DE102016210025A1

DE102016210025A1 - Verfahren Vorrichtung und System zur Falschfahrererkennung

Info

Publication number: DE102016210025A1
Application number: DE102016210025.4A
Authority: DE
Inventors: Simon Geisler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2017-12-07
Also published as: WO2017211488A1; US20190189003A1; JP6944472B2; EP3465652A1; US10916124B2; CN109313849A; JP2019519041A; CN109313849B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Falschfahrererkennung mit einem Schritt des Einlesens von Kartendaten (116), die Straßenabschnitte eines von einem Fahrzeug (100) befahrbaren Straßennetz abbilden, einem Schritt des Bestimmens einer Mehrzahl von aktuellen Partikeln unter Verwendung einer gemessenen aktuellen Position des Fahrzeugs (100), wobei ein Partikel eine angenommene Position des Fahrzeugs (100) und eine der angenommenen Position zugeordnete Gewichtung repräsentiert, einem Schritt des Einlesens einer Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikeln, die in einem vorangegangenen Schritt des Filterns unter Verwendung eines Partikel-Filters gefilterte Partikel darstellen, einem Schritt des Bestimmens einer Menge von plausiblen Straßenabschnitten unter Verwendung der Mehrzahl von aktuellen Partikeln und der Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikeln, und einem Schritt des Filterns der Mehrzahl von aktuellen Partikeln basierend auf der Menge von plausiblen Straßenabschnitten unter Verwendung des Partikel-Filters, um eine Mehrzahl gefilterter Partikel zu bestimmen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Falschfahrer („Geisterfahrer”) verursachen im Falle eines Unfalls zumindest erheblichen Sachschaden. Die Erkennung alleine auf Basis des Navigationsgerätes (Straßenklasse und -richtung) ist für die meisten Fälle zu spät, d. h. der Falschfahrer befindet sich bereits (mit hoher Fahrgeschwindigkeit und großer Wahrscheinlichkeit einer Kollision) auf der falschen Fahrbahn.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, weiterhin eine Vorrichtung und ein System zur Falschfahrererkennung, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Eine beispielsweise cloud-basierte Falschfahrerwarnung kann vorteilhafterweise mit einer speziell auf den Anwendungsfall angepassten Erkennung mit einem Partikel-Filter realisiert werden.
Ein Verfahren zur Falschfahrererkennung umfasst die folgenden Schritte:
Einlesen von Kartendaten, die Straßenabschnitte eines von dem Fahrzeug befahrbaren Straßennetz abbilden;
Bestimmen einer Mehrzahl von aktuellen Partikeln unter Verwendung einer gemessenen aktuellen Position des Fahrzeugs, wobei ein Partikel eine angenommene Position des Fahrzeugs und eine der angenommenen Position zugeordnete Gewichtung repräsentiert;
Einlesen einer Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikeln, die in einem vorangegangenen Schritt des Filterns unter Verwendung eines Partikel-Filters gefilterte Partikel darstellen;
Bestimmen einer Menge von plausiblen Straßenabschnitten unter Verwendung der Mehrzahl von aktuellen Partikeln und der Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikeln;
Filtern der Mehrzahl von aktuellen Partikeln basierend auf der Menge von plausiblen Straßenabschnitten unter Verwendung des Partikel-Filters, um eine Mehrzahl gefilterter Partikel zu bestimmen.
Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Straßenfahrzeug handeln. Unter einer Falschfahrt kann eine Fahrt des Fahrzeugs auf einer Straße entgegen einer vorgeschriebenen Fahrtrichtung verstanden werden. Die gemessene Position kann unter Verwendung eines in dem Fahrzeug angeordneten Sensors gemessen worden sein. Die Mehrzahl von Partikeln können unter Verwendung eines mit bekannten Partikel-Filtern verwendeten Verfahrens bestimmt werden. Die Partikel können dabei unterschiedliche angenommene Positionen aufweisen, die beispielsweise um die gemessene Position gruppiert sind. Die Kartendaten können beispielsweise aus einer digitalen Karte ausgelesen werden. Unter einem plausiblen Straßenabschnitt kann ein Straßenabschnitt verstanden werden, von dem nach Auswertung der vorhandenen Daten angenommen wird, dass sich das Fahrzeug darauf befindet.
Im Schritt des Filterns der Mehrzahl aktueller Partikel können neue Gewichtungen für die Mehrzahl aktueller Partikel bestimmt werden. Auf diese Weise können plausibel erscheinende Partikel höher gewichtet werden, um das Ergebnis des Verfahrens zu verbessern.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bereitstellens eines Falschfahrtsignals unter Verwendung der Mehrzahl gefilterter Partikel umfassen. Dabei kann das Falschfahrtsignal anzeigen, ob eine Falschfahrt des Fahrzeugs vorliegt oder nicht vorliegt. Beispielsweise kann das Falschfahrtsignal nur dann bereitgestellt werden, wenn eine Falschfahrt angenommen wird.
