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Die Erfindung betrifft ein lernfähiges Fahrzeugnavigationssystem im Netzwerkverbund mit Navigationssystemen anderer Fahrzeuge, welches für die vorgeschlagene Route, sowie für alle berechneten Ausweichstrecken eine ökologische Bewertung hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs vornimmt. Die in den Patentschriften
DE 10 2007 032 956 B4 und
DE 10 2009 020 054 B3 beschriebenen Systeme werden damit durch weitere Komponenten ergänzt. Diese Erweiterungen der vormals entwickelten Navigationssysteme berücksichtigen den Kraftstoffverbrauch des Motors und Vorgaben zur verbrauchsoptimalen Fahrweise um hieraus für die ermittelte Streckenführung und für Alternativrouten diejenige zu ermitteln, die den geringsten Schadstoffausstoß verursacht. In Stausituationen kann eine Empfehlung gegeben werden, ob das Umfahren des Staus wirklich die bessere Alternative ist.
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Stand der Technik
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Verfahren zur Routenplanung und -optimierung sind aus
DE 10 2009 020 054 B3 ,
DE 10 2007 032 956 B4 ,
DE 10230832 A1 ,
DE 10226084 A1 und
DE 10062856 A1 bekannt. Mit dem Kraftstoffverbrauch, bzw. dem Schadstoffausstoß von Kraftfahrzeugen beschäftigen sich etliche Veröffentlichungen, z. B.
DE 10 2009 036 674 A1 ,
DE 10 2008 002 695 A1 ,
DE 10 2008 030 070 A1 ,
DE 10 2005 047 333 A1 ,
DE 10 2005 035 306 A1 ,
DE 10 2004 024 259 A1 ,
DE 10335927 A1 ,
DE 19615236 A1 ,
DE 19605458 C1 ,
US 5913917 A ,
JP 002008045992 A und
JP 002008020382 A Fahrerinformationssysteme, die Schaltinformationen ermitteln und dem Fahrer einen Hinweis anzeigen um eine verbrauchsoptimierte Fahrweise zu erreichen, sind aus
DE 10 2008 028 561 A1 sowie bereits aus
DE 3226829 A1 oder
DE 3128080 A1 bekannt. Weiterhin sind auch bereits auf dem Markt befindliche Navigationssysteme mit einer Eco-Funktion zu erwähnen, zum Beispiel die EcoNavigation von Garmin, die beispielsweise bei www.n24.de/news/newsitem 4812236 beschrieben ist.
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Bislang ist noch kein Verfahren für Fahrzeugnavigationssysteme, die ausschließlich im dezentralen Netzwerkverbund mit anderen Fahrzeugen eingesetzt werden, angegeben worden, welches Fahrzeugdaten, wie etwa die Verbrauchswerte des Motors oder die Fahrweise des Fahrers berücksichtigen, um eine ökologisch optimierte Routenführung vorzuschlagen.
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Aufgabenstellung
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Ausgehend vom derzeitigen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugnavigationssystem im Netzwerkverbund mit anderen Fahrzeugen zu schaffen, welches dezentral Daten empfängt und verarbeitet, Verkehrsflussdaten ermittelt und diese in einer Datenbank speichert, um für Prognosezwecke in Stausituationen später zu Rate gezogen zu werden und für die ermittelte Route, sowie für Alternativrouten Bewertungen – die von Fahrzeugdaten und der Fahrweise abhängen – hinsichtlich der Umweltbelastung vornimmt.
