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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur inkrementellen Erfassung einer digitalen Straßenkarte.
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Das automatisierte und autonome Fahren erfordert hochgenaue Straßenkarten, deren Inhalte korrekt und aktuell sind. Die Norm SAE J3016 Taxonomy and Definitions for Terms Related to Driving Automation Systems for On-Road Motor Vehicles beschreibt Anwendungsfälle mit einer Stufe 2 oder höher, die eine Vielzahl an geometrischen Objekten aus einer digitalen Straßenkarte benötigen. Dabei wächst die erforderliche Informationsdichte mit der Stufe des zugeordneten Anwendungsfalls.
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Um assistiertes und autonomes Fahren zu ermöglichen, werden Straßenkarten mit hoher Aktualität und Korrektheit gefordert. Die Daten stammen normalerweise aus einer homogenen Quelle, beispielsweise der Flotte eines Herstellers. Außerdem werden sie in einem zentralen, manuellen Prozess in die Karte integriert. Die daraus resultierende schlechte Abdeckung und lange Aktualisierungszyklen verfehlen das Ziel der hohen Aktualität.
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Digitale Straßenkarten werden von einem Kartenhersteller generiert. Dieser prüft eingehende Kartendaten, beispielsweise mit Messfahrzeugen erfasste Kartendaten, auf Korrektheit und integriert die Änderungen in die Karte. Dies ist ein zentraler, manueller Prozess mit langen Aktualisierungszyklen. Zudem werden üblicherweise homogene Datenquellen, beispielsweise Fahrzeuge einer Fahrzeugflotte eines Herstellers, als Eingangsdaten genutzt. Dies limitiert die verfügbare Datenmenge, so dass Änderungen schlecht und erst spät erkannt werden.
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Das Dokument
DE 10 2015 206 519 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bereitstellen aktualisierter Kartendaten für Kartenkacheln digitaler Landkarten zur Übertragung an Fahrzeuge, wobei das Fahrzeug eine digitale Landkarte mit Kartenkacheln und den Kartenkacheln jeweils zugeordneten Versionsidentifikationen umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen oder Empfangen einer Versionsidentifikation einer Kartenkachel von einem Fahrzeug; Bestimmen einer Änderungsidentifikation für die Kartenkachei anhand der Versionsidentifikation; Bestimmen der Änderung der Kartendaten zwischen der im Fahrzeug umfassten Kartenkachel und einer Referenzkartenkachel mittels der Änderungsidentifikation; Senden der Änderung der Kartendaten an das Fahrzeug.
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Da der Nutzer einer Straßenkarte, insbesondere beim assistierten und autonomen Fahren, auf deren Datenintegrität und Datenkonsistenz vertrauen muss, versehen aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren digitale Straßenkarten mit Prüfsummen, die an den Endnutzer übertragen werden und von diesem verifiziert werden können, um Manipulationen zu erkennen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur inkrementellen Erfassung einer digitalen Straßenkarte anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Verfahren zur inkrementellen Erfassung einer digitalen Straßenkarte werden zu einem ersten Zeitpunkt erste Straßenkartendaten erfasst und in einem ersten Block eingebettet oder kodiert. Der erste Block wird einem Listenknoten eines ersten Listeneintrags einer Blockchain zugeordnet, welche die digitale Straßenkarte repräsentiert. Der erste Listeneintrag umfasst neben dem ersten Listenknoten mit dem ersten Block einen Hashwert, der aus dem ersten Listenknoten gebildet wird. Der Hashwert kann als digitale Signatur über dem ersten Block ausgebildet sein. Bevorzugt wird jedoch ein über dem ersten Block gebildeter, zunächst unsignierter Hashwert danach einer digitalen Signierung unterzogen.
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Darauffolgend wird zu mindestens einem nachfolgenden Zeitpunkt als Änderungskandidat zur Aufnahme in die digitale Straßenkarte jeweils ein weiterer Block bereitgestellt, der mindestens eine Änderung in der digitalen Straßenkarte gegenüber einem durch einen Referenz-Listeneintrag der Blockchain erfassten Stand beschreibt. Als Referenz-Listeneintrag kann ein beliebiger, vorzugsweise der zuletzt erfasste Listeneintrag der Blockchain ausgewählt werden.
