DE102015121424B3

DE102015121424B3 - Verfahren zur rechnergestützten Bestimmung von technischen Auslegungsparametern von Infrastruktureinrichtungen sowie Computerprogramm

Info

Publication number: DE102015121424B3
Application number: DE102015121424.5A
Authority: DE
Inventors: Lars Schnieder; Tobias Frankiewicz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2016-11-10
Anticipated expiration: 2035-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Bestimmung von technischen Auslegungsparametern von einer oder mehreren Infrastruktureinrichtungen eines automatischen Fahrzeugdatenkommunikationssystems, bei dem ein automatischer Datenaustausch zwischen Fahrzeugen des Straßenverkehrs untereinander und mit festinstallierten Infrastruktureinrichtungen durchgeführt wird, mit den Schritten: a) Festlegung technischer Randbedingungen der auszulegenden Infrastruktureinrichtungen, wobei Randbedingungen wenigstens die möglichen Aufstellungsgebiete der Infrastruktureinrichtungen umfassen, und Festlegung einer Zielfunktion als Abbruchkriterium für eine iterative Bestimmung der Auslegungsparameter, b) Bereitstellung eines Mindestdatenumfangs, der wenigstens ein dreidimensionales Geländemodell im Bereich der durch die Randbedingungen festgelegten möglichen Aufstellungsgebiete der Infrastruktureinrichtungen, Störgrößen bei der Funkausbreitung zumindest im Bereich der möglichen Aufstellungsgebiete sowie Daten aus externen Planungswerkzeugen für die Verkehrsplanung beinhaltet, c) rekursives Durchlaufen eines stochastischen, metaheuristischen Optimierungsverfahrens, bei dem die zu bestimmenden Auslegungsparameter schrittweise zunächst auf Basis der technischen Randbedingungen und des Mindestdatenumfangs und in weiteren Rekursionsschritten zusätzlich auf Basis bereits bestimmter Auslegungsparameter weiter optimiert werden, d) Abbruch des rekursiven Optimierungsverfahrens beim Erreichen der Zielfunktion, ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur rechnergestützten Bestimmung von technischen Auslegungsparametern von einer oder mehreren Infrastruktureinrichtungen eines automatischen Fahrzeugdatenkommunikationssystems, bei dem ein automatischer Datenaustausch zwischen Fahrzeugen des Straßenverkehrs untereinander und mit festinstallierten Infrastruktureinrichtungen durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der automatischen Fahrzeugdatenkommunikation, insbesondere von Fahrzeugen des Straßenverkehrs. Fahrzeuge, die mit einer entsprechenden Fahrzeugkommunikationseinheit ausgestattet sind, sind in der Lage, über die Fahrzeugkommunikationseinheit mit anderen Fahrzeugen mit entsprechender Ausstattung eine automatische Datenkommunikation durchzuführen, und ferner eine automatische Datenkommunikation mit Infrastruktureinrichtungen und/oder anderen Verkehrsteilnehmern durchzuführen, wie zum Beispiel mit Lichtsignalanlagen, Verkehrszeichen, anderen fest installierten Einrichtungen, Fußgängern und Radfahrern. Umgekehrt sind entsprechende kooperierende Infrastruktureinrichtungen ebenfalls zu einer Kommunikation untereinander, mit Fahrzeugen sowie mit nicht-motorisierten Verkehrsteilnehmern in der Lage. Entsprechende, derzeit in der Entwicklung befindliche Systeme werden auch als Car-to-Car-Systeme, Car-to-Infrastructure-Systeme oder Car-to-X-Systeme bezeichnet, wobei das „X” als Platzhalter für beliebige Infrastruktureinrichtungen, andere Fahrzeuge und andere Verkehrsteilnehmer steht. Weitere übliche Bezeichnungen sind Car2C- bzw. Car2X-Systeme, C2C- bzw. C2X-Systeme, Vehicle-to-Vehicle-Systeme, Vehicle-to-Infrastructure-Systeme, Vehicle-to-X-Systeme oder weiter abgekürzt V2V-Systeme, V2I-Systeme, V2X-Systeme.
Infrastruktureinrichtungen sind insbesondere stationäre Einrichtungen, die z. B. Teil der Verkehrsinfrastruktur sind, wie z. B. Lichtsignalanlagen. Insofern bezeichnet der Begriff ”Infrastruktur” insbesondere stationäre Einrichtungen.
Eine Infrastruktureinrichtung eines automatischen Fahrzeugdatenkommunikationssystems dient der Realisierung sowohl sicherheitsgerichteter Assistenzkonzepte im Straßenverkehr als auch der Optimierung von Komfort und Ressourceneffizienz. Für die Planung von technischen Auslegungsparametern von Infrastruktureinrichtungen existiert noch kein strukturierter Ansatz. So erfolgt eine Aufstellung von Infrastruktureinrichtungen ohne vorherige Eignungsüberprüfung des Standortes. Erst im Nachhinein wird deren Übertragungsqualität geprüft.
Aus den Druckschriften