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Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein Navigationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeugnavigationssystem (1) besteht aus
- – einer Eingabeeinheit (2) zur Eingabe von Start- und Zielpunkt sowie von fahrzeugspezifischen Daten zum Fahrzeug und weiteren Parameter,
- – einer Ausgabeeinheit (3) zur Ausgabe von ausgewerteten und aufbereiteten Daten,
- – einer Empfangseinheit (4) zum Empfang von Fahrzeugdaten anderer Fahrzeuge,
- – einer Sendeeinheit (5) zur Übermittlung eigener Fahrzeugdaten an andere Fahrzeuge,
- – einem GPS-Modul (6),
- – einer Speichereinheit I (7), in welcher die erhaltenen Fahrzeugdaten abgelegt werden,
- – einer Speichereinheit II (8), in welcher Datensätze von historischen Verläufen von Verkehrsbeeinträchtigungen und die Daten der einzelnen Fahrten mit jeweiligen Verbrauchswerten abgelegt werden,
- – einer Speichereinheit III (9), in welcher fahrzeugspezifische Daten zum Fahrzeug umfassend Motorkennzahlen, Kraftstoffverbrauchsfunktion, optimale Schaltzeitpunkte, abgelegt werden, einer Speichereinheit CAR DATA (10), in die aktuelle Fahrzeugdaten, umfassend den Füllstand des Tanks abgelegt werden,
- – einer Verarbeitungseinheit (11), die mit den neun zuvor genannten Systemkomponenten (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10) gekoppelt ist, in welcher eine digitale Straßenkarte hinterlegt ist, sowie die empfangenen Daten erfasst, ausgewertet und für die Speicherung in den Speichereinheiten I, bzw. II aufbereitet werden, die eigenen Daten zur Übermittlung zusammengestellt werden,
wobei das Navigationssystem dazu ausgebildet ist, in einem Netzwerkverbund mit gleichartigen Navigationssystemen anderer Fahrzeuge betrieben zu werden, wobei jedes Fahrzeug im Netzwerk an alle anderen Fahrzeuge im Netzwerk Daten sendet und von allen anderen Fahrzeugen im Netzwerk Daten empfängt, außer diesen Daten keine weiteren Verkehrsinformationen erhalten werden, die empfangenen und gesendeten Daten lediglich aus einem anonymisierten und für ein bestimmtes Fahrzeug gleich bleibenden Fahrzeugcode – welcher auch eine Information über die Art des Fahrzeugs enthält – sowie den GPS-Positionsdaten bestehen und von allen Netzwerkmitgliedern diese Daten in kurzen Zeitintervallen im Minutenbereich gesendet werden und weiterhin die empfangenen Daten derart gefiltert werden, dass nur die Daten von Fahrzeugen in einem bestimmten Betrachtungsbereich in der Umgebung des eigenen Fahrzeugs gespeichert und verarbeitet werden, wobei das Navigationssystem die befahrene Route, sowie sämtliche ermittelten Alternativrouten unter ökologischen Gesichtspunkten bewertet, welches dadurch geschieht, dass aus der Kraftstoffverbrauchsfunktion des eigenen Fahrzeugs und den von den anderen Fahrzeugen im Netzwerkverbund übermittelten Geschwindigkeiten der voraussichtliche Kraftstoffverbrauch auf der befahrenen Route, sowie auf den ermittelten Alternativrouten ermittelt wird und dem Fahrer angezeigt wird, welche Route voraussichtlich den geringsten Kraftstoffverbrauch aufweist.
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In 1 ist dieses Fahrzeugnavigationssystem in einem vereinfachten Schaubild dargestellt. Das Fahrzeugnavigationssystem wird ausschließlich im Netzwerkverbund mit gleichen Navigationssystemen anderer Fahrzeuge betrieben, wobei jedes Fahrzeug im Netzwerk an alle anderen Fahrzeuge im Netzwerk Daten sendet und von allen anderen Fahrzeugen im Netzwerk Daten empfängt. Es werden Datensätze der Gestalt
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(1) Fahrzeugcode (mit Fahrzeugart)/Position (GPS)/Uhrzeit/Geschwindigkeit
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erzeugt und in der Speichereinheit I abgelegt. Dabei wird die Durchschnittsgeschwindigkeit für einen Streckenabschnitt mit Hilfe der Positionsdaten und der Zeitdifferenz zweier aufeinanderfolgender Einträge ein und desselben Fahrzeugs ermittelt.
DE 10 2007 032 956 B4 beschreibt dies ausführlich, wie auch die Filterung der Daten und die Navigation im Netzwerkverbund. Das Navigationssystem ist weiterhin mit künstlicher Intelligenz bei der Verkehrsflussanalyse ausgestattet, wie in
DE 10 2009 020 054 B3 angegeben. Die nachfolgenden Ausführungen gehen von diesen Entwicklungen aus.
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Für alle Fahrzeugtypen werden für sämtliche Motorausstattungen umweltrelevante Daten in Speichereinheit III hinterlegt. Durch die Einführung dieser dritten Speichereinheit sind die drei Speicher I, II und III eindeutig in ihrer Funktion voneinander abgegrenzt und die Inhalte der Speicher II und III können auch in anderen Fahrzeugen eingesetzt werden: die jeweiligen Fahrzeugdaten können Speicher III entnommen werden und auch die historischen Stauverläufe, die in Speicher II hinterlegt sind, können zur Auswertung herangezogen werden. Temporäre Daten werden ausschließlich in Speicher I, sowie im CAR DATA-Speicher gespeichert und verarbeitet.
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Die befahrene Route, sowie sämtliche ermittelten Alternativrouten werden einer Bewertung unter ökologischen Gesichtspunkten unterzogen. Dazu verwendet das System die in Speichereinheit III hinterlegten Daten für das Fahrzeug, insbesondere die Kraftstoffverbrauchsfunktion, die den minimal erreichbaren Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit angibt, und aktuelle Daten aus dem CAR DATA-Speicher und berechnet damit den minimalen Kraftstoffverbrauch.