Im Schritt des Bestimmens einer Menge von plausiblen Straßenabschnitten kann eine Menge von vorangegangenen plausiblen Straßenabschnitten eingelesen werden, die in eine in einem vorangegangenen Schritt des Bestimmens bestimmte Menge von plausiblen Straßenabschnitten darstellt. Ferner kann eine Menge von unsicheren Straßenabschnitten unter Verwendung der Mehrzahl von aktuellen Partikeln bestimmt werden. Schließlich kann die Menge von vorangegangenen plausiblen Straßenabschnitten mit denjenigen der unsicheren Straßenabschnitte, die eine Verbindung zu einem der vorangegangenen plausiblen Straßenabschnitte aufweisen, zu der Menge von plausiblen Straßenabschnitten ergänzt werden. Auf diese Weise kann die Menge von plausiblen Straßenabschnitten ständig aktualisiert werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bestimmens einer zurückgelegten Distanz des Fahrzeugs unter Verwendung der Menge von plausiblen Straßenabschnitten umfassen. Dabei kann im Schritt des Filterns die Mehrzahl von aktuellen Partikeln basierend auf der zurückgelegten Distanz gefiltert werden. Durch die Berücksichtigung der zurückgelegten Distanz kann beispielsweise die Gewichtung der Partikel angepasst werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Einlesens der gemessenen aktuellen Position über eine Schnittstelle einer Rechnerwolke, einer sogenannten Cloud, umfassen. Dies ermöglicht eine cloud-basierte Lösung.
Eine entsprechende Vorrichtung zur Falschfahrererkennung ist eingerichtet, um Schritte des genannten Verfahrens in entsprechenden Einheiten auszuführen. Beispielsweise kann eine solche Vorrichtung eine Einleseeinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um Kartendaten einzulesen, die Straßenabschnitte eines von dem Fahrzeug befahrbaren Straßennetz abbilden, eine Bestimmungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von aktuellen Partikeln unter Verwendung einer gemessenen aktuellen Position des Fahrzeugs zu bestimmen, wobei ein Partikel eine angenommene Position des Fahrzeugs und eine der angenommenen Position zugeordnete Gewichtung repräsentiert, eine Einleseeinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um eine Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikel einzulesen, die in einem vorangegangenen Schritt des Filterns unter Verwendung eines Partikel-Filters gefilterte Partikel darstellen, eine Bestimmungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um eine Menge von plausiblen Straßenabschnitten unter Verwendung der Mehrzahl von aktuellen Partikeln und der Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikeln zu bestimmen, und eine eine Filtereinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um die Mehrzahl von aktuellen Partikeln basierend auf der Menge von plausiblen Straßenabschnitten unter Verwendung des Partikel-Filters zu filtern, um eine Mehrzahl gefilterter Partikel zu bestimmen. Entsprechend kann die Vorrichtung den Partikel-Filter umfassen.
Ein entsprechendes System zur Falschfahrererkennung umfasst zumindest eine Sendeeinrichtung, die in einem Fahrzeug anordenbar oder angeordnet ist, und ausgebildet ist, um Positionsdaten auszusenden, sowie eine genannte Vorrichtung zur Falschfahrererkennung, die ausgebildet ist, um die von der zumindest einen Sendeeinrichtung ausgesendeten Positionsdaten zu empfangen, beispielsweise über eine drahtlose Verbindung.
Ein weiteres System zur Falschfahrererkennung umfasst zumindest eine Sendeeinrichtung, die in einem Fahrzeug anordenbar oder angeordnet ist, und ausgebildet ist, um Positionsdaten auszusenden, wobei die Positionsdaten eine gemessene Position eines Fahrzeugs repräsentieren, und zumindest eine Empfangseinrichtung, die in dem Fahrzeug anordenbar oder angeordnet ist und ausgebildet ist, Daten einer Vorrichtung zu empfangen, welche gemäß dem hier beschriebenen Ansatz zur Falschfahrererkennung dazu ausgebildet ist, um die von der zumindest einen Sendeeinrichtung ausgesendeten Positionsdaten zu empfangen.