– RIZK, R. [et al.]: RSUs Placement Using Overlap Based Greedy Method for Urban and Rural Roads. In: 7th International Workshop an Communication Technologies for Vehicles (Nets4Cars-Fall), 2014, S. 12–18. – ISBN 978-1-4799-5270-0,
– MAKKAWI, A. [et al.]: RSUs Placement Using Cumulative Weight Based Method for Urban and Rural Roads. In: 7th International Workshop an Reliable Networks Design and Modeling (RNDM), 5.–7. Okt. 2015, S. 307–313. – ISBN 978-1-4673-8050-8,
– PATIL, P. [et al.]: Voronoi-based Placement of Road-side Units to Improve Dynamic Resource Management in Vehicular Ad Hoc Networks. In: International Conference an Collaboration Technologies and Systems (CTS), 2013, S. 389–396.-ISBN 978-1-4673-6403-4

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Infrastruktureinrichtungen eines solchen automatischen Fahrzeugdatenkommunikationssystems optimal auszulegen und damit effizienter und ressourcenschonender zu gestalten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur rechnergestützten Bestimmung von technischen Auslegungsparametern von einer oder mehreren Infrastruktureinrichtungen eines automatischen Fahrzeugdatenkommunikationssystems, bei dem ein automatischer Datenaustausch zwischen Fahrzeugen des Straßenverkehrs untereinander und mit festinstallierten Infrastruktureinrichtungen durchgeführt wird, mit den Schritten:

a) Festlegung technischer Randbedingungen der auszulegenden Infrastruktureinrichtungen, wobei Randbedingungen wenigstens die möglichen Aufstellungsgebiete der Infrastruktureinrichtungen umfassen, und Festlegung einer Zielfunktion als Abbruchkriterium für eine iterative Bestimmung der Auslegungsparameter,
b) Bereitstellung eines Mindestdatenumfangs, der wenigstens ein dreidimensionales Geländemodell im Bereich der durch die Randbedingungen festgelegten möglichen Aufstellungsgebiete der Infrastruktureinrichtungen, Störgrößen bei der Funkausbreitung zumindest im Bereich der möglichen Aufstellungsgebiete sowie Daten aus externen Planungswerkzeugen für die Verkehrsplanung beinhaltet,
c) rekursives Durchlaufen eines stochastischen, metaheuristischen Optimierungsverfahrens, bei dem die zu bestimmenden Auslegungsparameter schrittweise zunächst auf Basis der technischen Randbedingungen und des Mindestdatenumfangs und in weiteren Rekursionsschritten zusätzlich auf Basis bereits bestimmter Auslegungsparameter weiter optimiert werden,
d) Abbruch des rekursiven Optimierungsverfahrens beim Erreichen der Zielfunktion,
e) Ausgeben der bestimmten Auslegungsparameter, zu denen wenigstens die geografische Position der Infrastruktureinrichtungen, ihre Bauhöhe, Antennenposition und -charakteristik sowie die erforderliche Sendeleistung je Abstrahlungsrichtung gehören.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass Infrastruktureinrichtungen zielgerichteter errichtet werden können, wobei deren technische Ausgestaltung nicht erst durch Versuche optimiert werden muss, sondern bereits vorab aufgrund der durch das erfindungsgemäße Verfahren bestimmten Auslegungsparameter festgelegt werden kann. Hierdurch werden Kosten und Zeit gespart, auch für die Planung der Aufstellungsstandorte und die Erlangung der dafür notwendigen Genehmigungen. Durch Berücksichtigung externer Daten, wie z. B. einem dreidimensionalen Geländemodell und Daten über Störgrößen bei der Funkausbreitung sowie Daten aus externen Planungswerkzeugen für die Verkehrsplanung, können vorab diverse wesentliche Einflussgrößen auf die Funktion der zu errichtenden Infrastruktureinrichtung berücksichtigt werden. Hierdurch können insbesondere auch die Aufwendungen, die für eine Überprüfung der Funktion der Infrastruktureinrichtung nach ihrer Errichtung erforderlich sind, deutlich verringert werden.
Mit der Erfindung wird es somit möglich, die Infrastruktureinrichtungen optimal auszulegen. Optimal bezieht sich in diesem Zusammenhang z. B. auf Wirtschaftlichkeit (Antennenauswahl, Montageort, Kabelstrecken, nur eine Antenne für ein Areal) und optimierte Güte der Übertragung. Dies führt zu einer Effizienz und Ressourcenschonung im Verkehr durch die eigentliche Aufgabe der Fahrzeugautomatisierung. Zudem wird mit der Erfindung der Auslegungs- und Planungsprozess von solchen Infrastruktureinrichtungen effizienter und ressourcenschonender gestaltet, auch im Sinne von Personalressourcen.
Der hier vorgeschlagene strukturierte Ansatz zur rechnergestützten Bestimmung von technischen Auslegungsparametern der Infrastruktureinrichtungen erlaubt zudem die Standardisierung beim Ausbau des Fahrzeugdatenkommunikationssystems, z. B. durch Nutzung standardisierter Datenformate für die Beschreibung verkehrstechnischer Infrastruktur. Auf diese Weise können Daten von weiteren externen Datenquellen für die Optimierung der Bestimmung der technischen Auslegungsparameter der Infrastruktureinrichtungen herangezogen werden. Zudem können die Ergebnisse des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich die bestimmten Auslegungsparameter, in standardisierter Weise ausgegeben werden und z. B. einer automatisierten Fertigungseinrichtung zur Fertigung der Infrastruktureinrichtung oder von Teilen davon weitergegeben werden.
Das Ausgeben der bestimmten Auslegungsparameter im Schritt e) kann z. B. derart erfolgen, dass das Ausgeben auf ein Bildanzeigegerät erfolgt, z. B. einen Bildschirm oder einen Drucker, oder über eine Datenschnittstelle (Interface) an eines oder mehrere andere Systeme ausgegeben wird. Letzteres erlaubt eine automatische Weiterverarbeitung der bestimmten Auslegungsparameter, z. B. um externe Planungswerkzeuge für die Verkehrsplanung zu aktualisieren oder um Teile der Infrastruktureinrichtung automatisch zu fertigen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass im Verfahren gemäß Anspruch 1 folgender weiterer Schritt durchgeführt wird:

f) Einlesen der bestimmten Auslegungsparameter in einer Fertigungseinrichtung sowie automatisches Fertigen wenigstens eines Teils der Infrastruktureinrichtung aufgrund der bestimmten Auslegungsparameter der Infrastruktureinrichtung.

Die Fertigungseinrichtung kann z. B. ein numerisch gesteuertes Gerät (CNC-gesteuert) sein, z. B. eine Fräse, eine Drehmaschine, ein Fertigungsroboter, ein 3D-Drucker oder eine Kombination davon.
Die technischen Randbedingungen im Schritt a) können z. B. durch eine Vorauswahl sinnvoll erscheinender Lösungen aus der Auswertung von aus Planungswerkzeugen resultierenden Randbedingungen bestimmt werden.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für eine Aktualisierung der technischen Randbedingungen sowie des Mindestdatenumfangs durch Verwendung aktueller Daten aus bereits verfügbaren Planungswerkzeugen für die Verkehrsplanung und damit einhergehender Planungen, der Möglichkeit der Nutzung von Bestandsplänen von Kabeltrassen, was insbesondere eine Aussage zur vorhandenen Auslastung sowie etwaig möglicher Mitnutzung vorhandener Daten- und Stromleitungen erlaubt, sowie die Nutzung von Bestandsdaten vorhandener Masten inklusive einer Berücksichtigung der Maststatik. Dies erlaubt ggf. die Bereitstellung von Infrastruktureinrichtungen an Positionen, an denen bereits vorhandene Masten existieren, die zur Anbringung einer Infrastruktureinrichtung geeignet sind.
Der Mindestdatenumfang kann im Laufe der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Einspeisung empirisch ermittelter Realdaten weiter verbessert werden, z. B. zur Optimierung des nachfolgend erläuterten Ray-Tracing-Modells.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Optimierungsverfahren ein evolutionärer Algorithmus ist, bei dem in jedem Schritt des rekursiven Durchlaufens des Optimierungsverfahrens aus zuvor mittels Parametervariation bestimmten Lösungskandidaten der zu bestimmenden Auslegungsparameter einer oder mehrere der Zielfunktion am nächsten kommende Lösungskandidaten ausgewählt und für die Bestimmung einer neuen Generation der Auslegungsparameter herangezogen werden. Dies hat den Vorteil, dass mit derzeit vorhandener Rechnertechnologie das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Bewältigung komplexer Auslegungskriterien für die Auslegung von Infrastruktureinrichtungen genutzt werden kann. Ein solcher evolutionärer Algorithmus eignet sich insbesondere gut für die Parallelverarbeitung, sodass in effizienter Weise eine rechnergestützte Bestimmung der technischen Auslegungsparameter durchgeführt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Optimierungsverfahren den in jeder Rekursion durchlaufenen Teilschritt der Bestimmung der Ausbreitung der an einer auszulegenden Infrastruktureinrichtung empfangenen Funksignale und/oder der von einer auszulegenden Infrastruktureinrichtung gesendeten Funksignale mittels Ray-Tracing umfasst. Mittels des Ray-Tracings kann insbesondere die Ausbreitungsrichtung der Funkwellen rechnergestützt simuliert werden. Dies hat den Vorteil, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders effizient auch auf veränderte Randbedingungen der auszulegenden Infrastruktureinrichtungen reagiert werden kann, z. B. Parameter, die sich über die Zeit ändern, wie wachsende Vegetation, Änderungen an Fassaden von Gebäuden, bauliche oder landschaftliche Veränderungen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ray-Tracing unter Festlegung von Splines erfolgt, die die voraussichtlichen Annährungspfade fahrzeugseitiger Funkantennen an die jeweilige auszulegende Infrastruktureinrichtung je nach Fahrzeugklasse beschreiben. Dies hat den Vorteil, dass der Rechenaufwand zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erheblich minimiert werden kann, da durch die genannten Splines der Lösungsraum auf in der Realität besonders relevante Annäherungspfade eingeschränkt werden kann. So können z. B. Splines für die Annäherungspfade der Fahrzeugklassen Pkw (Personenkraftwagen) und Lkw (Lastkraftwagen) festgelegt werden.
