DE102014202004A1 - Verfahren zur Auslegung eines Fahrerassistenzsystems - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt der im Stand der Technik nicht gelösten Aufgabe zu Grunde, ein eindeutiges und wahrscheinlichkeitstheoretisch begründetes Verfahren zur Hochrechnung zu definieren und anzuwenden, welche die genannten Defizite behebt. Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung den Test einer oder mehrerer statistischen Hypothesen und der Definition von Ersatzwerten aufgrund des Ausgangs des Tests vor. Zur Durchführung eines Hypothesentests wird ein Konfidenzniveau, etwa 95%, vorgegeben. Zur Definition einer wahrscheinlichkeitstheoretischen Begründung im Sinne der Erfindung wird die allgemein bekannte Erkenntnis herangezogen, dass eine Odds-Ratio gleich Eins genau dann entsteht, wenn zwei Kategorien sich unabhängig voneinander auf die Unfallrisiken auswirken.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Auslegung eines Fahrerassistenzsystems zur Verringerung der Anzahl und der Konsequenzen von Verkehrsunfällen.
• Technisches Umfeld:
• Fahrerassistenzsysteme (FAS) zur Vermeidung von Unfällen sind im Stand der Technik heute weithin bekannt. FAS treten zu einem oder mehreren bestimmten Zeitpunkten ein mit Informationen, Warnungen, Bremsverstärkungen, Stabilisierungsmaßnahmen, oder auch automatischen Interventionen, um Unfälle zu verhindern oder abzumildern. Assistenzsysteme zur Vermeidung von Unfällen verknüpfen unterschiedliche Datenquellen und Sensoren, um Bewegungsabläufe der Verkehrsteilnehmer, Charakteristiken und Randbedingungen der Fahrzeugumgebung zu erfassen bzw. vorherzusagen. Dadurch werden mit Hilfe mehrerer Steuerungs- und Auslösealgorithmen die Art, die Intensität und die Zeitpunkte der Handlungen des FAS bestimmt.
• Es kann einerseits passieren, dass ein Unfall trotz des Fahrerassistenzsystems weder verhindert noch gemildert werden kann, beispielsweise wenn der Systemeingriff gar nicht oder nicht rechtzeitig oder nicht intensiv genug erfolgt. Daher betrifft ein erster Aspekt der Qualität die Maximierung der Effektivität zur Vermeidung bzw. Milderung von Unfällen.
• Andererseits kann es aber auch passieren, dass ein FAS-Eingriff erfolgt, ohne dass es zu einem Unfall gekommen wäre. Solche Eingriffe werden hier als falschpositive Handlungen bezeichnet und sind aus mehreren Gründen in der Praxis unerwünscht:
  eine automatische Intervention kann etwa die Kontrollierbarkeit des Fahrens beeinträchtigen, aber auch zu häufige Warnungen, die vom Fahrer als überflüssig erkannt werden, können zu einer verringerten Sensibilisierung auf Warnungen oder zum Verzicht des Fahrers auf die Nutzung von FAS führen und tragen somit indirekt zur Verringerung der Wirksamkeit bei. Daher betrifft ein zweiter Aspekt der Qualität die Minimierung der Häufigkeit falschpositiver Handlungen.
• Zur Problematik der Auslegung von FAS gehört die Tatsache, dass die beiden Hauptaspekte der Qualität (Maximale Effektivität zur Vermeidung bzw. Milderung von Unfällen, minimale Häufigkeit falschpositiver Handlungen) derartiger Assistenzsysteme zu einem erheblichen Teil von der Wahl und der technischen Leistungsfähigkeit der Sensoren abhängen. Beim Schutz von schwächeren Verkehrsteilnehmern (Fußgängern, Radfahrern, usw.) sind im Stand der Technik verschiedene Sensorkonzepte bekannt:
  Systeme zum Schutz schwächerer Verkehrsteilnehmer, die mit einer einzelnen Kamera ausgestattet sind, können hinsichtlich der Vermeidung von Unfällen mit einem Verkehrsteilnehmer, welcher die Straße überquert, eine hohe Qualität aufweisen, obwohl sie die Entfernung in Fahrtrichtung bzw. die Komponente des relativen Bewegungsvektors in Fahrtrichtung nur sehr ungenau erfassen. Denn sie können relativ genau die Querbewegungsdynamik des Verkehrsteilnehmers erfassen, die für Unfallszenarien dieser Art entscheidend ist. Bei anderen Unfallszenarien, wo die Genauigkeit der Erfassung der Bewegungskomponenten des Verkehrsteilnehmers in Fahrtrichtung eine wichtigere Rolle spielt, mögen die Anforderungen an Sensorkonzepte anders sein, sodass beispielsweise eine einzelne Kamera nicht ausreicht.
• Fahrzeuge, die mit einer einzigen Kamera ausgestattet sind, können demgemäß Verletzungen aus Überquerungsunfällen mit schwächeren Verkehrsteilnehmern effizient vermeiden, jedoch nicht Verletzungen dieser Verkehrsteilnehmern aus anderen Unfallkategorien, bei denen die Bewegungsvektoren in Fahrtrichtung genau erfasst werden müssen.
• Verfahren zur Auslegung und zur Bewertung:
• Im Rahmen der Auslegung eines Systems geht es nun häufig um Fragestellungen wie z. B., ob mit einem Systemkonzept eines Fahrerassistenzsystems, mehr als X% des Schadens aus Unfällen eines bestimmten Typs (etwa Unfälle mit Fußgängern) vermieden werden kann. Auch im Rahmen eines Bewertungsvorganges durch Behörden (Vergeben von Sternen oder Punkten) oder Verbraucherschutzorganisationen stehen Qualitätsfragen dieser Art häufig im Vordergrund.
• Stand der Technik bei vorhandener Unfalldatenbank:
• Will man etwa den Nachweis erbringen, dass ein definiertes FAS in der Lage ist, X% des Gesamtschadens G der betrachteten Unfallart (etwa städtische Fußgängerunfälle in allen Ländern der EU) zu verhindern, so ist im Stand der Technik folgende Vorgehensweise bekannt:
• 1. Die Wahrscheinlichkeit zur Unfallschadenvermeidung durch das FAS wird mit einer im Stand der Technik bekannten, und gegebenenfalls zertifizierten, Methode. Eine solche Methode ist eine wiederholte virtuelle Rekonstruktion mit und ohne Systemeingriff für jeden Unfall in einer geeigneten Stichprobe einer behördlich anerkannten Unfalldatenbank. • Für jeden Unfall u aus einer derartigen Stichprobe erhebt oder schätzt man (etwa nach einer vorgegebenen Metrik) zunächst einen Unfallschaden g „ohne FAS”. • Anschließend entsteht dann nach der gleichen Metrik eine Schätzung e_u für den durch das betrachtete FAS vermiedenen Schaden. Für eine Stichprobe aus N Unfällen gewinnt man so einen Erwartungswert
  