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Änderungskandidaten können von Akteuren bereitgestellt werden, die die in der digitalen Straßenkarte verzeichneten Informationen, beispielsweise zum Verlauf von Fahrspuren, zur Verkehrsregelung oder zu straßenbaulichen Merkmalen, mindestens teilweise erfassen und einer Position in der digitalen Straßenkarte zuordnen können. Akteure können beispielsweise als Fahrzeuge oder Drohnen ausgebildet sein, die mit einer zur Erfassung von Straßenkartendaten eingerichteten Umfelderfassungssensorik und einem Geopositionssensor ausgestattet sind und die Straßenkartendaten mindestens teilweise automatisch senden.
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Alternativ oder zusätzlich können Akteure als Smartphone-Nutzer oder als Nutzer von Augmented Reality (AR) Brillen ausgebildet sein.
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Inhaltlich gleiche Änderungskandidaten, die bezogen auf den gleichen Referenz-Listeneintrag eine gleiche Änderung der Straßenkartendaten umfassen, können mehrfach, beispielsweise von verschiedenen Akteuren, vorgeschlagen werden.
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Erfindungsgemäß wird über die Aufnahme eines derartigen, als weiterer Block bereitgestellten Änderungskandidaten in die Blockchain anhand eines dezentralen Votierungsverfahrens nach einem Konsensprotokoll entschieden. Bevorzugt entscheiden Validatoren anhand der Häufigkeit der Meldung eines Änderungskandidaten über die Aufnahme. Besonders häufig gemeldete Änderungskandidaten werden als besonders vertrauenswürdig angesehen und gegenüber weniger häufig gemeldeten Änderungskandidaten bevorzugt in die Blockchain aufgenommen.
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Besonders bevorzugt werden Änderungskandidaten aufgenommen, die mehrfach von verschiedenen, räumlich (geographisch) einander benachbarten Akteuren gemeldet wurden. Auf diese Weise wird statistisch sichergestellt, dass nur wahrheitsgemäße oder mindestens vertrauenswürdige Änderungskandidaten in die Blockchain aufgenommen werden.
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Jeder als Änderungskandidat für eine Aufnahme in die Blockchain vorgesehene weitere Block wird als Listeneintrag nach dem Referenz-Listeneintrag, auf den sich die Änderung der Straßenkartendaten bezieht, aufgenommen, wobei ein solcher Listeneintrag jeweils einen Listenknoten umfassend den weiteren Block sowie den dem Referenz-Listeneintrag zugeordneten Hashwert umfasst. Mit anderen Worten, der Listenknoten des neu in die Blockchain eingefügten Listeneintrags umfasst den Hashwert, anhand dessen der Vorgänger dieses neuen Listeneintrags in der Blockchain identifiziert und aufgefunden werden kann.
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Darüber hinaus umfasst der neu eingefügte Listeneintrag einen über diesem Listenknoten gebildeten Hashwert. Dieser Hashwert wird in gleicher Weise gebildet wie für den ersten Listenknoten. Somit ist dieser Hashwert insbesondere dafür geeignet, den neu eingefügten Listeneintrag zu identifizieren und für nachfolgend in die Blockchain eingefügte Listeneinträge zugreifbar zu machen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren erübrigt sich eine zentrale Kontrollinstanz für die Überprüfung von Änderungen an Straßenkartendaten. Dadurch werden die Kosten für die Herstellung von Updates verringert. Zudem können kürzere Änderungszyklen erreicht werden.
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Ferner ermöglicht das Verfahren die vertrauenswürdige Zusammenarbeit von Akteuren heterogener Organisationen ohne einen zusätzlichen Autorisierungsprozess. Dadurch können verschiedene Datenquellen verwendet werden, wie beispielsweise Smartphone-Nutzer oder Daten von Fahrzeugflotten verschiedener Hersteller.