Es kann z. B. ein Pkw-Spline mit einer Achse in 2,55 m Höhe über der Fahrbahnmittelachse festgelegt werden, ein Lkw-Spline mit einer Achse in 4 m Höhe über der Fahrbahnmittelachse.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels des Ray-Tracings eine Fitness-Funktion bestimmt wird, die Quality of Service-Parameter der Funkübertragung umfasst. Dies hat den Vorteil, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter, die die Güte, d. h. den Quality of Service, der Funkübertragung bestimmen, in vereinheitlichter Weise in einem Verfahren berücksichtigt werden können.
Für die Fitness-Funktion werden Quality of Service-Parameter (QoS-Parameter) berücksichtigt, die z. B. in Linearkombination mit jeweiligen Gewichtungsfaktoren gewichtet die Fitness-Funktion bilden können. Als Quality of Service-Parameter können z. B. die Sendereichweite einer Infrastruktureinrichtung, die Einhaltung einer gewünschten Übertragungsrichtung, die Sendeleistung und/oder die Paketverlustrate berücksichtigt werden.
Die Zielfunktion kann z. B. als bestimmter Ergebniswert der Fitness-Funktion oder als Erfüllung bestimmter Parameterbereiche der in der Fitness-Funktion berücksichtigten Quality of Service-Parameter definiert sein. Die Zielfunktion kann damit insbesondere einen Sollwert oder eine Kombination von Sollwerten von Parametern der technischen Auslegungsparameter umfassen, der für die Erfüllung der Funktion der Infrastruktureinrichtung hinreichend ist.
Die Erfindung erlaubt beispielsweise die Bestimmung einer Fitness-Funktion auf Basis eines erweiterten Ray-Tracing-Modells, z. B. wie folgt:

– Bezugsachse sind Achsen (sogenannte Splines), welche die voraussichtlichen Annäherungspfade fahrzeugseitiger Antennen beschreiben (Pkw-Spline: Achse in 2,55 m Höhe über der Fahrbahnmittelachse, Lkw-Spline: Achse in 4,00 m Höhe über der Fahrbahnmittelachse). Die Pkw- und Lkw-Splines werden für alle Fahrstreifen der zuführenden Knoten gebildet.
– Simuliertes Ist: Für alle Punkte der Pkw- und Lkw-Splines werden die aus dem Ray-Tracing-Modell abgeleiteten erwartbaren Performance-Parameter dargestellt. Die Splines werden entsprechend den einzelnen Werten eingefärbt (gefärbte Splines).
– Sollwert: aus der Auslegung der Fahrerassistenzsysteme resultierende angestrebte QoS-Parameter.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass einzelne, im Rahmen des Optimierungsverfahrens bestimmte Kandidatendatensätze und/oder Kombinationen von Auslegungsparametern als „nicht sinnvoll” gekennzeichnet werden und solche als „nicht sinnvoll” gekennzeichneten Kandidatendatensätze und/oder Kombinationen von Auslegungsparametern für weitere Rekursionsschritte des Optimierungsverfahren nicht herangezogen werden. Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren selbstlernend auch im Hinblick auf nicht aussichtsreiche Optimierungspfade ist und auf diese Weise im Rahmen des Selbstlernprozesses immer effizienter werden kann und dementsprechend auch schneller ausgeführt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Schritt c) des Anspruchs 1 folgende Teilschritte ausgeführt werden:

a) in einem Initialisierungsschritt des stochastischen, metaheuristischen Optimierungsverfahrens wird eine erste Generation von Lösungskandidaten für die zu bestimmenden Auslegungsparameter z. B. zufällig erzeugt,
b) in einem ersten Evaluationsschritt wird jedem Lösungskandidaten der Generation entsprechend seiner Güte ein Wert der Fitnessfunktion zugewiesen,
c) in einem Selektionsschritt erfolgt eine Auswahl von Individuen aus den Lösungskandidaten der Generation für einen nachfolgenden Rekombinationsschritt zur Bestimmung einer neuen Generation von Lösungskandidaten,
d) in einem Rekombinationsschritt erfolgt eine Kombination der ausgewählten Individuen,
e) in einem Mutationsschritt erfolgt eine zufällige Veränderung der Lösungskandidaten der Generation,
f) in einem weiteren Evaluationsschritt wird jedem Lösungskandidaten der durch Rekombination und/oder Mutation veränderten neuen Generation von Lösungskandidaten entsprechend seiner Güte ein Wert der Fitnessfunktion zugewiesen,
g) sofern die Zielfunktion noch nicht erreicht ist, Fortsetzung im Schritt c) des Anspruchs 7.

Auf diese Weise kann eine genetische Optimierung im Sinne einer evolutionären Entwicklung der technischen Auslegungsparameter besonders effizient realisiert werden.
Der Initialisierungsschritt kann z. B. auf Basis von vorhandenen, zur Anbringung einer Infrastruktureinrichtung geeigneten Masten sowie deren Standorten zufällig mehrere Konfigurationsvorschläge als Lösungskandidaten erzeugen. Die initialen Lösungskandidaten können z. B. aus folgenden Angaben bestehen:

– Geografische Position (Länge, Breite, Höhe)
– Technische Eigenschaften der Sende- und Empfangseinrichtung, z. B. Antennencharakteristik, Sendeleistung, Antennenneigung in drei Raumrichtungen.

