DE102022201853A1 - Detection of critical traffic situations with Petri nets - Google Patents
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Abstract
Verfahren (100) zur Prüfung, inwieweit eine mit mindestens einem Sensor erfasste Verkehrssituation (1) kritisch ist, mit den Schritten:• die Verkehrssituation (1) wird in einen Graphen (2) überführt (110), wobei◯ die Knoten des Graphen (2) zu möglichen Positionen von Verkehrsteilnehmern korrespondieren und◯ die Kanten des Graphen (2) mit Gewichten belegt sind, die den Knoten, die durch eine Kante verbunden sind, jeweils einen Wert einer für die Auswertung der Verkehrssituation (1) durch das Steuerungssystem (10) relevanten Größe zuordnen;• der Graph (2) wird in ein Petri-Netz (3) überführt (120), das lokale Zustandsänderungen an Bedingungen dahingehend knüpft, mit welchen Mengen von Token vorgegebene Orte in dem Petri-Netz (3) belegt sind, wobei◯ die Knoten des Graphen (2) zu Orten in dem Petri-Netz korrespondieren,◯ die Kanten des Graphen (2) zu lokalen Zustandsänderungen korrespondieren und◯ die Gewichte an den Kanten des Graphen (2) Bedingungen für Zustandsänderungen festlegen;• es wird mindestens eine Übertragungsfunktion (3a) des Petri-Netzes (3) für den Übergang zwischen globalen Zuständen des Petri-Netzes (3) ermittelt (130);• aus dieser Übertragungsfunktion (3a) wird ausgewertet (140), inwieweit die Verkehrssituation (1) kritisch ist (1a).Method (100) for checking the extent to which a traffic situation (1) detected with at least one sensor is critical, with the steps: • the traffic situation (1) is converted into a graph (2) (110), with ◯ the nodes of the graph ( 2) correspond to possible positions of road users and ◯ the edges of the graph (2) are assigned weights, which give the nodes connected by an edge a value for the evaluation of the traffic situation (1) by the control system (10 ) assign relevant variable;• the graph (2) is transferred (120) to a Petri net (3) which links local state changes to conditions with which quantities of tokens are assigned to predetermined locations in the Petri net (3). , where◯ the nodes of the graph (2) correspond to locations in the Petri net,◯ the edges of the graph (2) correspond to local state changes and◯ the weights at the edges of the graph (2) define conditions for state changes;• es at least one transfer function (3a) of the Petri net (3) for the transition between global states of the Petri net (3) is determined (130);• this transfer function (3a) is used to evaluate (140) the extent to which the traffic situation (1st ) is critical (1a).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Erkennung, welche Verkehrssituationen kritisch sind und von einem durch Sensordaten gespeisten Steuerungssystem möglicherweise nicht beherrscht werden.The present invention relates to identifying which traffic situations are critical and may not be able to be controlled by a control system fed by sensor data.
Stand der TechnikState of the art
Fahrassistenzsysteme, Steuerungssysteme für Roboter sowie Systeme für das zumindest teilweise automatisierte Fahren von Fahrzeugen erfassen Verkehrssituationen mit Hilfe von Sensoren und erarbeiten einen Vorschlag für das künftige Verhalten des Fahrzeug, bzw. des Roboters. Für die Akzeptanz und Zulassung derartiger Systeme ist es wichtig, dass sie in jeder Situation einen Vorschlag liefern und nicht etwa in bestimmten Situationen eine Antwort schuldig bleiben.Driving assistance systems, control systems for robots and systems for at least partially automated driving of vehicles record traffic situations with the help of sensors and develop a proposal for the future behavior of the vehicle or robot. For the acceptance and approval of such systems, it is important that they provide a suggestion in every situation and do not fail to provide an answer in certain situations.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Prüfung bereit, inwieweit eine mit mindestens einem Sensor erfasste Verkehrssituation in dem Sinne kritisch ist, dass ein Steuerungssystem für ein Fahrzeug oder einen Roboter nicht zum Ermitteln eines eindeutigen Vorschlags für das künftige Verhalten des Fahrzeugs, bzw. des Roboters, in der Lage sein könnte.The invention provides a method for checking the extent to which a traffic situation detected with at least one sensor is critical in the sense that a control system for a vehicle or a robot is not able to determine an unambiguous suggestion for the future behavior of the vehicle or the robot. might be able to.