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Zudem kann durch die Verkettung der einzelnen Blöcke jeder Nutzer die Integrität aller einzelnen, durch einen Block jeweils eines Listeneintrags der Blockchain beschriebenen, differenziellen Kartenänderungen verifizieren. Dadurch kann eine Manipulation der Straßenkartendaten verhindert werden.
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Das Verfahren ermöglich zudem eine bessere Absicherung gegen Manipulationen als die aus dem Stand der Technik bekannten Prüfsummen, die nur die Übertragungsstrecke vom Kartenhersteller zum Nutzer schützen, nicht jedoch Fehler bei der Erfassung der Straßenkartendaten. Insbesondere können derartige Fehler, beispielsweise eine falsche manuelle Zuordnung oder eine falsche Modellierung eines Verkehrszeichens durch den Nutzer nicht festgestellt und nur mit erheblicher Verzögerung durch ein zentralisiertes Update berichtigt werden. Demgegenüber bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil einer besonders schnellen Erkennung und Berichtigung solcher Fehler, indem durch eine Vielzahl von Akteuren entsprechende Änderungskandidaten bereitgestellt und gemäß dem Konsensprotokoll in die Blockchain aufgenommen werden.
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In einer Ausführungsform integrieren Nutzer einer digitalen Straßenkarte die von den Validatoren bestätigten Änderungskandidaten eigenständig in ihre lokale Kopie der Blockchain. Dadurch wird das Ausrollen von Updates von Straßenkartendaten im Vergleich zu einer zentralen Aktualisierung durch einen Kartenhersteller vereinfacht und beschleunigt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird zu einem nachfolgenden (das heißt: zeitlich nach der Erfassung der ersten Straßenkartendaten liegenden) Zeitpunkt jeweils ein weiterer Block als Änderungskandidat bereitgestellt, der weitere Straßenkartendaten ohne Bezug zu einem davor liegenden Referenz-Listeneintrag umfasst. Mit anderen Worten: es können auch nachträglich Änderungen an den Straßenkartendaten in nicht-differenzieller Weise in die Blockchain aufgenommen werden. Dadurch können Straßenkarten räumlich (geografisch) auf bislang nicht kartierte Bereiche erweitert werden. Ferner ist es dadurch möglich, Änderungen, bei denen eine differenzielle Beschreibung des Unterschieds zu einem Referenz-Listeneintrag sehr umfangreich oder kompliziert wäre, zu vereinfachen.
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Selbstverständlich lässt sich das anhand einer Straßenkarte beschriebene Verfahren ebenso auf Teile oder Ausschnitte von Straßenkarten oder auf so genannte Kartenkacheln anwenden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Abfolge von Änderungen an Straßenkartendaten und
- 2 eine schematische Darstellung einer verketteten Liste, die derartige Änderungen repräsentiert.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Straßenkarte, in dem zwei gegenläufige Richtungsfahrbahnen 1, 2 zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1 bis t3 erfasst sind. Der Straßenkartenausschnitt wird durch die Straßenkartendaten D1, D2, D3 beschrieben, die jeweils einem Zeitpunkt t1 bis t3 zugeordnet sind und die sich im Zeitverlauf ändern. Beispielhaft ist in den zweiten Straßenkartendaten D2 (die dem zweiten Zeitpunkt t2 zugeordnet sind) ein Fahrspurmerkmal 3 gegenüber den ersten Straßenkartendaten D1 (die dem ersten Zeitpunkt t1 zugeordnet sind) neu aufgenommen, das einer Fahrspur der ersten Richtungsfahrbahn 1 neu zugeordnet wurde. Ein solches Fahrspurmerkmal 3 könnte beispielsweise eine bauliche Änderung, eine Geschwindigkeitsbegrenzung oder einen Hinweis auf eine Gefahrensituation in dem markierten Bereich der ersten Richtungsfahrbahn 1 beschreiben.