Das beschriebene Verfahren kann in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware implementiert sein, beispielsweise in einer Vorrichtung.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein System zur Falschfahrererkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Falschfahrererkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 ein Hidden Markov Chain Model;
4 einen Ablauf eines Partikel-Filter-Prozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel
5 ein System zur Falschfahrererkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 ein Fahrzeug gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 einen Programmablauf gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 einen Programmablauf eines Partikel-Filters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 eine Veranschaulichung einer Berücksichtigung einer Straßentopologie gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 einen Programmablauf eines Verfahrens zur Falschfahrererkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
11 eine Veranschaulichung einer Berücksichtigung einer Straßentopologie gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt ein System zur Falschfahrererkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das System umfasst ein Fahrzeug 100, das eine Übertragungseinrichtung 102 aufweist, die ausgebildet ist, um unter Verwendung zumindest einer in dem Fahrzeug 100 angeordneten Sensoreinrichtung 104 erfasste Messdaten 106 drahtlos an eine eine Vorrichtung 110 zur Falschfahrererkennung auszusenden. Die Vorrichtung 110 ist ausgebildet, um die Messdaten 106 zu aufbereiteten Daten aufzubereiten und die aufbereiteten Daten unter Verwendung eines Partikel-Filters weiterzuverarbeiten, um ein Falschfahrtsignal 112 zu erzeugen und auszusenden. Das Falschfahrtsignal 112 zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel an, dass das Fahrzeug 100 dessen Messdaten 106 verarbeitet wurden, aktuell eine Falschfahrt ausführt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist sowohl die Übertragungseinrichtung 102 des Fahrzeugs 100 als auch eine Übertragungseinrichtung 102 eines weiteren Fahrzeugs 100 ausgebildet, um das Falschfahrtsignal 112 zu empfangen und ansprechend auf einen Empfang des Falschfahrtsignals 112 eine Warneinrichtung des jeweiligen Fahrzeugs 100, 114 zu aktiveren, die beispielsweise einen Fahrer des jeweiligen Fahrzeugs 100, 114 vor der Falschfahrt warnt oder gemäß einem Ausführungsbeispiel in eine zumindest teilautomatische Steuerung, beispielsweise einer Bremsanlage oder Lenkanlage, des jeweiligen Fahrzeugs 100, 114 eingreift. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele kann die Übertragungseinrichtung 102 nur als Sendeeinrichtung oder aber als Sende-Empfangseinrichtung ausgeführt sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Messdaten 106 Positionsdaten, die unter Verwendung einer Positionsbestimmungseinrichtung des Fahrzeugs 100 erfasst wurden und eine aktuelle Position des Fahrzeugs 100 abbilden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfassen die Messdaten 106 ferner Bewegungsdaten, die beispielsweise unter Verwendung zumindest eines Beschleunigungssensors des Fahrzeugs 100 erfasst wurden und Informationen über eine aktuelle Bewegung des Fahrzeugs 100, beispielsweise Informationen über eine Fahrtrichtung, eine Längsbeschleunigung, eine Querbeschleunigung oder über eine Drehung des Fahrzeugs um eine Fahrzeugachse umfassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 110 ausgebildet, um Kartendaten 116 einzulesen, die ein von dem Fahrzeug 100 befahrbares Straßennetz abbilden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Kartendaten 116 beispielsweise Informationen über Straßenabschnitte des Straßennetzes. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Kartendaten 116 bezüglich jedes Straßenabschnitts ferner zumindest einen Parameter, der beispielsweise eine Fahrtrichtungsvorgabe für den jeweiligen Straßenabschnitt oder einen Verlauf des jeweiligen Straßenabschnitts definiert. Beispielsweise kann über den Parameter definiert sein, ob der Straßenabschnitt geradlinig verläuft oder eine Kurve beschreibt. Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung 110 eine Speichereinrichtung auf, in der die Kartendaten 116 gespeichert sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 110 oder sind Funktionsblöcke der Vorrichtung 110 in einer Cloud 118 angeordnet oder realisiert.
Der beschriebene Ansatz kann ergänzend oder anstelle vielfältige Verfahren zur Detektion eines Falschfahrers verwendet werden, bei denen z. B. der Einsatz einer Videosensorik erfolgt, um das Passieren eines „Einfahrt verboten” Schildes zu detektieren oder der Einsatz einer digitalen Karte in Verbindung mit einer Navigation genutzt wird, um ein Detektieren einer falschen Fahrtrichtung auf einem Straßenabschnitt zu erkennen, der nur in einer Richtung befahrbar ist. Weiterhin bekannt sind. Weiterhin kann der Ansatz mit drahtlosen Verfahren kombiniert werden, die mittels Infrastruktur wie z. B. Baken in der Fahrbahn oder am Fahrbahnrand Falschfahrer detektieren.
Neben der Detektion eines Falschfahrers bietet der beschriebene Ansatz viele Möglichkeiten der Reaktion auf einen Falschfahrer. Beispiele hierfür sind die Warnung des Falschfahrers selbst über ein Display oder akustische Hinweise. Auch können Verfahren angewendet werden, mit denen andere Fahrer in der Nähe eines Falschfahrers gewarnt werden, z. B. über Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation oder mittels Mobilfunk. Weiterhin ist die Warnung anderer Verkehrsteilnehmer über am Straßenrand aufgestellte Wechselverkehrszeichen möglich. Auch kann ein Eingriff in die Motorsteuerung oder Bremse des falsch fahrenden Fahrzeugs 100 erfolgen.
Der beschriebene Ansatz ermöglicht es, einen Falschfahrer zu detektieren und andere Verkehrsteilnehmer in dessen Nähe noch rechtzeitig zu warnen, wofür nur sehr wenig Zeit zur Verfügung steht.