Im ersten Evaluationsschritt können z. B. die initialen Lösungskandidaten in das Ray-Tracing-Modell übernommen werden und anhand dessen die voraussichtlich zu erwartenden Quality of Service-Parameter, wie z. B. Sendereichweite, Empfangspegel, Bitverlustrate bestimmt werden. Diese werden mit der Zielfunktion verglichen. Liegt eine Divergenz zwischen der Zielfunktion und den zu erwartenden Quality of Service-Parametern der besten Lösungskandidaten unterhalb eines definierten Schwellwertes, wird das Verfahren abgebrochen und der aktuelle Lösungskandidat als Ergebnis ausgegeben, d. h. als die damit bestimmten technischen Auslegungsparameter. Andernfalls wird mit dem folgenden Selektionsschritt fortgefahren.
Im Selektionsschritt können z. B. die Konfigurationsvorschläge mit den größten Divergenzen zur Zielfunktion aus der Lösungsmenge eliminiert werden. Eine Teilmenge von Lösungskandidaten, z. B. die mit den geringsten Divergenzen zur Zielfunktion, werden für die weitere Vorgehensweise selektiert.
Im nachfolgenden Rekombinationsschritt können beispielsweise gezielt die Parameter der Lösungskandidaten modifiziert werden. Damit kann eine Bewertung der einzelnen Parameter einhergehen. Beispielsweise hat der eine Lösungskandidat einen guten Fitness-Wert, da die Einbauhöhe der Infrastruktureinrichtung weniger schlecht war als bei anderen Lösungskandidaten derselben Generation. Ein anderer Lösungskandidat kann einen guten Fitness-Wert aufgrund seiner hohen Sendeleistung haben. Diese beiden Parameter werden nun miteinander verknüpft (rekombiniert). Die anderen Parameter werden beibehalten.
Im ggf. parallel zum Rekombinationsschritt ausgeführten Mutationsschritt können neue Nachkommen auch durch eine Mutation gebildet werden. Hierbei werden Teile eines Parametersatzes eines Lösungskandidaten verändert. So könnte man z. B. beim zuvor erwähnten Lösungsvorschlag, bei dem die Einbauhöhe weniger schlecht war als bei anderen Lösungskandidaten der Generation, die Einbauhöhe z. B. in Richtung „höher” verändern und hierauf aufbauend die nächste Generation von Lösungskandidaten ermitteln.
Im weiteren Evaluationsschritt erfolgt die gleiche Auswertung wie im ersten Evaluationsschritt, jedoch auf Basis der durch Rekombination und/oder Mutation erzeugten neuen Generation von Lösungskandidaten. Diese werden erneut anhand der Fitness-Funktion unter Nutzung des Ray-Tracing-Modells bewertet.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird. Als Rechner kann z. B. ein Computer genutzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt den Verfahrensablauf in schematischer Darstellung, wobei das Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte mit den verschiedenen Datenquellen sowie die Schnittstellen dazwischen dargestellt ist.
Der Block 1 symbolisiert ein Kataster der straßenverkehrstechnischen Infrastruktur. Das Kataster der straßenverkehrstechnischen Infrastruktur kann aus vorhandenen Verkehrsingenieursarbeitsplätzen (Sitraffic-Office, Lisa+) extrahiert werden. Sofern vorhanden, können auch noch aus einem Asset-Management (wirtschaftlicher Betrieb verkehrstechnischer Anlagegüter) heraus Bestandsdaten (z. B. aus dem Werkzeug CAOS) genutzt werden. Hieraus können zentrale Randbedingungen für die Auslegung der Fahrzeug-Infrastruktur-Kommunikation abgeleitet werden (z. B. Maststandorte, konkrete Ausprägung der Masten wie Höhe und Querschnittsform). Sofern vorhanden, können im Asset-Management auch dort verzeichnete Verkehrsschilder mit ihrer Art, Ausrichtung und ihrer Georeferenz genutzt werden.
Der Block 2 symbolisiert ein Kataster für weiteres Straßenmobiliar, z. B. Angaben über Laternenmasten. Dies umfasst beispielsweise Laternenmasten oder Oberleitungsmasten, welche mit ihrer Georeferenz und weiteren Details ihrer baulichen Ausführung verzeichnet sind.
Der Block 3 symbolisiert ein Kataster für Kabeltrassen. Kabeltrassen können als zentrale Ressource für die Planung und gerätetechnische Ausführung der Sende- und Empfangseinrichtungen der Infrastruktureinrichtungen des automatischen Fahrzeugdatenkommunikationssystems genutzt werden. Um die Kabelwege planen zu können und die Einhaltung maximal zulässiger Parameter (z. B. maximale Kabellänge) überwachen zu können, sind diese Angaben mit in die Planung einzubeziehen.
Der Block 4 symbolisiert ein Grünflächenkataster. Grünflächenkataster enthalten Angaben zu Bäumen (Art, Höhe und Georeferenz). Diese Daten sind für die Auslegung von hoher Relevanz, da die Belaubung wesentlich die erreichbaren Quality-of-Service-Parameter der Datenkommunikation bestimmt.
Der Block 5 symbolisiert weitere amtliche Katasterdaten, wie z. B. Grundrisse von Gebäuden, Texturen von Außenfassaden und ähnliches. Weitere Katasterdaten werden mit einbezogen. Dies umfasst Gebäudegrundrisse. Idealerweise sind die Gebäudekubaturen näher bestimmt (z. B. durch weitere Angaben zur Traufhöhe und Fassadentextur).
Der Block 6 beinhaltet eine technische Einrichtung zur Definition von Lösungskandidaten einschließlich Plausibilitätskontrolle. Hierüber ist (a) die manuelle Einrichtung einer Initialkonfiguration von Lösungskandidaten möglich, bzw. (b) die automatische Generierung von Lösungskandidaten möglich.