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Als weiteres Beispiel ist in den dritten Straßenkartendaten D3 (die dem dritten Zeitpunkt t3 zugeordnet sind) als ein weiteres Merkmal ein Fahrbahnmerkmal 4 gegenüber dem zweiten Zeitpunkt t2 neu aufgenommen worden, das sich über beide Richtungsfahrbahnen 1, 2 erstreckt und das beispielsweise eine Verkehrszeichenbrücke markieren könnte.
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In ähnlicher Weise können zusätzlich zu oder anstelle von neu hinzugefügten Merkmalen in Straßenkartendaten D1 bis D3 auch Merkmale entfernt oder verändert werden. Derartige Änderungen können auf tatsächlichen Änderungen in der physikalischen Welt, die durch die Straßenkartendaten D1 bis D3 abgebildet werden soll, beruhen, beispielsweise auf baulichen Änderungen oder auf Änderungen an der Verkehrsregelung oder -beschilderung. Es ist aber auch möglich, dass solche Änderungen nur einer Berichtigung der Straßenkartendaten D1 bis D3 dienen, beispielsweise ein in der physikalischen Welt zum vorangegangenen Zeitpunkt t1 bis t3 tatsächlich zwar schon vorhandenes, in den Straßenkartendaten D1 bis D3 bis dahin aber noch nicht erfasstes Merkmal aufnehmen oder ein bis dahin falsch erfasstes Merkmal entfernen.
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Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, den auf den aktuellen Zeitpunkt t1 bis t3 bezogenen Zustand einer Straßenkarte modular als Folge aller inkrementellen Änderungen abzubilden, die auf den jeweils vorangegangenen Zeitpunkt t1, t2, t3 bezogen sind. Bevorzugt ist eine Straßenkarte nicht nur zeitlich, sondern auch räumlich modular ausgebildet, indem derartige Änderungen jeweils auf einen vorbestimmten Straßenkartenausschnitt (eine so genannte Straßenkartenkachel) erfasst werden. Die Straßenkartenausschnitte sind in ihrer geografischen Zuordnung (und somit auch in ihrer örtlichen Zuordnung zueinander) über alle Zeitpunkte t1 bis t3 hinweg festgelegt und bilden in ihrer Gesamtheit die Straßenkarte.
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Änderungen werden von observierenden Entitäten erfasst, die als Akteure bezeichnet werden und beispielsweise als Fahrzeug mit einer Umfeldsensorik zur Merkmalserfassung, als Smartphone - Nutzer, als Nutzer von Augmented Reality (AR) - Brillen oder als Drohne ausgebildet sein können. Akteure generieren Vorschläge, so genannte Änderungskandidaten. Werden diese Änderungskandidaten übernommen, so entstehen neue Straßenkartendaten D1 bis D3, die einen aktuelleren und/oder berichtigten Stand der physikalischen Realität beschreiben.
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Der Erfindung liegt ferner die Idee zu Grunde, Blöcke B1 bis B3 derart zu bilden, dass jeder Block B1 bis B3 die Änderung der Straßenkartendaten D1 bis D3 vom vorangegangenen auf den aktuellen Zeitpunkt t1 bis t3 kodiert. Unter einem „Block“ ist hierbei eine binär repräsentierbare Datenstruktur zu verstehen, die in Listenknoten 112 bis 132 einer nachfolgend noch genauer beschriebenen Liste 100 gespeichert und verwaltet werden kann.
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Beispielhaft stellt 1 dar, dass ein erster Block B1 die Gesamtheit aller zum ersten Zeitpunkt t1 erfassten ersten Straßenkartendaten D1 erfasst. Der erste Block B1 kann somit als die Basis - Straßenkarte des zugeordneten geografischen Bereichs angesehen werden, das heißt: als die erste überhaupt verfügbare Version von Straßenkartendaten D1 bis D3 für diesen geografischen Bereich. Somit umfasst der erste Block B1 die Gesamtheit der ersten Straßenkartendaten D1, die sich als Änderung gegenüber einem gedachten leeren Ausgangszustand (dem keinerlei Straßenkartendaten D1 oder Merkmale zugeordnet sind) auffassen lassen, der nicht gesondert kodiert werden muss.