Die Verkehrssituation wird im Rahmen des Verfahrens in der Form analysiert, wie sie von dem mindestens einen Sensor wahrgenommen wird. Es wird also untersucht, inwieweit die Informationsmenge, die von dem mindestens einen Sensor bereitgestellt wird, ausreicht, damit das Steuerungssystem zu einer eindeutigen Entscheidung kommen kann. Es ist also möglich, dass eine mit einer ersten Sensorkonfiguration aufgenommene Darstellung der Verkehrssituation sich als kritisch erweist, während sich eine weitere, mit einer zweiten Sensorkonfiguration aufgenommene Darstellung der Verkehrssituation nicht als kritisch erweist.As part of the method, the traffic situation is analyzed in the form in which it is perceived by the at least one sensor. It is therefore examined to what extent the amount of information provided by the at least one sensor is sufficient for the control system to be able to come to a clear decision. It is therefore possible that a representation of the traffic situation recorded with a first sensor configuration turns out to be critical, while a further representation of the traffic situation recorded with a second sensor configuration does not turn out to be critical.
Im Rahmen des Verfahrens wird die Verkehrssituation in einen Graphen überführt. Die Knoten dieses Graphen korrespondieren zu möglichen Positionen von Verkehrsteilnehmern. Die Kanten des Graphen sind mit Gewichten belegt. Diese Gewichte ordnen den Knoten, die durch eine Kante verbunden sind, jeweils einen Wert einer für die Auswertung der Verkehrssituation durch das Steuersystem relevanten Größe zu. Beispiele für derartige Größen sind
- • ein Verkehrsfluss zwischen den durch die Kante verbundenen Knoten; und/oder
- • Verkehrsregeln für die Fahrt zwischen den durch die Kante verbundenen Knoten; und/oder
- • eine Bevorrechtigung oder Wartepflicht für die Fahrt zwischen den durch die Kante verbundenen Knoten.
- • a traffic flow between the nodes connected by the edge; and or
- • traffic rules for driving between the nodes connected by the edge; and or
- • a priority or waiting obligation for the journey between the nodes connected by the edge.
Der Graph ist durch seine Knoten und Kanten vollständig beschrieben. Er wird in ein Petri-Netz überführt. Ein solches Petri-Netz ist ein Modell eines diskreten Systems auf der Basis von Orten, die mit einem oder mehreren Token belegt sein können. Das Petri-Netz enthält lokale Zustandsänderungen (Transitionen), deren Auslösung an Bedingungen dahingehend geknüpft ist, mit welchen Mengen von Token vorgegebene Orte in dem Petri-Netz belegt sind. Die Token sind insoweit mit Münzen oder Wertmarken vergleichbar. In einem einfachen Beispiel kann ein Petri-Netz in einem Warenautomaten die Werte eingeworfener Münzen zusammenrechnen und in Antwort darauf, dass der Gesamtwert mindestens dem Preis einer gewünschten Ware entspricht, den Automaten zur Herausgabe dieser Ware veranlassen.The graph is fully described by its nodes and edges. It is transferred to a Petri net. Such a Petri net is a model of a discrete system based on locations that can be occupied by one or more tokens. The Petri net contains local state changes (transitions), the triggering of which is linked to conditions with which quantities of tokens are assigned to predetermined locations in the Petri net. To this extent, the tokens are comparable to coins or tokens. In a simple example, a Petri net in a vending machine can add up the values of inserted coins and, in response to the total value being at least equal to the price of a desired commodity, cause the machine to dispense that commodity.
Für die Anwendung auf Steuerungssysteme korrespondieren die Knoten des Graphen zu Orten in dem Petri-Netz. Die Kanten des Graphen korrespondieren zu lokalen Zustandsänderungen, denn über diese Kanten bewegen sich Verkehrsteilnehmer, wenn sie von einer möglichen Position auf eine andere wechseln. Die Gewichte an den Kanten des Graphen legen Bedingungen für lokale Zustandsänderungen fest. Sie bestimmen also beispielsweise darüber, wie viele Token an bestimmten Orten vorhanden sein müssen, damit die jeweilige lokale Zustandsänderung auslöst.For application to control systems, the nodes of the graph correspond to locations on the Petri net. The edges of the graph correspond to local state changes, because road users move over these edges when they change from one possible position to another. The weights at the edges of the graph set conditions for local state changes. For example, you determine how many tokens must be present at certain locations in order for the respective local state change to be triggered.
Es wird mindestens eine Übertragungsfunktion des Petri-Netzes für den Übergang zwischen globalen Zuständen des Petri-Netzes ermittelt. Dieser globale Zustand kann insbesondere beispielsweise die Belegungen aller Orte des Petri-Netzes mit Token umfassen. Aus dieser Übertragungsfunktion wird ausgewertet, inwieweit die Verkehrssituation kritisch ist.At least one transfer function of the Petri net is determined for the transition between global states of the Petri net. In particular, this global state can include, for example, the allocation of all locations of the Petri net with tokens. This transfer function is used to evaluate the extent to which the traffic situation is critical.