Der beschriebenen Ansatz greift für eine Falschfahrererkennung (Wrong-Way-Driver-Detection) mit einer Client-Server-Lösung. Als Client ist ein Gerät zu sehen, befindlich an oder in einem Kraftfahrzeug, welches über eine Internetanbindung verfügt und mindestens Zugriff auf Positionskoordinaten hat. Beispielsweise kann es sich dabei um die Übertragungseinrichtung 102 handeln. Bei der Übertragungseinrichtung 102 kann es sich beispielsweise um ein Smartphone handeln. In der Übertragungseinrichtung 102 kann die Sensoreinrichtung 104 integriert sein. Somit kann eine falschfahrerspezifische Server-Client-Kommunikation mit einem Smartphone als beispielhaften Client umgesetzt werden. Das Smartphone kann über ein Mobilfunknetz mit einem Gateway (PDN_GW) an das Internet angeschlossen sein, in dem die Vorrichtung 110, beispielsweise in Form eines Servers, angeordnet sein kann.
Es ergeben sich aus den möglichen Funktionsweisen einer Falschfahrerwarnung mit einer Client-Server-Lösung folgende Schlüsselproblemfelder für diese Technologie, welche durch den hier beschriebenen Ansatz angegangen werden:
a) False-Positive-Reduktion
False-Positives, also Fehldetektionen bei richtiger Fahrweise, müssen bei einer Eigenwarnung und/oder eines aktiven Eingreifens so weit wie möglich vermindert beziehungsweise komplett vermieden werden. Je nach Warnungskonzept müssen die Standards bis zu ASIL-A erfüllen.
b) Zeitkritische Ausführung der Auslösekette
Um die Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer ausgehend von einem Falschfahrer so gering wie möglich zu halten, soll ein Eingreifen bzw. Warnen so schnell wie möglich erfolgen. D. h. die komplette Funktionskette von Detektion einer kritischen Situation über das Erkennen eines Falschfahrers bis zum Eingriff bzw. Warnung soll in einer möglichst geringen Zeitspanne durchlaufen werden. Die Auslastung und somit die nötige Leistungsfähigkeit des Servers, beispielsweise der Vorrichtung 110, bei einem flächendeckenden Einsatz dieser Funktion spielt dabei eine sehr wichtige Rolle. Neben der Auslösezeit stellt auch noch die Wirtschaftlichkeit einen wichtigen Teilaspekt dar.
c) Kommunikation, Dateneffizienz und Stromverbrauch
Die Kommunikation und der Stromverbrauch müssen besonders für mobile Geräte so effizient bzw. gering wie möglich sein, um eine akzeptable Akkulaufzeit zu erreichen. Auch die Überlastung einer Mobilfunkzelle oder anderweitigen drahtlosen Kommunikationseinheit muss durch eine dateneffiziente Kommunikation unterbunden werden. Auch das Datenvolumen und die damit verbunden Kosten sind, soweit es möglich ist einzugrenzen. Die Effizienz der Kommunikation ist aus Rechenleistungsgründen auch serverseitig ein äußerst wichtiger Faktor.
Der beschriebene Ansatz greift vor allem für die Schlüsselfelder a) „False-Positive-Reduktion” und b) „Zeitkritische Ausführung der Auslösekette”, aber auch c) „Kommunikation, Dateneffizienz und Stromverbrauch” wird gegebenenfalls davon beeinflusst. Die Erkennung von Falschfahrern in der Cloud 118, basierend auf handelsüblicher Smartphone- und Connectivity-Control-Unit-Sensorik ist kein triviales Unterfangen.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Falschfahrererkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann beispielsweise unter Verwendung von Einrichtungen der anhand von 1 gezeigten Vorrichtung zur Falschfahrererkennung ausgeführt werden.
Das Verfahren umfasst einen Schritt 201, in dem Kartendaten eingelesen werden, die Straßenabschnitte eines von dem Fahrzeug befahrbaren Straßennetz abbilden. In einem Schritt 203 wird eine Mehrzahl von aktuellen Partikeln unter Verwendung einer gemessenen aktuellen Position des Fahrzeugs bestimmen. Dabei repräsentiert ein Partikel eine angenommene Position des Fahrzeugs und eine der angenommenen Position zugeordnete Gewichtung. In einem Schritt 205 wird eine Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikel eingelesen: In einem Schritt 207 wird eine Menge von plausiblen Straßenabschnitten unter Verwendung der Mehrzahl von aktuellen Partikeln und der Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikel bestimmt. In einem Schritt 209 wird die Mehrzahl von aktuellen Partikeln basierend auf der Menge von plausiblen Straßenabschnitten unter Verwendung des Partikel-Filters gefiltert. Dabei wird eine Mehrzahl gefilterter Partikel bestimmt, die in einem zeitlich nachfolgenden Schritt 205 als Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikel eingelesen werden können.
