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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Betriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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In Fahrzeugen werden Steuergeräte dazu eingesetzt, um Prozesse und Komponenten zu steuern und zu regeln. Steuergeräte sind elektronische Module und zählen zu den eingebetteten Systemen, die in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz kommen können. Um einen sicheren Betrieb des Gesamtsystems, in diesem Fall des Fahrzeugs, sicherzustellen, ist es erforderlich, den Betrieb der eingesetzten Steuergeräte, kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen, zu überwachen. Hierbei können unterschiedliche Verfahren angewendet werden, die bspw. eine Virtualisierung und Simulation mittels einer Cloud, eine Validierung von hoch automatisierten Fahrfunktionen mit einer Cloud-basierten Simulation, eine Vorhersage von Fahrzeugverhalten, Digital Twin Techniken, Blockchain-Techniken oder die Verwendung von SSI (Self-sovereig identity: Selbstbestimmte Identität) zum Identifizieren von Felddaten, die vom Benutzer bereitgestellt werden, um Anwendungsfälle zu simulieren, umfassen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2017 202 943 A1 ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines prädizierten zeitlichen Verlaufs einer Fahrzeugbewegung bekannt. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Streckenabschnitts mit Teilabschnitten, für die jeweils eine durchschnittliche Geschwindigkeit vorgegeben ist, des Umwandelns des Streckenabschnitts in einen zeitlichen Verlauf der Fahrzeugbewegung, wobei in einem Zeitraster die durchschnittlichen Geschwindigkeiten angegeben sind, und des Filterns des zeitlichen Verlaufs der Fahrzeugbewegung, um einen prädizierten zeitlichen Verlauf der Fahrzeugbewegung zu erhalten. Hierbei werden Sensordaten fusioniert und Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt.
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Die Druckschrift
US 2020/0406928 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs, bei dem mögliche Sequenzen von Fahrten entlang einer Straße einer digitalen Straßenkarte als eine Funktion von bestimmten Zonen ermittelt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 11 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Überwachen des Betriebs eines Fahrzeugs, das eine Anzahl von Steuergeräten umfasst, wobei ein Modell des Fahrzeugs verwendet wird, das mindestens ein virtuelles Steuergerät umfasst, wobei jedes von dem mindestens einen virtuellen Steuergerät einem von der Anzahl von Steuergeräten des Fahrzeugs zugeordnet ist, wobei in einer Situation im Betrieb des Fahrzeugs mögliche Aktionen des Fahrzeugs über Simulationen mittels des mindestens einen virtuellen Steuergeräts bewertet werden.
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Auf Grundlage der Bewertung der Aktionen kann eine der Aktionen ausgewählt und das Fahrzeug entsprechend angesteuert werden, so dass diese ausgewählte Aktion ausgeführt wird. Typischerweise wird die Aktion ausgewählt, bei der mit den geringsten Beeinträchtigungen zu rechnen ist.
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Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen:
- In unbekannten Fahrsituationen, in denen der Algorithmus, der das Fahrzeug steuert bzw. regelt, zusätzliche Informationen benötigt, um eine Entscheidung zu treffen, wird eine Vorhersage der Ausgänge einer Aktion mittels Simulationen durchgeführt. Dabei werden in Ausgestaltung drei Aktionen insgesamt betrachtet. Das Ergebnis der Simulationen wird von den Algorithmen eines autonomen Fahrens verwendet.
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Drei Simulationen werden in Ausgestaltung durchgeführt und die Ergebnisse werden bspw. in einer sogenannten Blockkette bzw. Blockchain gespeichert, um zu zeigen bzw. nachzuweisen, dass die beste Entscheidung getroffen wurde.
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Es wird hierzu auf 2 verwiesen. Im Block 160 gibt es bestimmte Signale, die von den virtuellen Steuergeräten gemessen werden. Diese Signale zeigen bspw. an, dass ein Airbag ausgelöst wurde, Kamera- und Radarsignale, um Abstände und Auffahrkräfte zu überprüfen.