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Nachfolgend wird zum zweiten Zeitpunkt t2 der Unterschied zwischen den ersten und den zweiten Straßenkartendaten D1 bis D2 in dem zweiten Block B2 kodiert. Mit anderen Worten: der zweite Block B2 kodiert nur das zum zweiten Zeitpunkt t2 neu hinzugekommene Fahrspurmerkmal 3, nicht jedoch die ursprünglichen ersten Straßenkartendaten D1 der Basiskarte.
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Änderungen an den Straßenkartendaten D1 bis D3 können über unterschiedliche Kodierungsverfahren in einem Block B1 bis B3 eingebettet werden. Beispielsweise kann das Fahrspurmerkmal 3 als vektorielle Beschreibung des als Polygon erfassten zugeordneten räumlichen Bereichs, bevorzugt als umschreibendes Rechteck erfasst und diesem ein Merkmalscode zugeordnet sein, der die Art und gegebenenfalls die Attribute des Fahrspurmerkmals 3 erfasst.
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Beispielhaft ist analog das Fahrbahnmerkmal 4 in einem dritten Block B3 erfasst, der die Änderung der dritten Straßenkartendaten D3 gegenüber den zweiten Straßenkartendaten D2 beschreibt.
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Indem die Akteure (das heißt: verteilt agierende Beobachtungsinstanzen) Änderungen gegenüber dem aktuell verfügbaren Stand der Straßenkartendaten D1 bis D3 als Änderungskandidaten in Blöcken B1 bis B3 kodieren, wird die Möglichkeit geschaffen, derartige Änderungen entweder als falsch oder nicht vertrauenswürdig zurückzuweisen oder aber als richtig oder vertrauenswürdig anzunehmen und auf diese Weise einen neuen Stand einer digitalen Straßenkarte zu erstellen.
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Zu Erstellung einer digitalen Straßenkarte aus der Abfolge von (durch Blöcke B1 bis B3 kodierte) Änderungen von Straßenkartendaten D1 bis D3 wird erfindungsgemäß eine Blockchain - Technologie eingesetzt, wobei nur die als vertrauenswürdig oder richtig bewerteten Blöcke B1 bis B3 in ein die digitale Straßenkarte repräsentierende Blockchain 100 aufgenommen werden.
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Erfindungsgemäß wird die Bewertung eines als Block B1 bis B3 kodierten Änderungskandidaten, das heißt: die Entscheidung über Rückweisung oder Aufnahme in die Blockchain 100, in einem dezentralen Votierungsverfahren ermittelt, das einem Konsensprotokoll folgt. Ein Konsensprotokoll stellt ein algorithmisches Verfahren zur Abstimmung darüber dar, ob ein Block B1 bis B3 in eine Blockchain 100 aufgenommen werden soll.
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Durch die Wahl des Konsensprotokolls lässt sich statistisch sicherstellen, dass die wahrheitsgemäßen (d.h. die häufig gemeldeten) Änderungskandidaten in die Blockchain 100 integriert werden und so eine korrekte Kartenaktualisierung vorgenommen wird. Beispielsweise können Blöcke B1 bis B3, die von besonders vielen verschiedenen Akteuren gemeldet werden, übernommen werden.
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Dabei wird keine zentrale Kontrollinstanz benötigt, die beispielsweise durch den Hersteller der ursprünglichen Basiskarte (das heißt: der ersten Straßenkartendaten D1) besetzt werden könnte. Dies spart Kosten und senkt die Aktualisierungszeit der digitalen Straßenkarte drastisch, da die Konsensbildung zu jeder Zeit und dezentral stattfindet. Als Konsequenz ist eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gepflegte Straßenkarte eine volatile, fortlaufenden Änderungen unterworfene Datenstruktur, die die Änderungsdynamik der Realität abbilden kann und damit den Anforderungen an Aktualität gerecht wird.