Für die Falschfahrererkennung ist es nicht ausschlaggebend, welche Route der Falschfahrer gefahren ist. Die benötigte Information ist vor allem, wo sich der Falschfahrer aktuell befindet und ob dieser einen Straße entgegen der Fahrtrichtung befährt. Für diese Ermittlung wird selbstverständlich die Historie benötigt, doch diese ist nicht Teil der Fragestellung, sondern vielmehr der Weg zum Ergebnis.
Aufgrund dieser Umstände wird ein Verfahren basierend auf einem Partikel-Filter vorgestellt. Der Partikel-Filter ist ähnlich wie der Kalman-Filter auf Systeme anwendbar, die einer Hidden-Markov-Chain-Charakteristik, also einer Markow-Kette mit unbeobachteten Zuständen, unterliegen:
3 zeigt ein Hidden Markov Chain Model 320 mit Zustand x und Beobachtung z zur Zeit k und k – 1.
Das heißt, der Zustand eines Systems kann nicht direkt gemessen werden, jedoch aufgrund von anderen Observierungen geschätzt werden. In diesem Fall gilt es, die Position und somit die aktuelle Straße zu schätzen. Dafür muss folgende Gleichung gelöst werden: p(x_k|z_0:k, u_0:k) = η·g(z_k|x_k, z_0:k-1, u_0:k)π(x_k|z_0:k-1, u_0:k)
Der Zustand zum Zeitpunkt k wird im Folgenden mit x_k beschrieben, die vorherigen Zustände werden mit x_0:k-1 = (x₀, ..., x_k-1) zusammengefasst. Analog zu x gilt diese Konvention auch für die Steuergrößen u und Observierungen u. η beschreibt einen Normalisierungsterm, der im Folgenden allerdings keine große Bedeutung hat. Diese Gleichung kann zu folgender Gleichung vereinfacht werden:
Und diese in zwei Schritten beschrieben werden: der Vorhersageschritt
und der Gewichtungsterm:
Bei einem Partikel-Filter wird das Integral über die Wahrscheinlichkeitsverteilungen mit einer numerischen Näherung
und Monte-Carlo-Methoden gelöst. w^[j] beschreibt hierbei das Gewicht/die Wahrscheinlichkeit des j-ten Partikels. Eine Menge von Partikeln wird mit
beschrieben. Somit hat jeder Partikel das Gewicht w^[j] und den Zustand X^[j].
4 zeigt den Ablauf eines Partikel-Filter-Prozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dazu ist in 4 ein Hidden Markov Chain Model mit dem Zustand x und der Beobachtung z zur Zeit k und k – 1 gezeigt.
Ein großer Teil der Arbeit ist eine geeignete Funktion für
zu finden, die das Problem optimal abbilden. Grundlegen hierfür ist es, die zu schätzenden Zustände x zu definieren.
Der Block 401 steht für den Partikel-Filter (X_k-1, u_k, z)
Von dem Block 403 wird solange zu dem Block 405 gesprungen, bis alle Werte j = 1:J durchlaufen sind.
In dem Block 405 wird ein neuer Zustand berechnet: X [j] / k = f(X_k|X [j] / k-1, u_k)
In dem Block 407 wird das Gewicht berechnet: w [j] / k = g(z_k, m_i|X_k, u_k)
Wenn in dem Block 403 alle Werte durchlaufen sind, wird zum Block 409 gesprungen. Von dem Block 409 wird solange zu dem Block 411 gesprungen, bis alle Werte i = 1:J durchlaufen sind.
In dem Block 411 wird ein ein Wert gemäß w [i] / k gezeichnet.
In dem Block 413 wird zu dem Partikelsatz hinzuaddiert gemäß x [i] / k → X_k.
Wenn in dem Block 409 alle Werte durchlaufen sind, wird zum Block 415 gesprungen der das Ende X_k darstellt.
5 zeigt ein System zur Falschfahrererkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das System umfasst Geräte 102, beispielsweise in Form der anhand von 1 genannten Übertragungseinrichtungen und eine Vorrichtung 110 zur Falschfahrererkennung, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein sogenannter WDW-Server ausgeführt ist. Die Vorrichtung 110 ist ausgebildet, um von dem Gerät 102 Daten 106, beispielsweise die anhand von 1 beschriebenen Messdaten zu empfangen und basierend auf den Daten 106 eine Warnung 112 bereitstellen und beispielsweise in Form des anhand von 1 beschriebenen Falschfahrtsignals zurück an die Geräte 102 zu senden.
Die Vorrichtung weist eine Einrichtung 530 zur Vorverarbeitung, einen Partikel-Filter 532 und ein Warnungsmodul 534 auf.
In einer vereinfachten Architektur einer cloud-basierten Falschfahrerwarnung bettet sich der Partikel-Filter 532 wie in 5 gezeigt ein.