• 2. Um geeignete Stichproben zu definieren werden Unfälle einer Art mehreren objektiv definierten Kategorien [i, j, ...] zugeordnet, etwa • i: Kollisionsgeschwindigkeitsklasse {0–10 km/h, 11–20 km/h, ...} • j: Dunkelheit/Dämmerung/Helligkeit
• 3. Unfälle der Datenbank werden in virtuellen „Zellen” gruppiert, die durch Kategorien [i, j, ...] eindeutig definiert sind. Jeder für die Bewertung eines bestimmten Fahrerassistenzsystems relevante Unfall wird einer der so definierten Zellen zugeordnet. • Beispiel: Zwei Kategorien mit Indizes [i, j]: • Die Anzahl der Unfälle der Zelle wird mit N[i, j ...] bezeichnet. • Sei G[i, j] ein Maß für den Gesamtschaden aller Unfälle der Zelle i, j. • In der ursprünglichen Datenbank steht (unter Verwendung der relativen Unfallhäufigkeiten der Zellen) damit offenbar jede Zelle für einen bestimmten Anteil aller Unfälle der betrachteten Art, etwa:
  
• 4. Ist N[i, j ...] > 0, so wird der oben definierte Erwartungswert
  
  der einzelnen Wirksamkeiten des Fahrerassistenzsystems über alle Unfälle u einer Zelle der Zelle i, j zugeordnet, d. h., E[i, j] = e; E[i, j] ist damit ein Maß für den durch das Assistenzsystem vermiedenen Schaden (Unfallschadenvermeidungswert) in Unfällen dieser Zelle, und B_i,j = E_i,j/G_i,j ist damit der Erwartungswert des Anteils des durch das System vermiedenen Schadens (Unfallschadenvermeidungswert) in Unfällen der Zelle [i, j].
• 5. Die Gesamtschadenvermeidung W (und damit der Vergleich mit der Vorgabe X%) wird dann als Summe der Produkte der Anteile (relativen Unfallhäufigkeiten der Zellen) mit den Unfallschadenvermeidungswerten der einzelnen Zellen bestimmt:
  