Der Block 7 betrifft eine technische Einrichtung zur Ausführung eines Ray-Tracing-Modells zur Ermittlung der Quality-of-Service-Parameter der Datenkommunikation zwischen Infrastruktureinrichtungen und Fahrzeugen.
Der Block 8 beinhaltet die Bewertung der Ergebnisse des Blocks 7. Der Block 8 beinhaltet eine technische Einrichtung zur Bewertung der Ergebnisse des ausgeführten Ray-Tracing-Modells anhand der Fitness-Funktion. Dieser Block führt einen Vergleich der Modellergebnisse gegen die Zielvorgabe aus. Hieraus resultieren Anpassungen der Lösungskandidaten.
Der Block 9 beinhaltet empirische Realdaten aus dem Betrieb des Fahrzeugdatenkommunikationssystems, z. B. Messdaten, die durch Channel Sounding oder andere Feldmessungen erfasst werden.
Der Block 10 betrifft fahrzeugseitige Funktionen des Fahrzeugdatenkommunikationssystems, z. B. Bahnführung und/oder Regelung. Der Block 10 ist somit nicht unmittelbar Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens, kann aber als Datenquelle für zusätzliche zu verarbeitende Daten herangezogen werden.
Zwischen den erläuterten Blöcken sind verschiedene Schnittstellen vorgesehen, die dem Datenaustausch zwischen den Blöcken dienen. Diese Schnittstellen haben folgende Funktionen.
Schnittstelle 16: Daten aus dem Kataster der straßenverkehrstechnischen Infrastruktur werden an den Block 6 übergeben. Dies erlaubt (a) die Prüfung der Verwendung der vorhandenen verkehrstechnischen Infrastruktur und (b) die Prüfung möglicher Modifikationen der vorhandenen verkehrstechnischen Infrastruktur in dem Block 6.
Schnittstelle 61: Wurde (a) die vorhandene verkehrstechnische Infrastruktur modifiziert, bzw. (b) die vorhandene verkehrstechnische Infrastruktur um zusätzliche Infrastrukturelemente ergänzt (z. B. Masten), so wird dies in das Kataster der straßenverkehrstechnischen Infrastruktur übernommen und somit in den Planungswerkzeugen des Verkehrsingenieurs nachgezogen.
Schnittstelle 17: Die Daten aus dem Kataster der straßenverkehrstechnischen Infrastruktur gehen in das Ray-Tracing-Modell im Block 7 mit ein (beispielsweise Art und Größe von Verkehrsschildern).
Schnittstelle 26: Daten über weitere vorhandene Infrastruktur (z. B. Masten der Straßenbeleuchtung) werden an den Block 6 übergeben und gehen dort in die Definition möglicher Ausrüstungskonfigurationen von Lösungskandidaten mit ein.
Schnittstelle 27: Daten über weitere vorhandene Infrastruktur (z. B. Masten der Straßenbeleuchtung) können ebenfalls im Ray-Tracing-Modell berücksichtigt werden, da sie potenziell Störeinflüsse für die Signalausbreitung darstellen.
Schnittstelle 36: Angaben zu den Kabeltrassen (Ort, Füllstand) können mit an das Planungssystem übergeben werden, da sie die ausführbaren Lösungskandidaten mit bestimmen.
Schnittstelle 46: Grünflächen (insbesondere Bäume) haben einen wesentlichen Einfluss auf die Bestimmung möglicher Konfigurationen. Ihre Lage und ihr räumlicher Umfang (Baumkrone) können mit berücksichtigt werden. Daher werden diese bereits bei der Bestimmung sinnvoller Lösungskandidaten mit berücksichtigt.
Schnittstelle 47: Ausführung analog zu Schnittstelle 46; auch im Ray-Tracing kann die Vegetation berücksichtigt werden.
Schnittstelle 57: Katasterdaten müssen um Gebäudetexturen und Traufhöhen erweitert werden (ggf. auf der Basis statistischer Annahmen). Dies ist eine weitere Eingangsgröße für das Ray-Tracing-Modell.
Schnittstelle 67: In Block 6 identifizierte sinnvolle Lösungskandidaten werden an das Ray-Tracing-Modell im Block 7 übergeben und dort simuliert.
Schnittstelle 78: Ergebnisse des Ray-Tracing-Modells werden an die Bewertung im Block 8 übergeben.
Schnittstelle 89: Ist die Zielfunktion (Fitness-Funktion) erfüllt, wird der damit ermittelte Lösungskandidat als zu realisierende Auslegungsparameter ausgegeben. Auf dieser Grundlage wird ein real implementiertes System geschaffen, dessen Prozessdaten wiederum ausgewertet werden können. Dies führt zu einer Kalibrierung/Validierung des Ray-Tracing-Modells und zu seiner kontinuierlichen Verbesserung.
Schnittstelle 97: Anpassungen des Ray-Tracing-Modells auf Basis von Prozessdaten aus dem real implementierten System.
Schnittstelle 86: Bewertungsergebnisse (Fitness-Funktion im Sinne evolutionärer Algorithmen) werden an den Block 6 übergeben. Auf dieser Grundlage werden im Zuge der Ausführung genetischer Algorithmen neue Lösungskandidaten selektiert.
Über die Schnittstelle 89 können zur Verbesserung des Ray-Tracing-Modells wiederum bereits ermittelte Auslegungsparameter in den Verfahrensablauf zurückgespeist werden.
Zusätzlich können auch Daten von CAD-Modellen von Fahrzeugen, die am Fahrzeugdatenkommunikationssystem teilnehmen, verwendet werden, um die Bestimmung der Auslegungsparameter weiter zu optimieren. Ergänzend kann die vorhandene Simulation der Übertragungsstrecke in eine Software-in-the-Loop Simulation der eigentlichen sicherheitsgerichteten Assistenzfunktion integriert werden.