Mit dem Partikel-Filter 532 kann die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Position des Autos näherungsweise bestimmt werden.
6 zeigt anhand eines Fahrzeugs 100 Werte, die in das anhand von 5 gezeigte Modell einfließen können. Bei den Werten kann es sich beispielsweise um Zustände in Richtung der Längsachse x, der Querachse y, der Hochachse z sowie ein Rollen p um die Längsachse, ein Nicken q um die Querachse und ein Gieren r um die Hochachse handeln.
Bezüglich eines Kartenabgleichs unter Verwendung des Partikel-Filters gilt für den Bayes-Filter p(x_k|z_0:k, u_0:k). Hierbei kann unter Bezugnahme auf 3 x_k dafür stehen, was der Zustand (nicht gemessen) ist, beispielsweise die geografische Länge, Breite und Höhe, u_k+1 dafür stehen, wie sich das Auto 100 bewegt, beispielsweise hinsichtlich der Geschwindigkeit und Drehraten und z_k dafür stehen, was observiert werden kann, beispielsweise ein GPS-Signal oder ein das Umfeld des Fahrzeugs 100 betreffendes Signal (Kamera, etc.)
7 zeigt einen Programmablauf gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Ablauf startet mit einem Block 701. In einem Block 530 wird eine Datenvorverarbeitung durchgeführt, wie es beispielsweise anhand von 5 beschrieben ist. In einem Block 703 wird, falls vorhanden, der Zustand vom vorherigen Punkt geladen. In einem Block 705 findet ein Kartenabgleich (map-matching) mit dem Partikel-Filter statt. In einem Block 707 erfolgt eine Interpretation der Ergebnisse. In einem Block 709 wird geprüft, ob eine Falschfahrt vorliegt. Wenn dies der Fall ist, wird in einem Block 534 eine Warnung versendet, wie es beispielsweise anhand von 5 beschrieben ist. Wenn keine Falschfahrt vorliegt, erfolgt das Ende des Programmablaufs mit einem Block 711.
8 zeigt einen Programmablauf eines Partikel-Filters gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Block 801 steht für einen Beginn des Partikel-Filters. In einem Block 803 erfolgt ein Verschieben der Partikel unter Berücksichtigung der Sensorungenauigkeit, beispielsweise der anhand von 1 beschriebenen Sensoreinrichtung. In einem Block 805 erfolgt eine Ermittlung der kartenbezogenen Parameter. Ein solcher Parameter gibt beispielsweise an, ob ein Partikel auf einer Straße liegt oder wie der Titel derselben ist. In einem Block 807 erfolgt eine Berechnung der neuen Partikel-Gewichte. In einem Block 809 erfolgt ein sogenanntes Resampling, bei dem ein Eliminieren der irrelevanten Bereiche und/oder Partikel erfolgt. In einem Block 811 erfolgt eine Interpretation der einzelnen Partikel und in einem Block 813 eine Rückgabe der möglichen Straßen.
Durch die Verwendung des Partikel-Filters werden die im Folgenden genannten Aspekte verbessert. Zum einen wird ein sequenziell (in Echtzeit möglich) arbeitendes Verfahren geschaffen, welches primär die aktuelle Position auf dem Straßennetzwerk ermittelt. Ferner ist eine robuste Schätzung der aktuellen Position auf dem Straßennetzwerk möglich. Eine Unsicherheit über die aktuelle Schätzung ist ermittelbar. Dies ermöglicht es, die Entscheidung über eine potenzielle Falschfahrt zuverlässig, auf ein sinnvolles Maß, verzögern zu können.
9 zeigt eine Veranschaulichung einer Berücksichtigung einer Straßentopologie bei dem hier beschriebenen Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die typische Anwendung eines Partikel-Filters unterscheidet sich dahingehend, dass in diesem Anwendungsfall nicht die bestmögliche Lokalisierungsgenauigkeit erreicht werden soll, sondern in allen Fällen die richtigen Straßenelemente ermittelt werden sollen. Das heißt, auch wenn die Sensordaten darauf hindeuten, dass eine Falschfahrt vorliegt, sollte eine Warnung des gefährdeten Verkehrs nur erfolgen, wenn man sich wirklich sicher sein kann, dass auch wirklich eine Falschfahrt vorliegt. Ein wichtiger Bestandteil ist hierbei die Berücksichtigung der Straßentopologie.
Das „Observation Model”, also die Berechnung der Partikel-Wahrscheinlichkeit, hängt somit auch vom zurückgelegten Weg ab bzw. der Transition zwischen zwei Straßenelementen. Dies könnte auch als Transitionswahrscheinlichkeit zusammengefasst werden.
In 9 sind eine Mehrzahl von aktuellen Partikeln 901, also Partikeln aus einem aktuellen Berechnungszyklus (k), und eine Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikel 903, also Partikeln aus einem vorherigen Berechnungszyklus (k – 1) gezeigt.