• Stand der Technik, wenn in einem Land L keine Unfalldatenbank vorhanden ist, aber Unfallzahlen in den Zellen vorhanden sind:
  Solange die Bewertungsaufgabe nur das Land betrifft, in welchem die Unfalldatenbank erhoben wurde, und auch die Erhebungszeiträume als vergleichbar zur vorgesehenen Anwendung des FAS angesehen werden, so ist diese Vorgehensweise eindeutig. Für die Anerkennung durch internationale Behörden aber auch für die Bewertung und Auslegung eines FAS im internationalen Einsatz ist es jedoch erforderlich, eine Gesamtschadenvermeidung auch in Ländern abzuschätzen, wo keine behördlich anerkannte Unfalldatenbank zur Verfügung steht. In diesem Fall wird im Stand der Technik anstelle des Anteils (relative Unfallhäufigkeit) einer Zelle der ursprünglichen Datenbank, der in dem betreffenden Land bekannte Anteil der Unfälle der jeweiligen Zelle verwendet, falls vorhanden.
• Stand der Technik, wenn in einem Land keine Unfallzahlen in den Zellen vorhanden sind, aber Summenhäufigkeiten vorhanden sind:
  Es kommt häufig vor, dass im betreffenden Land (L) dieser Anteil nicht vorhanden ist, aber aggregierte Summenhäufigkeiten der Kategorien sind bekannt. Im Stand der Technik ist dann die Anwendung des bekannten IPFP-Verfahrens bekannt, um einen Ersatzwert für die Zelle zu generieren. Im Falle von 2 Faktoren beginnt man mit einer Matrix der Form x_ij, i = 1, I, j = 1, J welche die Unfallhäufigkeit in Abhängigkeit von i und j der ursprünglichen Datenbank darstellt. Man geht davon aus, dass die im Land L bekannten Summenhäufigkeiten (Englisch: Marginals) aus nicht bekannten, aber prinzipiell validen Häufigkeiten hervorgehen würden:

  
• Sind die Zellenhäufigkeiten (bezeichnet x_ij) aus einer bekannten Datenbank, sowie die Summenhäufigkeiten (abgekürzt: α_i, β_j) vorhanden, so entspricht das bekannte IPFP Verfahren folgendem iterativem Prozess, mit η = 0, 1, ...
• 
• Zur Spezifikation dieses Prozesses gehört schließlich eine (dem) Fachmann bekannte Vorschrift für Konvergenz, etwa eine Abbruchbedingung, dass sich aufeinander folgende Werte der Matrizen nur um eine vorgegebene Toleranz unterscheiden.
• Defizite des im Stand der Technik bekannten Ersatzwertverfahrens bei Nullwerten:
• Erstens:
• Wenn eine Zelle der Matrix x_ij den Wert null hat, so ergibt der iterative Prozess in allen Iterationsschritten den Wert null. Dieses Ergebnis ist zwar richtig, wenn sich die zwei Kategorien i, j grundsätzlich gegenseitig ausschließen; in allen anderen Fällen ist der Wert null als Zufall anzusehen. In diesem Fall ist im Stand der Technik ein Ersatzwertverfahren dem Fachmann bekannt: man ersetze den Nullwert mit einem beliebigen kleinen positiven Wert.
• Im Hinblick auf die optimale Auslegung eines Fahrerassistenzsystems zur Verringerung der Anzahl und der Konsequenzen von Verkehrsunfällen weist jedoch dieses bekannte Ersatzwertverfahren folgende Defizite auf.
• 1. Es ist wahrscheinlichkeitstheoretisch bzw. statistisch unbegründet.
• 2. Es verletzt die Forderung – welche das IPFP-Verfahren sonst erfüllt – daß Odds-Ratios der ursprünglichen Matrix x_ij erhalten werden. (Hierbei ist der statistische Begriff „Odds-Ratio” dem Fachmann bekannt.).
• 3. Die Nichteindeutigkeit kann zu einer beliebigen Odds-Ratio führen und damit die Gewichtung der jeweiligen Zellen so beeinflussen, dass das Bewertungsverfahren keine eindeutige Antwort mehr liefert.
• Zweitens:
• Für den Fall, dass keine Unfälle der Zelle i, j vorhanden sind, steht außerdem beim Stand der Technik kein Wert von E_i,j zur Verfügung. Dies bedeutet, dass selbst in einem Land mit einem nicht verschwindenden Wert der Zelle x_ij die Gesamtschadenvermeidung W nicht berechnet werden kann.
• Defizite des im Stand der Technik bekannten Verfahrens auch ohne Nullwerte:
  Auch im Falle von endlichen Zahlen in einer Zelle der Matrix x_ij weist der Stand der Technik ein zusätzliches Defizit auf.
• 4. Die Anwendung von IPFP nach dem Stand der Technik verletzt wahrscheinlichkeitstheoretische bzw. statistische Grundsätze – insbesondere dann, wenn eine aus x_ij abgeleitete Odds-Ratio sich nicht mit einer hohen Konfidenz von eins unterscheidet. (Der allgemeine Begriff Konfidenz und auch Verfahren zur Ableitung einer Odds-Ratio aus x_ij werden dem Fachmann bekannt sein). In diesem Fall würde nach Stand der Technik ein geschätzter Wert der Odds-Ratio hochgerechnet, die sich nicht mit einer hohen Konfidenz von eins unterscheidet. Im Hinblick auf die optimale Auslegung eines Fahrerassistenzsystems bedeutet dieses Defizit, dass eine unbegründete Schätzung der Zellenhäufigkeiten θ_i,j in mindestens einem Land entsteht und damit die Qualität der Auslegung des betrachteten Fahrerassistenzsystems beeinträchtigt wird. Diese Defizite können natürlich auch dazu führen, dass ein Effektivitätsnachweis in einem Land nicht gelingt. In diesem Fall müsste ein Unternehmen, das in allen Ländern Sicherheitsstandards erfüllen möchte und hierfür auf einen Nachweis in jedem Land angewiesen ist, teure Design-Änderungen oder Nachrüstungen in Kauf nehmen.
• Erfindungsgemäße Lösung:
• Der Erfindung liegt der im Stand der Technik nicht gelösten Aufgabe zu Grunde, ein eindeutiges und wahrscheinlichkeitstheoretisch begründetes Verfahren zur Hochrechnung zu definieren und anzuwenden, welche die genannten Defizite behebt.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
• Die Erfindung sieht den Test einer oder mehrerer statistischen Hypothesen und der Definition von Ersatzwerten aufgrund des Ausgangs des Tests vor. Zur Durchführung eines Hypothesentests wird ein Konfidenzniveau, etwa 95%, vorgegeben. (Diese Vorgabe stellt keine Beeinträchtigung dar, weil das Verfahren für jedes erwünschte Niveau durchgeführt werden kann.) Zur Definition einer wahrscheinlichkeitstheoretischen Begründung im Sinne der Erfindung wird die allgemein bekannte Erkenntnis herangezogen, dass eine Odds-Ratio gleich Eins genau dann entsteht, wenn zwei Kategorien sich unabhängig voneinander auf die Unfallrisiken auswirken. In Ermangelung eines positiven Tests auf Abhängigkeit (welche erfindungsgemäß durch die statistisch signifikante Unterscheidung der relevanten Odds-Ratio von eins gegeben wäre), bevorzugt die Statistik die Verwerfung der Hypothese einer Abhängigkeit, d. h., die Annahme der Null-Hypothese der Unabhängigkeit. Hierfür sieht die Erfindung den Ersatz der Matrix x_ij mit einer neuen Matrix y_ij vor.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden folgende Schritte iterativ durchgeführt:
• 1. Man nehme ohne Einschränkung der Allgemeinheit an, dass die Kategorien [i, j, ...] so definiert sind, dass die Reihenfolgen der Summenhäufigkeiten (Marginals) folgende Bedingungen erfüllen: α₁ ≤ α₂ ≤ α₃ ≤ ... ≤ α_I β₁ ≤ β₂ ≤ β₃ ≤ ... ≤ β_J (nicht abnehmende Summenhäufigkeiten). Dies ist mit einer neuen Definition der Kategorien immer möglich.
• 2. Man führe für i = 1, I – 1, folgende Schritte iterativ durch: a. Iteriere für j = 1, J – 1: i. Man definiere
  