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Durch Simulationen des virtuellen Fahrzeugs und der Teilnehmer, die in nächster Nähe anwesend sind, wenn eine unvorhergesagte Situation auftritt, bspw. ein nicht kontrollierbares Fahrzeug aufgrund einer rutschigen Fahrbahn, wird eine Entscheidung getroffen, die die Häufigkeit von Unfällen und Schäden verringert oder sogar diese ganz vermeidet. Es kann somit ein Austausch von Daten mit anderen Fahrzeugen kommen.
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Eine erforderliche Rechenleistung kann verteilt werden, indem Cloud-Lösungen verwendet werden.
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Für den Fall, dass eine Verbindung zum Internet nicht möglich ist, können die Simulationen in den virtuellen Steuergeräten bzw. Maschinen berechnet werden, die innerhalb des Fahrzeugs ausgeführt werden.
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Das vorgestellte Verfahren sieht in Ausgestaltung die Verwendung einer Anordnung zum Überwachen vor, auf Fahrzeug-Ebene bzw.- Level, die virtuelle Steuergeräte (vECUs: virtual electronic control units) verwendet und die auf einer Simulationsplattform abläuft, zusammen mit Umgebungsmodellen und in mehrfachen Instanzen, auf dem Edge-Gerät des Fahrzeugs sowie skaliert auf die Cloud für rechenintensivere Berechnungen, um den Algorithmen für ein automatisiertes Fahren dabei zu helfen, eine Entscheidung in unbekannten bzw. kritischen Situationen zu treffen, wie bspw.: das Fahrzeug ist instabil, das sicherheitskritische Steuergerät ist beschädigt usw.
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Um Simulationen schneller durchführen zu können, werden die virtuellen Steuergeräte vereinfacht und die Rechenleistung wird verteilt, bspw. mittels einer Cloud-Simulation, oder innerhalb des Fahrzeugs (Edge-Gerät) berechnet. Die Ergebnisse, d. h. die Ergebnisse der Simulationen, werden in der Blockchain gespeichert, um nachzuweisen, warum die finale Entscheidung, die sich aus den Simulationen ergibt, getroffen wurde, insbesondere im Vergleich zu den Verfahren gemäß dem Stand der Technik.
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Die Simulationsumgebung repräsentiert die gesamte E/E Architektur (E/E: elektrisch/elektronisch) des Fahrzeugs, einschließlich der Regler, Netzwerke und Versorgungsleitungen und kann als der qualifizierte digitale Zwilling (Digital Twin) des Fahrzeugs betrachtet werden.
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Ein virtuelles Steuergerät bildet die Architektur, insbesondere Rechnerarchitektur, eines real in Hardware existierenden Steuergeräts nach. Das Verhalten des virtuellen Steuergeräts entspricht dem Verhalten des realen Steuergeräts, dem dieses virtuelle Steuergerät zugeordnet ist. Ein Edge-Gerät bzw. Edge-Steuergerät ist ein Gerät, das einen Einstiegspunkt in das Fahrzeug bzw. in dessen Bordnetz bietet.
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Eine Blockchain bzw. Blockkette ist eine kontinuierlich erweiterbare Liste von Datensätzen in einzelnen Blöcken. Bei dieser werden neue Blöcke typischerweise mittels kryptographischer Verfahren an eine bestehende Kette angehängt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einem Blockdiagramm eine Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens.
- 2 zeigt in einem Flussdiagramm einen möglichen Ablauf des vorgestellten Verfahrens.
- 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Fahrzeug mit einer Ausführungsform der beschriebenen Anordnung.
- 4 zeigt eine Ausführungsform des Überwachungssystems.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einem Blockdiagramm eine Fahrbahn 10 mit einem ersten Standstreifen 12 und einem zweiten Standstreifen 14, ein erstes Fahrzeug 16, ein zweites Fahrzeug 18, ein drittes Fahrzeug 20, von dem digitale Kopien 20a, b, c und d gezeigt sind, und ein Lastkraftfahrzeug 30. Pfeile 32 und 36 zeigen die jeweilige Fahrtrichtung an. Weiterhin sind Ziffern 1 bis 5 in der Figur dargestellt, auf die nachfolgend näher eingegangen wird.