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In einer Modellrechnung wird von www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/general/kfz-energetisch folgende Verbrauchsfunktion angegeben:
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(2) Verbrauch (v) = av2 + bv + c + d/v
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Generell wird davon ausgegangen, dass der Kraftstoffverbrauch proportional zum Schadstoffausstoß ist. Bei (2) wird weiterhin davon ausgegangen, dass bei hohen Geschwindigkeiten der Luftwiderstand dominiert und sich der Verbrauch dadurch quadratisch mit der Geschwindigkeit ändert. Daher beschreibt eine Parabel zweiter Ordnung bei nicht zu kleinen Geschwindigkeiten den Verbrauch. Bei niedrigen Geschwindigkeiten steigen die internen Reibungsverluste an und es kommen Stromverbrauch und Leerlaufverluste hinzu. Deshalb wird die quadratische Gleichung durch einen Term ergänzt, der zum Kehrwert der Geschwindigkeit proportional ist.
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Bei der Kraftstoffverbrauchsfunktion werden optimale Schaltzeitpunkte vorausgesetzt; man kann sie sich vorstellen als geglättete Funktion der Kraftstoffverbrauchsfunktionen für die einzelnen Gänge. Diese Optimierung kann entweder durch ein entsprechendes, automatisches Getriebe realisiert werden oder durch verbrauchoptimales Schalten des Fahrzeugführers. Informationen zu den optimalen Schaltzeitpunkten können Speichereinheit III entnommen werden; zahlreiche Fahrzeuge mit Schaltgetriebe geben heute bereits diese Informationen an. Patentliteratur zu diesem Thema wurde beim Stand der Technik angegeben. Der tatsächliche Verbrauch wird über den Füllstand des Tanks gemessen. Diese Daten können beispielsweise vom Bordcomputer an den CAR DATA-Speicher übermittelt werden. Das System vergleicht in regelmäßigen Zeitintervallen den tatsächlichen mit dem laut Verbrauchsfunktion optimalen Kraftstoffverbrauch; über Differenzen ab einer bestimmten Höhe wird der Fahrer informiert, damit er evtl. seine Fahrweise ändern kann.
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Ökologisch ist es auch sinnvoll, dass eine bestimmte Höchstgeschwindigkeit nicht überschritten wird; die Kraftstoffverbrauchsfunktion steigt für hohe Geschwindigkeiten überproportional stark an. Man könnte vom Minimum der Verbrauchsfunktion ausgehen und ein Prozentsatz dieses Verbrauchs festlegen, der maximal verbraucht werden darf Hieraus könnte die höchste mit dieser Verbrauchsvorgabe erreichbare Geschwindigkeit mittels der Kraftstoffverbrauchsfunktion ermittelt werden und dem Fahrer ein Hinweis gegeben werden, wenn er diese Geschwindigkeit überschreitet.
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Durch die dezentrale Erfassung der Geschwindigkeiten aller relevanten Fahrzeuge in der Umgebung des eigenen Fahrzeugs kann eine Verknüpfung dieser Geschwindigkeiten für verschiedene Streckenintervalle mit der eigenen Kraftstoffverbrauchsfunktion hergestellt und der Verbrauch berechnet werden, den man auf der befahrenen, sowie auf den alternativen Routen hätte. Sofern ein Stau vorliegt, verwendet das System für die Prognose des Stauverlaufs auf der gefahrenen Route auch Informationen aus Speichereinheit II. Damit kann dem Fahrzeugführer angezeigt werden, ob es vom Kraftstoffverbrauch her vernünftig ist, im Stau zu verbleiben oder eine Alternativroute zu wählen; das Verbleiben im Stau kann unter ökologischen Gesichtspunkten durchaus sinnvoll sein.
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Die soeben beschriebene Bewertung der befahrenen Route und der Alternativrouten kann vom System auch ohne Vorliegen einer Stausituation vorgenommen werden. Außer der ermittelten und zum Befahren vorgeschlagenen Route mit minimalem Kraftstoffverbrauch kann auch die schnellste Route ermittelt und ökologisch bewertet werden Sofern die Differenz eine bestimmte Höhe überschreitet, wird dem Fahrzeugführer angezeigt, wie viel zusätzlicher Kraftstoff auf der schnellsten Route im Vergleich zur vorgeschlagenen Route verbraucht würde.