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Die klassische Schleife über einen Straßenkartenhersteller mit entsprechend langem Änderungszyklus wird nicht mehr benötigt, da jeder Teilnehmer der Blockchain Änderungs-Kandidaten dezentral selbst integriert.
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Die Erfindung erlaubt ferner die vertrauenswürdige Zusammenarbeit heterogener Organisationen ohne Autorisierungsprozess, so dass verschiedene Datenquellen verwendet werden können, wie Smartphone-Nutzer oder herstellerübergreifende Flottendaten.
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2 zeigt schematisch eine als verkettete Liste 100 umgesetzte Blockchain 100, die den Stand der digitalen Straßenkarte zum dritten Zeitpunkt t3 abbildet. Die verkettete Liste 100 umfasst einen ersten bis dritten Listeneintrag 110 bis 130. Mit Ausnahme des ersten Listeneintrags 110 am Listenanfang ist jeder Listeneintrag 120, 130 mit je einem vorausgehenden Listeneintrag 110, 120 über einen Verweis 150 verbunden. Vorliegend ist der Verweis 150 unidirektional ausgebildet, so dass eine Navigation vom Listenende bis zum Listenanfang möglich ist. Es ist aber auch möglich, den Verweis 150 bidirektional auszubilden, so dass eine Navigation sowohl zum Nachfolger als auch zum Vorgänger eines Listeneintrags 110 bis 130 möglich ist.
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Ein Listeneintrag 110 bis 130 umfasst jeweils einen Listenknoten 112 bis 132 mit je einem zugeordneten Block B1 bis B3. Ferner umfasst jeder Listeneintrag 110 bis 130 je einen Hashwert 111 bis 131, der basierend auf dem jeweils zugeordneten Block B1 bis B3 als identifizierender (das heißt: einzigartiger, von den Hashwerten 111 bis 131 aller anderen Listeneinträge 110 bis 130 unterscheidbarer) Binärwert erzeugt wird.
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Darüber hinaus wird ein solcher Hashwert 111 bis 131 und/oder der jeweils zugeordnete Block B1 bis B3 bevorzugt auch digital signiert, so dass Listeneinträge 110 bis 120 nur von autorisierten Instanzen erstellt und einer Blockchain 100 hinzugefügt werden können, beispielsweise nur von solchen Instanzen, die über eine von einem Zertifizierungsdienstleister angebotene digitale Signatur verfügen.
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Jeder Listenknoten 122 bis 132 mit Ausnahme des ersten Listenknotens 112 am Listenanfang umfasst neben dem zugeordneten Block B1 bis B3 auch den Hashwert 111 bis 131 seines Vorgängers in der Liste 100. Auf diese Weise sind eine Vorgänger - Nachfolgerbeziehung der Listenknoten 112 bis 132, und damit auch die Abfolge der inkrementellen, durch die jeweiligen Blöcke B1 bis B3 kodierten Änderungen der Straßenkartendaten D1 bis D3 in den Listenknoten 112 bis 132 selbst erfasst. Somit kann, ausgehend vom Listenende, die Abfolge der inkrementellen Änderungen aufgerollt werden und dadurch der aktuelle Stand der Straßenkartendaten D1 bis D3 erzeugt werden.
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Durch eine Signatur der Hashwerte 111 bis 131 wird verhindert, dass nicht autorisierte Änderungen in diese Abfolge eingefügt und dadurch die Straßenkartendaten D1 bis D3 verfälscht werden. Ferner kann eine jede durch einen Block B1 bis B3 kodierte Änderung einer konkreten Instanz (beispielsweise dem jeweiligen Inhaber der qualifizierten elektronischen Signatur) zugeordnet werden, um einen Missbrauch zu verhindern. Somit kann jeder Empfänger der Blockchain 100 die Integrität und Korrektheit dieser Abfolge von inkrementellen Änderungen prüfen, ohne hierbei auf eine einziges, von einer zentralen Instanz beglaubigtes elektronisches Dokument angewiesen zu sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015206519 A1 [0005]