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Ziffer 1 bezeichnet eine digitale Überwachungsanordnung. Auf Systemebene läuft ein digitaler Zwilling des Fahrzeugs, eine Simulationsumgebung mit einem virtuellen Steuergerät und einem Fahrzeugmodell, parallel zu einem realen bzw. physischen Steuergerät ab. Auf diese Weise steht ein exaktes Modell des Fahrzeugs zur Verfügung, das bei erweiterten Simulationen verwendet werden kann. Das Überwachungsmodul (siehe 4) stellt die Algorithmen bereit, die das Fahrzeug steuern bzw. regeln, d. h. Informationen, die dabei helfen, in unerwarteten Situationen zu agieren. Das Berechnen von Simulationen in einer Cloud 34, das Sammeln von Umgebungsdaten und das Speichern der Daten in der Blockkette können gesichert werden, insbesondere mit begrenzten Funktionalitäten, durch ein Edge-Gerät, das das virtuelle Steuergerät für die Fahrzeugsimulation innerhalb des Fahrzeugs ausführt.
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Erst nachdem mehr Fahrzeuge, die am Verkehr teilnehmen, die Fähigkeit haben, Anfragen zu stellen, um in der Cloud 34 gefährliche Situationen zu simulieren, und nachdem auch eine Internetverbindung existiert, wird die Rechenleistung in ein verteiltes System verschoben und die Anfragen und Entscheidungen werden für alle Verkehrsteilnehmer synchronisiert.
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Ziffer 2 verdeutlicht das Sammeln von Umgebungsdaten in der Cloud 34. Das Fahrzeug ist mit dem Internet verbunden und sammelt Informationen zu der Umgebung und anderen Verkehrsteilnehmern, bspw. der Abstand zwischen Verkehrsteilnehmern, die Geschwindigkeit der Fahrzeuge, der Straßenzustand, z. B. Feuchtigkeit, Schlaglöcher, Wetterbedingungen. Diese Momentaufnahme wird bei den Simulationen verwendet.
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Ziffer 3 zeigt kritische Situationen. Es gibt Situationen, in denen die Algorithmen, die das Fahrzeug treiben, nicht ausreichend Informationen haben und nicht wissen, wie zu reagieren ist. Beispiele hierfür sind: ein Wildtier springt vor das Fahrzeug, ein anderer Fahrer verliert die Kontrolle über das Fahrzeug, unvorhergesehene Wetterbedingungen, wie bspw. Schnee, usw. Simulationen können den Algorithmen, die das Fahrzeug kontrollieren, dabei helfen, die beste Entscheidung zu treffen, um Schäden und Unfälle zu verringern.
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Ziffer 4 bezeichnet den Ablauf von Simulationen in der Cloud 34 bzw. in einer virtuellen Maschine, insbesondere mit begrenzter Funktionalität. Diese Simulationen müssen schnell berechnet werden. Daher wird die Rechenleistung verteilt. Wenn Algorithmen, die das Fahrzeug treiben, nicht wissen, wie auf eine kritische oder unerwartete Situation zu reagieren ist, wird eine Anfrage an das Überwachungssystem gerichtet, um drei Simulationen 40, 42, 44 zu starten, um ein mögliches Ergebnis der Entscheidungen zu zeigen. Zu beachten ist, dass nicht alle drei Simulationen 40, 42, 44 ausgeführt werden müssen, wenn eine Lösung gefunden wird. Zu den einzelnen Simulationen wird ausgeführt:
- a. Simulation 1 (Bezugsziffer 40): defensiv, in diesem Modus werden ein starkes Bremsen und Steuern zur Hindernisumgehung simuliert, selbst bei Zuständen, in denen ein Beschleunigen nicht erlaubt bzw. empfohlen ist, z. B. bei Kurven, einer rutschigen Fahrbahn usw.
- b. Simulation 2 (Bezugsziffer 42): offensiv, in diesem Modus werden ein Beschleunigen und Steuern für eine Hindernisumgehung simuliert, selbst bei Zuständen, in denen ein Beschleunigen nicht erlaubt bzw. empfohlen ist, z. B. bei starkem Schneefall, Kurven, dicht befahrenen Straßen, bergauf ohne Sichtbarkeit beim Wechseln der Fahrspur usw.