Was nicht passieren darf und warum die Berücksichtigung der Topologie erforderlich ist, wird in Folgenden Beispielen beschrieben:
Die grüne Verbindung 911 zeigt eine plausible Partikel-Bewegung
Die rote Verbindung 913 zeigt eine nicht-plausible Partikel-Bewegung, da der (auf dem Straßennetzwerk) zurückgelegt Weg für diesen einen Zeitschritt viel zu groß wäre.
Die schwarze Verbindung 915 zeigt ebenfalls eine nicht-plausible Partikel-Bewegung, da im bekannten Straßenausschnitt keine Verbindung dieser Straßen bekannt ist (Distanz ist unendlich).
Die Verbindungen 911, 913, 915 können somit als Distanzen verstanden werden, die bei der Filterung der Partikel 901, 903 berücksichtigt werden kann. Beispielsweise können die Verbindungen 911, 913, 915 verwendet werden, um die Gewichtungen der Partikel 901, 903 anzupassen.
10 zeigt einen Programmablauf eines Verfahrens zur Falschfahrererkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren kann beispielsweise unter Verwendung der anhand von 1 beschriebenen Vorrichtung ausgeführt werden.
In einem Schritt 1001 des Auslesens werden Straßenelemente, auch als Straßenabschnitte bezeichnet, aus einer Datenbank ausgelesen. Das Auslesen erfolgt gemäß einem Ausführungsbeispiel durch eine Umhüllende, in Form einer sogenannten Bounding-Box, um Partikel vom letzten und diesem Berechnungsschritt. Eine entsprechende Umhüllende ist in 11 gezeigt. Bezug nehmend auf 11 werden die Straßenelemente 1111, 1113, 1115, 1117, 1119, 1121 ausgewählt.
In einem Schritt 1003 wird ein Graph mit allen gefunden Straßenelementen erzeugt.
In einem Schritt 1005 bilden alle Straßenelemente aus dem vorherigen Schritt plausible Straßenelemente.
In einem Schritt 1007 werden alle „neuen” Straßenelemente zu einer Liste von unsicheren Straßenelementen hinzugefügt, wenn diese mit einem Polygon, einer sogenannten Convex-Hull der aktuellen Partikel schneiden. Ein entsprechendes Polygon ist in 11 gezeigt. Bezug nehmend auf 11 werden die Straßenelemente 1111, 1113, 1117, 1119 als plausible Straßenabschnitte ausgewählt. Optional wird eine weitere Abfrage durchgeführt, ob auch die „alten” Straßenelemente die Convex-Hull schneiden. In diesem Fall werden die Straßenelemente 1117, 1119 ausgewählt.
In einem Schritt 1009 erfolgt ein Hinzufügen zu plausiblen Straßenelementen, wenn die unsicheren Straßenelemente verbunden mit den plausiblen sind.
In einem Schritt 1011 erfolgt ein Berechnen eines sogenannten „MapStates”, also eines Kartenzustands.
In einem Schritt 1013 erfolgt ein Berechnen der zurückgelegten Distanz auf dem Straßennetzwerk. Beispielsweise können dabei die anhand von 9 gezeigten Verbindungen bestimmt werden.
In einem Schritt 1015 erfolgt ein Berechnen der Gewichte mit zusätzlicher Berücksichtigung der zurückgelegten Strecke.
11 zeigt eine Veranschaulichung einer Berücksichtigung einer Straßentopologie gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von 9 gezeigte Topologie handeln.
Gezeigt sind eine Mehrzahl von aktuellen Partikeln 901, also Partikeln aus einem aktuellen Berechnungszyklus (k), und eine Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikel 903, also Partikeln aus einem vorherigen Berechnungszyklus (k – 1).
Ferner ist eine Umhüllende 1101 sowie ein Polygon 1103 gezeigt. Das Polygon 1103 ist durch die am weitesten außen liegenden der aktuellen Partikel 901 geführt. Die Umhüllende 1101 schließt sowohl die aktuellen Partikel 901 als auch die vorangehend gefilterten Partikel 903 ein und ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein Rechteck ausgeführt, das durch die jeweils am weitesten außen liegenden der Partikel 901, 903 geführt ist.