Es wurde erkannt, dass es an dieser Übertragungsfunktion besonders einfach ersichtlich ist, inwieweit die Verkehrssituation kritisch ist und das Steuerungssystem möglicherweise keine zutreffende Antwort findet. So hat sich beispielsweise in Versuchen gezeigt, dass die Eigenwerte der Übertragungsfunktion, und hier insbesondere der erste Eigenwert, sich drastisch verändern, wenn an der Verkehrssituation ungewöhnliche physische Veränderungen vorgenommen werden.It was recognized that it is particularly easy to see from this transfer function to what extent the traffic situation is critical and the control system may not be able to find an appropriate answer. For example, experiments have shown that the eigenvalues of the transfer function, and here in particular the first eigenvalue, change drastically when the traffic situation unusual physical changes are made.
In einem derartigen Versuch wurde zunächst eine Verkehrssituation, in der ein normales Fahrzeug sich durch den Erfassungsbereich eines Radarsensors bewegt, in ein Petri-Netz überführt und die Übertragungsfunktion ausgewertet. Anschließend wurde die Verkehrssituation dahingehend verändert, dass das Fahrzeug an einer Schnur eine metallische Bierdose hinter sich herzog. Die so veränderte Verkehrssituation wurde in gleicher Weise in ein Petri-Netz überführt, und die Übertragungsfunktion dieses Petri-Netzes wurde ausgewertet. Im Vergleich zur ursprünglichen Verkehrssituation schnellte der erste Eigenwert der Übertragungsfunktion deutlich in die Höhe.In such an experiment, a traffic situation in which a normal vehicle moves through the detection range of a radar sensor was first converted into a Petri net and the transfer function was evaluated. The traffic situation was then changed in such a way that the vehicle pulled a metallic beer can behind it on a string. The traffic situation changed in this way was converted into a Petri net in the same way, and the transfer function of this Petri net was evaluated. Compared to the original traffic situation, the first eigenvalue of the transfer function increased significantly.
Somit wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung nach einem vorgegebenen Kriterium aus mindestens einem Eigenwert der Übertragungsfunktion, und/oder aus einer Veränderung dieses Eigenwerts, ausgewertet, inwieweit die Verkehrssituation kritisch ist.In a particularly advantageous embodiment, it is thus evaluated according to a predetermined criterion from at least one eigenvalue of the transfer function and/or from a change in this eigenvalue to what extent the traffic situation is critical.
Die Erkenntnis, ob sich Verkehrssituationen als kritisch erweisen und welche Verkehrssituationen dies im Einzelnen sind, kann bei ausreichend verfügbarer Rechenleistung für eine Auswertung in Echtzeit prinzipiell für eine Online-Überwachung eines Steuerungssystems mit vorgeschalteter Sensorik verwendet werden. Es können dann beispielsweise Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um einer möglichen Situation, in der das Steuerungssystem nicht mehr eindeutig entscheidungsfähig ist, vorzubeugen. So kann etwa ein Fahrer des Fahrzeugs aufgefordert werden, die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen, oder die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs kann reduziert werden, damit das Fahrzeug eine Zeitlang ohne Vorschläge vom Steuerungssystem auskommt. Wenn sich progressiv immer mehr Verkehrssituationen als kritisch erweisen, kann dies auch beispielsweise als Anzeichen dafür gewertet werden, dass Sensoren verschmutzt, dejustiert oder in sonstiger Weise degradiert sind.The knowledge of whether traffic situations prove to be critical and which traffic situations these are in detail can, in principle, be used for online monitoring of a control system with upstream sensors if sufficient computing power is available for evaluation in real time. Countermeasures can then be taken, for example, to prevent a possible situation in which the control system is no longer clearly capable of making decisions. For example, a driver of the vehicle may be prompted to take control of the vehicle, or the vehicle's speed may be reduced to allow the vehicle to go without suggestions from the control system for a period of time. If progressively more and more traffic situations turn out to be critical, this can also be taken as an indication, for example, that sensors are dirty, misaligned or degraded in some other way.