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Am Ende der Fahrt wird ein Datensatz generiert, der den tatsächlichen Kraftstoffverbrauch, der über den Füllstand des Tanks ermittelt wird, in Relation zu dem aus der Kraftstoffverbrauchsfunktion errechneten optimalen Verbrauch setzt und in Speichereinheit II abgelegt. Die Datenstruktur sieht folgendermaßen aus:
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(3) Datum/Gesamtfahrzeit/Länge der Strecke/Quotient aus tatsächlichem und errechnetem minimalem Kraftstoffverbrauch
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Der ermittelte Quotient kann Grundlage für ein Bonussystem sein, etwa bei der Kraftfahrzeugsteuer.
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Denkbar wäre zum Beispiel, dass Kraftfahrer einen Nachlass erhalten wenn sie nachweisen, dass ihre Fahrweise mit minimalen Verbrauchswerten verbunden ist. Dies könnte so geschehen, dass die Werte aus Datensatz (3) für ein Kalenderjahr addiert und mit der Gesamtfahrleistung des Kraftfahrzeugs abgeglichen werden – um sicherzustellen, dass das System auch durchgängig genutzt wurde – um den durchschnittlichen Jahresquotienten dann an die Steuerbehörde zu übermitteln.
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Ausführungsbeispiel
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgestellt. 1 zeigt das Navigationssystem (1) in schematischer Darstellung. In der Eingabeeinheit werden Start- und Zielpunkt, der Fahrzeugtyp, sowie weitere Parameter eingegeben In regelmäßigen Zeitintervallen wird die Position des eigenen Fahrzeugs per GPS (6) bestimmt und an die Verarbeitungseinheit (11) weitergeleitet. Diese bereitet die GPS-Positionsdaten zusammen mit einem gleich bleibenden Code für das eigene Fahrzeug zum Versand an die anderen Fahrzeuge im Netzwerkverbund auf Die Übertragung der Daten geschieht durch die Sendeeinheit (5). Von den anderen am Netzwerkverbund beteiligten Fahrzeugen werden über die Empfangseinheit (4) Daten empfangen; diese werden an die Verarbeitungseinheit (11) weitergeleitet und es wird die Uhrzeit des Datenerhalts beigefügt. Sendet ein Fahrzeug zum wiederholten Mal, wird aus den aktuellen und den zuletzt erhaltenen Positionsdaten mit Hilfe der digitalen Karte die zurückgelegte Strecke, sowie aus der Zeitdifferenz der beiden Einträge die Durchschnittsgeschwindigkeit für dieses Streckenintervall in der Verarbeitungseinheit (11) ermittelt; der Geschwindigkeitswert wird dem aktuellen Datensatz beigefügt und der um Uhrzeit und Durchschnittsgeschwindigkeit erweiterte Datensatz in der Speichereinheit I (7) abgelegt. Wenn eine Verkehrsbeeinträchtigung vorliegt, wird für verschiedene Geschwindigkeitswerte – angefangen bei der langsamsten Geschwindigkeit in Intervallen von 5 km/h oder 10 km/h bis 80 km/h – die Länge der jeweiligen Fahrzeugketten bestimmt und in der Speichereinheit II (8) zusammen mit dem Zeitpunkt und einer Identifikationsnummer der Verkehrsbeeinträchtigung gespeichert. Nach Beendigung der Verkehrsbeeinträchtigung wird ein Datensatz, der das Geschehen zusammenfaßt und für spätere Vergleiche und Analysen benötigt wird, generiert und ebenfalls in der Speichereinheit II (8) abgelegt. Die ursprünglich errechnete Route, sowie die im Laufe der Fahrt errechneten Alternativrouten werden auf der Ausgabeeinheit (3) angezeigt, jeweils zusammen mit den ökologischen Bewertungen, die mittels der in Speichereinheit III (9) hinterlegten Kraftstoffverbrauchsfunktion und den im CAR DATA-Speicher (10) zur Verfügung stehenden tatsächlichen Verbrauchsdaten ermittelt werden. Erforderlichenfalls werden auch Hinweise zur Optimierung der Fahrweise ausgegeben. Schließlich wird am Ende jeder Fahrt ein Datensatz generiert, der den tatsächlichen Kraftstoffverbrauch in Relation zu dem errechneten minimalen setzt; dieser Wert wird ebenfalls in Speichereinheit II (8) abgelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Navigationssystem
- 2
- Eingabeeinheit
- 3
- Ausgabeeinheit
- 4
- Empfangseinheit
- 5
- Sendeeinheit
- 6
- GPS-Modul
- 7
- Speichereinheit I
- 8
- Speichereinheit II
- 9
- Speichereinheit III
- 10
- CAR DATA-Speicher
- 11
- Verarbeitungseinheit