Ferner sind in 11 ein erster Straßenabschnitt 1111, ein zweiter Straßenabschnitt 1113, ein dritter Straßenabschnitt 1115, ein vierter Straßenabschnitt 1117, ein fünfter Straßenabschnitt 1119 und ein sechster Straßenabschnitt 1121 gezeigt, die alle von der Umhüllenden 1101 geschnitten oder eingeschlossen sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden bei dem Verfahren zur Falschfahrererkennung unter Verwendung der Umhüllenden 1101 zunächst die Straßenabschnitte 1111, 1113, 1115, 1117, 1119, 1121 als eine Menge von vorangegangenen plausiblen Straßenabschnitten eingelesen. Anschließend werden die Straßenabschnitte 1117, 1119, 1121, die von dem durch die aktuellen Partikel 901 aufgespannten Polygon 1103 geschnitten werden, als eine Menge von unsicheren Straßenabschnitten bestimmen. Nun wird die Menge von vorangegangenen plausiblen Straßenabschnitten 1111, 1113, 1115, 1117, 1119, 1121 mit denjenigen der unsicheren Straßenabschnitte 1117, 1119, 1121, die eine Verbindung zu einem der vorangegangenen plausiblen Straßenabschnitte 1111, 1113, 1115, 1117, 1119, 1121 aufweisen, zu der Menge von plausiblen Straßenabschnitten 1111, 1113, 1115, 1117, 1119, 1121 ergänzt.
Für die Erweiterung ergeben sich im Partikel-Filter-Modell folgende Anpassungen:
Map-State:

m [j] / k = m_k = (n^(m)d^(m)ϑ^(m)w^(m)t^(m))^T mit t^(m), der zurückgelegten Strecke auf dem Straßennetzwerk

Observation-Model:
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren zur Falschfahrererkennung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einlesen (201) von Kartendaten (116), die Straßenabschnitte (1111, 1113, 1115, 1117, 1119, 1121) eines von einem Fahrzeug (100) befahrbaren Straßennetz abbilden; Bestimmen (203) einer Mehrzahl von aktuellen Partikeln (901) unter Verwendung einer gemessenen aktuellen Position des Fahrzeugs (100), wobei ein Partikel eine angenommene Position des Fahrzeugs (100) und eine der angenommenen Position zugeordnete Gewichtung repräsentiert; Einlesen (205) einer Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikeln (903), die in einem vorangegangenen Schritt des Filterns unter Verwendung eines Partikel-Filters (532) gefilterte Partikel darstellen; Bestimmen (207) einer Menge von plausiblen Straßenabschnitten (1111, 1113, 1117, 1119) unter Verwendung der Mehrzahl von aktuellen Partikeln (901) und der Mehrzahl vorangehend gefilterter Partikeln (903); Filtern (209; 1015) der Mehrzahl von aktuellen Partikeln (901) basierend auf der Menge von plausiblen Straßenabschnitten (1111, 1113, 1117, 1119) unter Verwendung des Partikel-Filters (532), um eine Mehrzahl gefilterter Partikel zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Filterns (209; 1015) der Mehrzahl aktueller Partikel (901) neue Gewichtungen für die Mehrzahl aktueller Partikel (901) bestimmt werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt (1013) des Bestimmens einer zurückgelegten Distanz (911, 913, 915) des Fahrzeugs (100) unter Verwendung der Menge von plausiblen Straßenabschnitten (1111, 1113, 1117, 1119), wobei im Schritt des Filterns (209; 1015) die Mehrzahl von aktuellen Partikeln (901) basierend auf der zurückgelegten Distanz (911, 913, 915) gefiltert werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Bereitstellens eines Falschfahrtsignals (112) unter Verwendung der Mehrzahl gefilterter Partikel, wobei das Falschfahrtsignal (112) anzeigt, ob eine Falschfahrt des Fahrzeugs (100) vorliegt oder nicht vorliegt.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Bestimmens (207) einer Menge von plausiblen Straßenabschnitten eine Menge von vorangegangenen plausiblen Straßenabschnitten eingelesen wird, die in eine in einem vorangegangenen Schritt des Bestimmens bestimmte Menge von plausiblen Straßenabschnitten darstellt, eine Menge von unsicheren Straßenabschnitten unter Verwendung der Mehrzahl von aktuellen Partikeln (901) bestimmt (1007) wird, und die Menge von vorangegangenen plausiblen Straßenabschnitten mit denjenigen der unsicheren Straßenabschnitte, die eine Verbindung zu einem der vorangegangenen plausiblen Straßenabschnitte aufweisen, zu der Menge von plausiblen Straßenabschnitten (1111, 1113, 1117, 1119) ergänzt (1009) wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Einlesens der gemessenen aktuellen Position über eine Schnittstelle einer Rechnerwolke (118).
Vorrichtung (110) zur Falschfahrererkennung, die eingerichtet ist, um Schritte des Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche in entsprechenden Einheiten auszuführen.
System zur Falschfahrererkennung, wobei das System die folgenden Merkmale umfasst: zumindest eine Sendeeinrichtung (102), die in einem Fahrzeug (100) anordenbar oder angeordnet ist, und ausgebildet ist, um Positionsdaten (106) auszusenden, wobei die Positionsdaten (106) eine gemessene Position eines Fahrzeugs (100) repräsentieren; und eine Vorrichtung (110) gemäß Anspruch 7 zur Falschfahrererkennung, die ausgebildet ist, um die von der zumindest einen Sendeeinrichtung (102) ausgesendeten Positionsdaten (106) zu empfangen.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.