sich das zwar vorstellen, es erscheint mir aber recht unpraktisch. Also muss sehr adaptiv vorgegangen werden.

Besteht hier nicht noch großer Diskussionsbedarf, gerade hinsichtlich des Datenschutzes? Noch werden keine persönlichen Daten erhoben, keine Gesichter ausgewertet. Aber diese Informationen dürften von größtem Interesse sein und bei der schieren Menge scheint das Argument Sicherheit zunehmend strapaziert.

Prof. Dr. Knoll: Es gibt bei uns weder Gesichtserkennung noch Autokennzeichenerkennung. Die Darstellung des digitalen Zwillings mit Vorausschau über 20, 50 oder 100 Kilometer Entfernung würde immer als Computergrafik ausgegeben. Das heißt, man könnte alle Fahrzeuge neutral als Piktogramme darstellen. Generell ist der Datenschutz in der Diskussion, ähnlich wie bei der Corona-Warn-App. Die Frage ist: Was ist das höhere Gut? Durch einen etwas geringeren Anonymisierungsgrad Menschenleben zu retten, oder persönliche Daten zu schützen? Das ist eine sehr schwierige Diskussion. Wir sehen bei Providentia++ das Problem allerdings nicht. Wir erheben zwar große Datenmengen, diese müssen aber nicht lange vorgehalten werden. Der digitale Zwilling spiegelt den Zustand nur zu einem bestimmten Zeitpunkt. Danach werden die Daten nicht weiter gespeichert, höchstens um punktuelle Auswertungen z.B. zu Statistikzwecken vornehmen zu können. Um möglichen Missbrauch zu unterbinden, gehen wir davon aus, dass die Systeme von staatlichen Stellen zumindest überprüft werden. Letzen Endes ist das Projekt Providentia++ eine Infrastrukturmaßnahme, vergleichbar mit den Mautbrücken, die vor einigen Jahren errichtet wurden. Hier wurde zunächst ein privates Konsortium verpflichtet. Nun wird es wohl wieder in staatliche Hand übergehen. Ein ähnliches Modell kann ich mir auch für Providentia++ vorstellen.

Providentia++ könnte auch einen großen Beitrag zum Schutz der Umwelt leisten, vor allem in Kombination mit neuen Technologien wie Geofencing. Durch Messung der Feinstaubbelastung oder hohe Verkehrsbelastung könnte Hybrid-Autos der Elektromodus empfohlen werden. Die Möglichkeiten scheinen enorm.

Prof. Dr. Knoll: Absolut. Alles, was man in Richtung Umwelt tut, hat typischerweise damit zu tun, Verkehrsaufkommen zu vermindern oder den Durchfluss zu optimieren. Ein flüssiger Verkehr schafft andere Verhältnisse als stockender, mit ständigem Anfahren und Bremsen. Providentia++ schafft hier die Grundlage für den Straßenverkehr der Zukunft. Mit dem schritthaltenden Zwilling im Rechner kann man alles, was man an Einfluss- und Steuerungsmöglichkeit zur Verfügung hat, nutzen, um der Umwelt und Klimazielen entgegenzukommen. Die Voraussetzung für einen echten Quantensprung ist, dass man sich an neuralgischen Punkten eine Erfassung vornimmt. Klar ist: Wenn wir diesen Zwilling zur Verfügung stellen können, wird es viele Interessenten geben, die Start-ups gründen, nur um diese Daten zu nutzen. Wer hätte schon gedacht, was es alles an Sekundärunternehmungen gibt, die sich alleine auf Geoinformationssysteme beziehen. Als das vor 25 Jahren aufkam, hätte das niemand gedacht. Und hier wird es so ähnlich sein. Jetzt muss man einen Schritt wagen und tatsächlich etwas investieren, da führt kein Weg daran vorbei.

Ab wann ist das Providentia++-System voraussichtlich einsetzbar?

Prof. Dr. Knoll: Wir haben bereits die prinzipielle Machbarkeit gezeigt. Jetzt sind wir dabei zu demonstrieren, dass das System im Alltag einsetzbar ist. Die Entwicklung dieser massentauglichen Infrastruktur ist aber nicht nur unsere Aufgabe, es ist auch die Aufgabe der Industrie. Stehen die finanziellen Mittel zur Verfügung, kann man das Providentia++-System innerhalb der nächsten fünf Jahre aufbauen. Beginnen könnte man beispielsweise an den neuralgischen Punkten mit besonders hohem Verkehrsaufkommen. Dort ist meist ohnehin schon viel Infrastruktur, die sich mitnutzen ließe, wie beispielsweise die Beleuchtungsmasten am Mittleren Ring. Die Masten könnte man sehr sinnvoll und einfach durch Sensorik ergänzen. Es ist alles schon da, Stromversorgung, Funkanbindung, potenziell wäre sogar ein Betreiber für 5G denkbar. So könnte man anfangen und weiter über mehrere Innovationsstufen eine Verfeinerung vornehmen.

Wie sähe eine konkrete Verkehrssituation in Zukunft aus?

Prof. Dr. Knoll: Man könnte beispielsweise analysieren, welche Konsequenzen ein gleichmäßiger Verkehrsfluss hätte. Als zentrale Verkehrsader gibt es etwa am Mittleren Ring in München kaum die Möglichkeit, den Verkehr in einer Stausituation durch Umleitungen zu entspannen. Durch die angesprochenen Maßnahmen könnte man den Verkehrsfluss optimieren und den Durchsatz erheblich steigern, insbesondere wenn es sich noch nicht staut. Neuralgische Punkte sind auch die Einfahrten, etwa von der A9 auf den Mittleren Ring. Hier könnte man durch Ampeln zwar den Verkehr steuern. Mit Blick auf die Gesamtlage ließe sich das über den digitalen Zwilling allerdings besser bewerkstelligen. Dynamische Beschränkungen könnten durchaus einen Effekt haben – besonders, wenn wenige vernetzte Fahrzeuge als aktive Beeinflusser eingesetzt werden. So könnte man einen deutlichen Zuwachs an Durchsatzvolumen erwarten, was im Übrigen auch den Komfort steigert. Das gleichmäßige Fahren hat auch eine Abnahme der Geräuschemissionen zur Folge. Ein Zusatzgewinn, der nicht zu vernachlässigen ist. Damit trägt Technik dazu bei, unsere Städte wieder lebenswerter zu machen.

Weitere Informationen zum Forschungsprojekt Providentia++ gibt es unter https://innovation-mobility.com.

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