  Man nehme an, dass B_ij, C_ij, and D_ij > 0. Falls eine dieser Bedingungen verletzt wird: Abbruch, Restrukturierung des Problems, und Neuanfang. Restrukturierung ist dem Fachmann bekannt. Als Beispiel für Restrukturierung dient die Zusammenfassung von Kategorien. Ist diese Bedingung für ein Paar von Indizes i, j erfüllt, etwa i = 1 und j = 1, dann bleibt sie wegen der Indizierung (1) für alle höheren Werte von I oder j erfüllt. ii. Teste A_ij > 0
• Bildung des Modells der ”unabhängigen Kategorien” (”Model of Independence”):
• Falls (A_ij = 0): man setze z₁₁ = A_ij z₁₂ = B_ij z₂₁ = C_ij z₂₂ = D_ij und unterstelle das Modell der unabhängigen Kategorien, um eine neue Matrix m_kl zu bestimmen, wobei die Indizes k, l nur die Werte 1 und 2 annehmen:
• Modell der unabhängigen Kategorien
• E(x_kl) = m_kl
• m_kl = a_kb_l
• log(m_kl) = u + v_k + w_l
• Die neue Matrix bestimmt sich durch Iteration mit η = 0, 1, ...:

  
• Man passe die Werte der Gruppen proportional wie folgt an: κ₁₂ = m₁₂/z₁₂ κ₂₁ = m₂₁/z₂₁ κ₂₂ = m₂₂/z₂₂ y_i'j = κ_1,2x_i'j i' = i + 1, I
• Die neue, reduzierte Matrix wird aus m₁₁ und y_i'j gebildet. Falls A_ij > 0, wird die Odds-Ratio

  

  und deren Konfidenzintervall entsprechend dem erwünschten Konfidenzniveau berechnet.
• Bezeichnet man mit logΩ_ij den natürlichen Logarithmus der Odds Ratio. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das 95%-Konfidenzintervall für log Omega aus den Formeln

  

  geschätzt. Für ein beliebiges Konfidenzniveau (1 – p) wird die Zahl 1.96 mit dem (dem Fachmann bekannten) (1 – p/2)-Quantil der Standardnormalverteilung ersetzt.
• Falls nun das Konfidenzintervall den Wert 0 enthält, dann wird das Modell der unabhängigen Kategorien wie oben durchgeführt, sonst wird keine Änderung durchgeführt.
• In jedem Fall entsteht eine Matrix y_ij, die sich gegebenenfalls von der Matrix x_ij des vorigen Abschnitts unterscheiden kann. Die Prozedur wird nun über die Indizes I und J wie oben dargestellt.
• Ersatzwert zur Berechnung von W, wenn in einer Zelle keine Unfälle vorhanden sind.
• Aus dem oben definierten Verfahren entsteht erfindungsgemäß eine neue Schätzung des Anteils der Unfälle in der Zelle i, j, θ_i,j. Für den Fall, dass keine Unfälle der Zelle i, j vorhanden sind, steht allerdings zunächst kein Wert von E_i,j zur Verfügung, um etwa die Formel

  

  für die Gesamtschadenvermeidung W zu berechnen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird ein Ersatzwert E'_i,j verwendet, in einer besonders bevorzugten Anwendung wird diese durch folgende Formeln gewonnen:

  
• Alle Nenner sind durch die Annahmen garantiert > 0. In weiteren Ausführungen wird ein Ersatzwert aus anderen Unfalldatenbanken gewonnen.
• Mit der Erfindung entsteht ein Verfahren zur besseren Auslegung eines Fahrerassistenzsystems mit begründeten Werten des Unfallschadenvermeidungspotentials.

Claims (5)

1. Verfahren zur Auslegung eines Fahrerassistenzsystems im Hinblick auf eine Verringerung der Anzahl und der Konsequenzen von Verkehrsunfällen, wobei ein Systemkonzept dahingehend bewertet wird, wie viel Prozent eines Gesamtschadens jeweils bei einem Unfall eines bestimmten Typs vermieden werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine statistische Hypothese getestet und aufgrund des Ausgangs eines jeweiligen Testes die Notwendigkeit von mindestens einem Ersatzwert festgestellt wird, wobei zur Durchführung eines Hypothesentests ein definiertes Konfidenzniveau (z. B., 95%, 99%) vorgegeben wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Annahme einer Nullhypothese ein Ersatzwert durch die Forderung bestimmt wird, dass mindestens zwei Kategorien sich unabhängig voneinander auf die Unfallrisiken auswirken.
3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das IPFP-Verfahren zur Hochrechnung der in einer ursprünglichen Datenbank vorhandenen Unfallzählungen in Zellen verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle durch eine Zuordnung von mindestens zwei objektiv definierten Kategorien [i, j, ...] definiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schätzung des vermiedenen Gesamtschadens Unfallschadenvermeidungswerte in jeder Zelle herangezogen werden.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichtvorhandensein eines Unfallschadenvermeidungswertes ein Ersatzwert herangezogen wird.