Die Hauptanwendung des Verfahrens liegt jedoch in der Offline-Analyse von Verkehrssituationen zwecks Nachweis, dass ein Steuerungssystem mit vorgeschalteter Sensorik für den Einsatz im Verkehr tauglich ist. insbesondere können einzelne Verkehrssituationen oder Typen von Verkehrssituationen identifiziert werden, die kritischer sind als andere. Experimenteller Aufwand für Tests an Sensoren und Steuerungssystemen kann dann bevorzugt auf diejenigen Verkehrssituationen fokussiert werden, die sich bei der Offline-Analyse als besonders kritisch erweisen. So können beispielsweise experimentelle Untersuchungen an Radarsensoren pro Stunde mehrere tausend Euro kosten. Dies ist ein Stück weit analog dazu, dass auch der größte Teil des Aufwands für Zoll- und Grenzkontrollen zielgerichtet auf Personen fokussiert wird, die in bestimmte Risikoprofile fallen. Das Ziel ist, möglichst nur diejenigen Koffer zu öffnen, in denen tatsächlich verbotene oder abgabenpflichtige Ware ist.However, the main application of the method lies in the offline analysis of traffic situations for the purpose of proving that a control system with upstream sensors is suitable for use in traffic. in particular, individual traffic situations or types of traffic situations that are more critical than others can be identified. Experimental effort for tests on sensors and control systems can then preferably be focused on those traffic situations that turn out to be particularly critical in the offline analysis. For example, experimental investigations on radar sensors can cost several thousand euros per hour. This is somewhat analogous to the fact that most of the effort involved in customs and border controls is also targeted at people who fall into certain risk profiles. The goal is to only open those suitcases that actually contain prohibited goods or goods that are subject to duty.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung korrespondieren diejenigen weiteren Knoten des Graphen, die durch Kanten mit einem ersten Knoten verbunden sind, zu denjenigen Positionen, die ausgehend von einer zu dem ersten Knoten korrespondierenden Position im Erfassungsbereich des mindestens einen Sensors liegen. Auf diese Weise entspricht der Graph noch besser der Wahrnehmung der Verkehrssituation durch den mindestens einen Sensor. Aus der Analyse der Verkehrssituation kann dann beispielsweise folgen, dass diese nicht mehr kritisch ist, wenn es gelingt, den Erfassungsbereich des Sensors zu vergrößern oder einen weiteren Sensor hinzuzufügen.In a particularly advantageous embodiment, those further nodes of the graph which are connected to a first node by edges correspond to those positions which, starting from a position corresponding to the first node, are in the detection range of the at least one sensor. In this way, the graph corresponds even better to the perception of the traffic situation by the at least one sensor. From the analysis of the traffic situation, it can then follow, for example, that this is no longer critical if the detection range of the sensor can be enlarged or another sensor can be added.
Der mindestens eine Sensor kann insbesondere beispielsweise eine Kamera, einen Radar-Sensor, einen Lidar-Sensor, und/oder einen Ultraschallsensor, umfassen. Die Verkehrssituation kann auch beispielsweise mit mehreren Sensormodalitäten gleichzeitig multimodal erfasst werden.The at least one sensor can include, for example, a camera, a radar sensor, a lidar sensor and/or an ultrasonic sensor. The traffic situation can also be recorded multimodally, for example, with several sensor modalities at the same time.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird ein und dieselbe Verkehrssituation mit mindestens zwei Sensoren redundant und/oder multimodal erfasst. Für die durch jeden der Sensoren erfasste Form der Verkehrssituation werden ein eigener Graph, ein eigenes Petri-Netz und eine eigene Übertragungsfunktion des jeweiligen Petri-Netzes ermittelt. Die Übertragungsfunktionen werden zu einer Gesamt-Übertragungsfunktion aggregiert. Aus dieser Gesamt-Übertragungsfunktion wird ausgewertet, inwieweit die Verkehrssituation kritisch ist. Hierbei können Übertragungsfunktionen insbesondere beispielsweise durch Addition aggregiert werden. Dies ist deutlich einfacher als ein einziges Petri-Netz für eine redundante und/oder multivariate Erfassung einer Verkehrssituation zu erstellen.In a further particularly advantageous embodiment, one and the same traffic situation is recorded redundantly and/or multimodally with at least two sensors. A separate graph, a separate Petri net and a separate transfer function of the respective Petri net are determined for the form of the traffic situation recorded by each of the sensors. The transfer functions are aggregated into an overall transfer function. This overall transfer function is used to evaluate the extent to which the traffic situation is critical. In this case, transfer functions can be aggregated, for example, by addition. This is much easier than creating a single Petri net for a redundant and/or multivariate recording of a traffic situation.
Redundanz kann für die Dynamik der Verkehrssituation insbesondere beispielsweise bedeuten, dass
- • die exakte Dichte an Elementen (wie etwa Fahrzeugen, Fußgängern oder Verkehrszeichen) in der Verkehrssituation nur anhand mehrerer Messungen approximiert werden kann;
- • die Elemente der Verkehrssituation in unbekannter Weise und zu einem unbekannten Grade miteinander zusammenwirken (korrelieren), so dass die Verkehrssituation nicht als Markov-Prozess oder als Dempster-Shaefer-Prozess beschrieben werden kann; und
- • mehrere Sensoren verwendet werden.