- c. Simulation 3 (Bezugsziffer 44): Mediation, in diesem Modus wird das Fahrzeug eine Aktion vornehmen, die zu Beschädigungen am Fahrzeug führen könnte, z. B. das Steuern des Fahrzeugs in eine Brüstung, wenn die Sichtbarkeit es ermöglicht, das Ändern der Richtung des Fahrzeugs zu der gegenüberliegenden Fahrspur usw.
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Ziffer 5 zeigt das Sichern von Simulationen in einer Blockkette.
- a. Wenn eine Internetverbindung verfügbar ist, werden die Simulationen in der Cloud berechnet, aufgrund der Tatsache, dass Anfragen von allen Verkehrsteilnehmern kommen können, die in derselben kritischen Situation einbezogen sind, gemäß der Sicherheitsfallanalyse entsprechend dem UL 4600 Standard und den vereinbarten Industrie-Praktiken. UL 4600 ist dabei ein neuer Standard für Sicherheitsbetrachtungen. Wenn es drei Teilnehmer gibt in dieser Situation, sollten insgesamt 27, d. h. 33, Simulationen durchgeführt werden, wobei nicht alle von diesen durchgeführt werden müssen, wenn eine Lösung gefunden wird. Die Ergebnisse werden in der Blockkette gespeichert, um nachzuweisen, dass von allen möglichen Lösungen die beste Lösung gewählt wurde, d. h. diese führen zu den wenigsten Unfällen und Schäden.
- b. Das Fahrzeug mit der höchsten Kritikalität hat Vorrang für die Simulation, in diesem Fall das dritte Fahrzeug 20.
- c. Falls eine Internetverbindung nicht verfügbar ist, werden die Simulationsergebnisse offline gespeichert und erst dann in die Blockkette hochgeladen, wenn eine Internetverbindung verfügbar ist. Es werden insgesamt drei Simulationen in der virtuellen Maschine ausgeführt, die in dem Fahrzeug vorgesehen ist.
- d. Simulationsdaten, wie bspw. wichtige Eingaben und Ausgaben, einschließlich der Parameter, bspw. Sensoreingaben und Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkausgaben.
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Wenn die digitale Kopie 20d des zu analysierenden Fahrzeugs 20 in Echtzeit läuft, agiert es als ein Überwachungssystem. Es vergleicht die Ausgabe der realen Steuergeräte. Beide Systeme haben dieselben Eingabedaten. Wenn die Ausgaben unterschiedlich sind, bedeutet dies, dass die virtuellen Einheiten bzw. Steuergeräte eine höhere Toleranz als akzeptiert haben und die Fahrzeugsteuerung wird sich nicht entsprechend der Vorhersage der Simulation verhalten. Wenn die Ausgaben des realen und des virtuellen Systems gleich sind, wobei eine kleine Abweichung akzeptiert wird, bedeutet dies, dass der Start der Simulationen ausgelöst werden kann, wenn das Fahrzeug eine kritische Situation erfasst. Unter einer kritischen Situation, wenn die Simulation 20a, b, c gestartet werden, laufen diese viel schnelle als die reale Zeit, um eine mögliche Lösung vorherzusagen.
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2 zeigt in einem Flussdiagramm einen möglichen Ablauf des vorgestellten Verfahrens. In einem ersten Schritt 100 werden Daten für das Überwachungssystem gesammelt. Hierbei werden berücksichtigt: Umgebungsbedingungen 102, Daten 104 von Sensoren innerhalb des Fahrzeugs, Fahrbahnzustände 106 und Daten 108, die von anderen Fahrzeugen ebenfalls genutzt werden, bspw. mittels einer Cloud oder v2x.