Claims

Verfahren zur rechnergestützten Bestimmung von technischen Auslegungsparametern von einer oder mehreren Infrastruktureinrichtungen eines automatischen Fahrzeugdatenkommunikationssystems, bei dem ein automatischer Datenaustausch zwischen Fahrzeugen des Straßenverkehrs untereinander und mit festinstallierten Infrastruktureinrichtungen durchgeführt wird, mit den Schritten: a) Festlegung technischer Randbedingungen der auszulegenden Infrastruktureinrichtungen, wobei Randbedingungen wenigstens die möglichen Aufstellungsgebiete der Infrastruktureinrichtungen umfassen, und Festlegung einer Zielfunktion als Abbruchkriterium für eine iterative Bestimmung der Auslegungsparameter, b) Bereitstellung eines Mindestdatenumfangs, der wenigstens ein dreidimensionales Geländemodell im Bereich der durch die Randbedingungen festgelegten möglichen Aufstellungsgebiete der Infrastruktureinrichtungen, Störgrößen bei der Funkausbreitung zumindest im Bereich der möglichen Aufstellungsgebiete sowie Daten aus externen Planungswerkzeugen für die Verkehrsplanung beinhaltet, c) rekursives Durchlaufen eines stochastischen, metaheuristischen Optimierungsverfahrens, bei dem die zu bestimmenden Auslegungsparameter schrittweise zunächst auf Basis der technischen Randbedingungen und des Mindestdatenumfangs und in weiteren Rekursionsschritten zusätzlich auf Basis bereits bestimmter Auslegungsparameter weiter optimiert werden, d) Abbruch des rekursiven Optimierungsverfahrens beim Erreichen der Zielfunktion, e) Ausgeben der bestimmten Auslegungsparameter, zu denen wenigstens die geografische Position der Infrastruktureinrichtungen, ihre Bauhöhe, Antennenposition und -charakteristik sowie die erforderliche Sendeleistung je Abstrahlungsrichtung gehören.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsverfahren ein evolutionärer Algorithmus ist, bei dem in jedem Schritt des rekursiven Durchlaufens des Optimierungsverfahrens aus zuvor mittels Parametervariation bestimmten Lösungskandidaten der zu bestimmenden Auslegungsparameter einer oder mehrere der Zielfunktion am nächsten kommende Lösungskandidaten ausgewählt und für die Bestimmung einer neuen Generation der Auslegungsparameter herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Optimierungsverfahren den in jeder Rekursion durchlaufenen Teilschritt der Bestimmung der Ausbreitung der an einer auszulegenden Infrastruktureinrichtung empfangenen Funksignale und/oder der von einer auszulegenden Infrastruktureinrichtung gesendeten Funksignale mittels Ray-Tracing umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ray-Tracing unter Festlegung von Splines erfolgt, die die voraussichtlichen Annährungspfade fahrzeugseitiger Funkantennen an die jeweilige auszulegende Infrastruktureinrichtung je nach Fahrzeugklasse beschreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ray-Tracing eine Fitness-Funktion bestimmt wird, die Quality of Service-Parameter der Funkübertragung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne, im Rahmen des Optimierungsverfahrens bestimmte Kandidatendatensätze und/oder Kombinationen von Auslegungsparametern als „nicht sinnvoll” gekennzeichnet werden und solche als „nicht sinnvoll” gekennzeichneten Kandidatendatensätze und/oder Kombinationen von Auslegungsparametern für weitere Rekursionsschritte des Optimierungsverfahren nicht herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) des Anspruchs 1 folgende Teilschritte ausgeführt werden: a) in einem Initialisierungsschritt des stochastischen, metaheuristischen Optimierungsverfahrens wird eine erste Generation von Lösungskandidaten für die zu bestimmenden Auslegungsparameter erzeugt, b) in einem ersten Evaluationsschritt wird jedem Lösungskandidaten der Generation entsprechend seiner Güte ein Wert der Fitnessfunktion zugewiesen, c) in einem Selektionsschritt erfolgt eine Auswahl von Individuen aus den Lösungskandidaten der Generation für einen nachfolgenden Rekombinationsschritt zur Bestimmung einer neuen Generation von Lösungskandidaten, d) in einem Rekombinationsschritt erfolgt eine Kombination der ausgewählten Individuen, e) in einem Mutationsschritt erfolgt eine zufällige Veränderung der Lösungskandidaten der Generation, f) in einem weiteren Evaluationsschritt wird jedem Lösungskandidaten der durch Rekombination und/oder Mutation veränderten neuen Generation von Lösungskandidaten entsprechend seiner Güte ein Wert der Fitnessfunktion zugewiesen, g) sofern die Zielfunktion noch nicht erreicht ist, Fortsetzung im Schritt c) des Anspruchs 7.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösungskandidaten für die zu bestimmenden Auslegungsparameter im Schritt a) zufällig erzeugt werden.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.