- • the exact density of elements (such as vehicles, pedestrians or traffic signs) in the traffic situation can only be approximated using multiple measurements;
- • the elements of the traffic situation interact (correlate) with each other in an unknown way and to an unknown degree, so that the traffic situation cannot be described as a Markov process or as a Dempster-Shaefer process; and
- • several sensors are used.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Verkehrssituation zumindest teilweise als Zeitreihe von Messungen erfasst. Der Graph wird dann in ein Petri-Netz von zeitabhängigen Ereignissen überführt, in dem lokale Zustandsänderungen zusätzlich an zeitliche Bedingungen geknüpft sind. Auf diese Weise können dynamische Verkehrssituationen, wie beispielsweise das Annähern eines anderen Fahrzeugs, erfasst werden. Eine Anwendung, in der die Kritikalität von Verkehrssituationen aktuell aktiv untersucht wird, ist der „Front Cross Traffic Assistant“, der eine vor dem eigenen Fahrzeug liegende Kreuzung mit Radar überwacht und vor sich näherndem kreuzendem Verkehr warnt.In a further particularly advantageous embodiment, the traffic situation is recorded at least partially as a time series of measurements. The graph is then transformed into a Petri net of time-dependent events, in which local state changes are also linked to temporal conditions. In this way, dynamic traffic situations, such as the approach of another vehicle, can be detected. One application in which the criticality of traffic situations is currently being actively examined is the "Front Cross Traffic Assistant", which uses radar to monitor an intersection in front of the vehicle and warns of approaching crossing traffic.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Übertragungsfunktion aus
- • einer ersten Fortentwicklung A des globalen Zustandes des Petri-Netzes, die sich einstellt, wenn eine Belegung n aller Orte mit jeweiligen Anzahlen von Token unverändert bleibt,
- • einer zweiten Fortentwicklung B des globalen Zustandes des Petri-Netzes, die sich einstellt, wenn die Belegung n aller Orte mit jeweiligen Anzahlen von Token in eine Belegung m aller Orte mit jeweiligen Anzahlen von Token übergeht, und
- • einer dritten Fortentwicklung C des globalen Zustandes des Petri-Netzes, die sich einstellt, wenn eine Belegung p aller Orte mit jeweiligen Anzahlen von Token in die Belegung n aller Orte mit jeweiligen Anzahlen von Token übergeht,
- • a first development A of the global state of the Petri net, which occurs when an assignment n of all locations with the respective number of tokens remains unchanged,
- • a second development B of the global state of the Petri net, which occurs when the occupancy n of all locations with respective numbers of tokens changes into an occupancy m of all locations with respective numbers of tokens, and
- • a third development C of the global state of the Petri net, which occurs when an occupancy p of all locations with respective numbers of tokens changes to the occupancy n of all locations with respective numbers of tokens,
Dabei wird die Übertragungsfunktion des Petri-Netzes besonders vorteilhaft auf einem Semiring ermittelt, auf dem
- • die Addition ⊕ zweier Elemente durch Maximumbildung über diese zwei Elemente und
- • die Multiplikation ⊗ zweier Elemente durch Addition dieser zwei Elemente ausgeführt wird. Auf einem solchen Semiring können die Fixpunktgleichungen als lineare Gleichungen aufgestellt werden.
- • the addition ⊕ of two elements by taking the maximum over these two elements and
- • the multiplication ⊗ of two elements is performed by adding these two elements. The fixed point equations can be set up as linear equations on such a semiring.
Der Semiring ist hier definiert durch eine Menge D von Elementen sowie Operationen für die Addition ⊕ zweier Elemente und die Multiplikation ⊗ zweier Elemente. Dabei ist die Addition ⊕ assoziativ und kommutativ und hat ein neutrales Element ε. Die Multiplikation ⊗ ist assoziativ und hat ein neutrales Element e. Auf einem solchen Semiring gilt:
D in Verbindung mit den Operationen ⊕ und ⊗ bildet ein idempotentes Semifeld. Wenn das Produkt ⊗ kommutativ ist, wird dieses Semifeld ebenfalls kommutativ. Die Menge ℝ ∪ ⊕ {-∞}, die durch Maximumbildung ⊕ und Addition ⊗ bereitgestellt wird, ist ein idempotentes Semifeld, das auch als Semiring-Algebra oder Max-Plus-Algebra bezeichnet wird. Der numerische Wert des neutralen Elements ε der Addition ⊕ ist -∞.D in connection with the operations ⊕ and ⊗ forms an idempotent semifield. If the product ⊗ is commutative, then this semifield also becomes commutative. The set ℝ ∪ ⊕ {-∞} provided by maximum formation ⊕ and addition ⊗ is an idempotent semifield, also known as semiring algebra or max plus algebra. The numerical value of the neutral element ε of the addition ⊕ is -∞.