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In einem nächsten Schritt 120 analysiert das Überwachungssystem die Situation. Dabei gilt Echtzeit/Simulationszeit = 1 (Bezugsziffer 121). Es wird in einem Schritt 122 überprüft, ob eine kritische Situation vorliegt. Ist dies nicht der Fall (Pfeil 124), so erfolgt ein Sprung zu Schritt 120. Liegt eine kritische Situation vor (Pfeil 126), so werden für die drei Fahrzeuge (Bezugsziffer 16, 18 und 20 in 1) Simulationen durchgeführt.
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In einer ersten Ausführung 130 wird für das erste Fahrzeug 16 ausgeführt: eine Simulation 1132 defensiv, eine Simulation 2 134 offensiv und eine Simulation 3 136 Mediation. Es gilt: Simulationszeit schneller als Echtzeit.
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Für das zweite Fahrzeug 18 wird in einer zweiten Ausführung 140 durchgeführt: eine Simulation 1142 defensiv, eine Simulation 2 144 offensiv und eine Simulation 3 146 Mediation. Es gilt: Simulationszeit schneller als Echtzeit.
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Für das dritte Fahrzeug 20 wird in einer dritten Ausführung 150 durchgeführt: eine Simulation 1152 defensiv, eine Simulation 2 154 offensiv und eine Simulation 3 Mediation 156. Es gilt: Simulationszeit schneller als Echtzeit.
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Auf Grundlage der Simulation 1152 in der dritten Ausführung 150 wird in einem Schritt 160 überprüft, ob die getroffene Entscheidung für das beste Ergebnis steht. Ist dies nicht der Fall (Pfeil 162), so erfolgt ein Sprung zu Schritt 122. Ist dies der Fall (Pfeil 164), so werden in einem Schritt 166 Simulationsergebnisse betrachtet, die nach Ablauf des Prozesses gewonnen wurden. Diese werden in einem Schritt 168 in einem verteilten Register gespeichert. Weiterhin wird in einem Schritt 170 eine Kontrolleingabe für den Fahrzeug-Controller, d. h. die Steuerung bzw. Regelung des Fahrzeugs, bereitgestellt.
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Eine Fahrzeugsteuerung 180 erfasst, dass das eine kritische Situation auftreten kann und wenn das Überwachungssystem aktiv ist, d. h. die Ausgabe der virtuellen Steuergeräte entspricht der Ausgabe der realen Steuergeräte, wird diese die Simulationen starten. Nachdem die Simulationen beendet sind und eine beste Lösung gefunden wurde, wird eine neue Eingabe für das Fahrzeug berechnet (Bezugsziffer 170).
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeug, das insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet ist, dass Fahrzeug 200 umfasst drei Steuergeräte 202, 204, 206, eine Anordnung 210 zum Durchführen des Verfahrens und eine Schnittstelle 212 für eine Kommunikation nach außen, bspw. über das Internet. Über diese Schnittstelle 212 ist eine Kommunikation mit einer Cloud 214 und mit weiteren Fahrzeugen (nicht dargestellt) möglich.
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In der Anordnung 210 sind ein erstes virtuelles Steuergerät 222, das dem ersten Steuergerät 202 zugeordnet ist, ein zweites virtuelles Steuergerät 224, das dem zweiten Steuergerät 204 zugeordnet ist, und ein drittes virtuelles Steuergerät 226, das dem dritten Steuergerät 206 zugeordnet ist, vorgesehen. Das dritte Steuergerät 206 ist zudem als Edge-Gerät ausgebildet.
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4 zeigt ein Überwachungssystem, das insgesamt mit der Bezugsziffer 300 bezeichnet ist. In dieses werden Daten 302 eingegeben und zu Steuergeräten 304 und virtuellen Steuergeräte 306 gegeben. Es wird in einem Schritt 308 überprüft, ob diese das gleiche ausgeben. Ist dies nicht der Fall (Pfeil 310), so wird in einem Schritt 312 der Simulationsmodus ausgeschaltet und in einem Schritt 314 ein Trigger-Fehler erkannt. Ist dies der Fall (Pfeil 316), so wird in einem Schritt 318 der Simulationsmodus ermöglicht. Es gilt: Echtzeit/Simulationszeit ist gleich 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017202943 A1 [0003]
- US 20200406928 A1 [0004]