In einem Petri-Netz von zeitabhängigen Ereignissen können für jede lokale Zustandsänderung j Zeiten xj(k), k = 1, T, zu denen die lokale Zustandsänderung j das k-te Mal ausgelöst wird, als Zustandsvariablen angegeben werden, wobei T die Gesamtdauer der Messung ist. Diese Zeiten xj (k) können zu einem Zustandsvektor x(k) zusammengefasst werden. In analoger Weise kann ein Vektor u(k) von externen Variablen eingeführt werden. Auf der Semiring-Algebra entwickelt sich x(k) dann rekursiv gemäß
Diese Matrizen folgen aus der zeitlichen Entwicklung der Zustände von Orten in einem Petri-Netz von zeitabhängigen Ereignissen. M ist die maximale Anzahl der Token an Orten in dem Petri-Netz.These matrices follow from the temporal evolution of the states of locations in a Petri net of time-dependent events. M is the maximum number of tokens at locations in the Petri net.
Die Übertragungsfunktion des Petri-Netzes kann dann vorteilhaft aus mindestens einer Lösung der Fixpunktgleichungen
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Übertragungsfunktion des Petri-Netzes mit
- • einem ersten Verschiebeoperator γ, dessen Potenzen zu Anzahlen von Token an Orten im Petri-Netz korrespondieren,
- • einem zweiten Verschiebeoperator δ, dessen Potenzen zu Anzahlen von lokalen Zustandsänderungen im Petri-Netz korrespondieren,
- • einem neutralen Element ε der Addition ⊕ und
- • einem neutralen Element e der Multiplikation ⊗
- • a first shift operator γ, whose powers correspond to numbers of tokens at locations in the Petri net,
- • a second shift operator δ, whose powers correspond to numbers of local state changes in the Petri net,
- • a neutral element ε of the addition ⊕ and
- • a neutral element e of multiplication ⊗
Dann ist x = a*b die kleinste Lösung für die Fixpunktgleichung x = ax⊗b. Die Übertragungsfunktion h des Petri-Netzes wird damit zu einer Matrix
Die Eigenwerte dieser Matrix h, und hier insbesondere der erste Eigenwert, ist ein Maß dafür, wie kritisch die in das Petri-Netz überführte Verkehrssituation ist.The eigenvalues of this matrix h, and here in particular the first eigenvalue, is a measure of how critical the traffic situation transferred to the Petri net is.
Welche Werte der untersuchten Eigenwerte als kritisch zu betrachten sind, hängt von der jeweiligen Verkehrssituation ab. Beispielsweise kann Machine Learning verwendet werden, um normale Verkehrssituationen von kritischen Verkehrssituationen zu unterscheiden. So können beispielsweise Vektoren mit einem oder mehreren untersuchten Eigenwerten unüberwacht geclustert werden mit dem Ziel, einen einzelnen Cluster zu bilden. In diesem einzelnen Cluster sollten sich dann die zu den meisten Verkehrssituationen gehörigen Vektoren finden. Dieser Cluster wird die nicht kritischen Verkehrssituationen repräsentieren, da dies der Normalfall ist, während eine kritische Verkehrssituation die Ausnahme darstellt.Which values of the investigated eigenvalues are to be regarded as critical depends on the respective traffic situation. For example, machine learning can be used to distinguish normal traffic situations from critical traffic situations. For example, vectors with one or more examined eigenvalues can be clustered unsupervised with the aim of forming a single cluster. The vectors associated with most traffic situations should then be found in this single cluster. This cluster will represent the non-critical traffic situations, as this is the norm, while a critical traffic situation is the exception.
Ansonsten kann insbesondere beispielsweise, wie zuvor erwähnt, eine starke Änderung der untersuchten Eigenwerte als ein Anzeichen dafür gewertet werden, dass die Verkehrssituation sich zum Kritischen hin entwickelt hat.Otherwise, for example, as mentioned above, a strong change in the examined eigenvalues can be evaluated as an indication that the traffic situation has developed critically.
Wie zuvor erwähnt, kann die Prüfung, ob eine Verkehrssituation kritisch ist, insbesondere beispielsweise für die Prüfung verwendet werden, ob ein Steuerungssystem insgesamt für die Teilnahme am Verkehr tauglich ist.As previously mentioned, checking whether a traffic situation is critical can be used in particular, for example, to check whether a control system as a whole is suitable for participating in traffic.
Daher stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Validierung eines Steuerungssystems für ein Fahrzeug oder einen Roboter bereit.Therefore, the invention also provides a method for validating a control system for a vehicle or a robot.
Im Rahmen dieses Verfahrens werden Verkehrssituationen bereitgestellt, und zwar in einer Form, wie sie im Betrieb des Steuerungssystems von mindestens einem Sensor geliefert werden. Anschließend wird mit dem zuvor beschriebenen Verfahren ausgewertet, inwieweit diese Verkehrssituationen kritisch sind.As part of this method, traffic situations are provided, specifically in a form in which they are provided by at least one sensor during operation of the control system. The method described above is then used to evaluate the extent to which these traffic situations are critical.
Aus den Verkehrssituationen wird eine Auswahl erstellt, in der kritischere Verkehrssituationen gegenüber weniger kritischen Verkehrssituationen bevorzugt sind. Für diese Auswahl kann die ermittelte Kritikalität beispielsweise mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden. Die Verkehrssituationen können aber auch beispielsweise in einer Reihenfolge der Kritikalität angeordnet werden, und es kann dann eine Top-N-Auswahl getroffen werden.A selection is made from the traffic situations in which more critical traffic situations are preferred over less critical traffic situations. For this selection, the criticality determined can be compared with a predetermined threshold value, for example. However, the traffic situations can also be arranged, for example, in an order of criticality, and a top N selection can then be made.
Das Steuerungssystem, und/oder ein Simulationsmodell dieses Steuerungssystems, wird mit den in der Auswahl enthaltenen Verkehrssituationen beaufschlagt. Es wird jeweils geprüft, ob das Steuerungssystem die Verkehrssituation auf einen eindeutigen Vorschlag für das künftige Verhalten des Fahrzeugs, bzw. des Roboters, abbildet. In Antwort darauf, dass jede Verkehrssituation auf einen eindeutigen Vorschlag abgebildet wird, wird festgestellt, dass das Steuerungssystem für das Betreiben des Fahrzeugs, bzw. des Roboters, tauglich ist.The control system and/or a simulation model of this control system is loaded with the traffic situations contained in the selection. In each case, it is checked whether the control system maps the traffic situation to a clear suggestion for the future behavior of the vehicle or the robot. In response to the fact that each traffic situation is mapped to a clear suggestion, it is determined that the control system is suitable for operating the vehicle or the robot.
Die Auswahl der kritischen Verkehrssituationen lässt sich also als Vorfilter nutzen, um das Steuerungssystem, bzw. das Simulationsmodell, gezielt mit solchen Verkehrssituationen zu beaufschlagen, für die ein Versagen des Steuerungssystems, bzw. des Simulationsmodells, zu besorgen ist. Das Steuerungssystem, bzw. das Simulationsmodell, funktioniert ordnungsgemäß, wenn es zu jeder Verkehrssituation einen eindeutigen Vorschlag für das künftige Verhalten des Fahrzeugs, bzw. des Roboters, angibt. Ein Versagen könnte sich beispielsweise darin äußern, dass zu bestimmten Verkehrssituationen entweder gar kein Vorschlag oder aber mehrere Vorschläge ermittelt werden. In letzterem Fall hat die Übertragungsfunktion des Steuerungssystems, bzw. des Simulationsmodells, an der zu dieser Verkehrssituation korrespondierenden Stelle eine Bifurkation. Indem nun bevorzugt solche Verkehrssituationen untersucht werden, bei denen es einen konkreten Anhaltspunkt für ein derartiges unerwünschtes Verhalten gibt, kann ein vorgegebenes Sicherheitsniveau des Steuerungssystems für die Teilnahme am Verkehr mit einem deutlich geringeren Aufwand untersucht werden.The selection of the critical traffic situations can thus be used as a pre-filter in order to specifically load the control system or the simulation model with those traffic situations for which a failure of the control system or the simulation model is to be feared. The control system or the simulation model works correctly if it gives a clear suggestion for the future behavior of the vehicle or the robot for every traffic situation. A failure could be expressed, for example, in the fact that either no suggestion at all or several suggestions are determined for certain traffic situations. In the latter case, the transfer function of the control system or the simulation model at which a bifurcation at the point corresponding to this traffic situation. By now preferably examining traffic situations in which there is a concrete indication of such an undesirable behavior, a predefined safety level of the control system for participation in traffic can be examined with significantly less effort.
Dies ist ein Stück weit analog dazu, dass bei der Prüfung, ob ein Pilot für seine Tätigkeit tauglich ist, normale Flugsituationen nur einen geringen Anteil der Prüfung ausmachen. Stattdessen werden die teuren Simulatorstunden bevorzugt auf die Bewältigung von Fehlersituationen fokussiert, die nicht zum Alltag in der Fliegerei gehören.This is somewhat analogous to the fact that normal flight situations only make up a small part of the test to determine whether a pilot is fit for his or her job. Instead, the expensive simulator hours are preferably focused on overcoming error situations that are not part of everyday life in aviation.
Die Verfahren können insbesondere ganz oder teilweise computerimplementiert sein. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogramm mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden, den oder die Computer dazu veranlassen, eines der beschriebenen Verfahren auszuführen. In diesem Sinne sind auch Steuergeräte für Fahrzeuge und Embedded-Systeme für technische Geräte, die ebenfalls in der Lage sind, maschinenlesbare Anweisungen auszuführen, als Computer anzusehen.In particular, the methods can be fully or partially computer-implemented. The invention therefore also relates to a computer program with machine-readable instructions which, when executed on one or more computers, cause the computer or computers to carry out one of the methods described. In this sense, control devices for vehicles and embedded systems for technical devices that are also able to execute machine-readable instructions are also to be regarded as computers.
Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf einen maschinenlesbaren Datenträger und/oder auf ein Downloadprodukt mit dem Computerprogramm. Ein Downloadprodukt ist ein über ein Datennetzwerk übertragbares, d.h. von einem Benutzer des Datennetzwerks downloadbares, digitales Produkt, das beispielsweise in einem Online-Shop zum sofortigen Download feilgeboten werden kann.The invention also relates to a machine-readable data carrier and/or a download product with the computer program. A downloadable product is a digital product that can be transmitted over a data network, i.e. can be downloaded by a user of the data network and that can be offered for sale in an online shop for immediate download, for example.
Weiterhin kann ein Computer mit dem Computerprogramm, mit dem maschinenlesbaren Datenträger bzw. mit dem Downloadprodukt ausgerüstet sein.Furthermore, a computer can be equipped with the computer program, with the machine-readable data carrier or with the downloadable product.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with the aid of figures.
Ausführungsbeispieleexemplary embodiments
Es zeigt:
-
1 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 zur Prüfung, inwieweit eine Verkehrssituation 1 kritisch ist; -
2 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200 zur Validierung eines Steuerungssystems 10; -
3 BeispielhafteÜberführung einer Verkehrssituation 1 über einen Graphen 2 in ein Petri-Netz 3.
-
1 Exemplary embodiment of themethod 100 for checking the extent to which atraffic situation 1 is critical; -
2 Embodiment of themethod 200 for validating acontrol system 10; -
3 Exemplary transfer of atraffic situation 1 via agraph 2 to aPetri net 3.
In Schritt 110 wird die Verkehrssituation 1 in einen Graphen 2 überführt.In
In Schritt 120 wird der Graph 2 in ein Petri-Netz 3 überführt. Dieses Petri-Netz 3 knüpft lokale Zustandsänderungen an Bedingungen dahingehend, mit welchen Mengen von Token vorgegebene Orte in dem Petri-Netz 3 belegt sind.In
In Schritt 130 wird mindestens eine Übertragungsfunktion 3a des Petri-Netzes 3 für den Übergang zwischen globalen Zuständen des Petri-Netzes 3 ermittelt.In
In Schritt 140 wird aus dieser Übertragungsfunktion 3a ausgewertet, inwieweit die Verkehrssituation 1 kritisch ist. Der Grad an Kritikalität ist mit dem Bezugszeichen 1a bezeichnet.In step 140, this
Gemäß Block 105 kann ein und dieselbe Verkehrssituation 1 mit mindestens zwei Sensoren redundant erfasst werden. Es kann dann für die durch jeden der Sensoren erfasste Form der Verkehrssituation
- •
gemäß Block 111ein eigener Graph 2, - •
gemäß Block 121 aus diesem eigenen Graphen 2 ein eigenes Petri-Netz 3 sowie - •
gemäß Block 131eine eigene Übertragungsfunktion 3a für dieses eigene Petri-Netz 3
- • according to block 111 a
separate graph 2, - • according to block 121 from this own graph 2 a separate Petri net 3 as well
- • According to block 131, a
separate transfer function 3a for thisseparate Petri net 3
Gemäß Block 106 kann die Verkehrssituation 1 zumindest teilweise als Zeitreihe von Messungen erfasst werden. Der Graph 2 kann dann gemäß Block 122 in ein Petri-Netz 3 von zeitabhängigen Ereignissen überführt werden, in dem lokale Zustandsänderungen zusätzlich an zeitliche Bedingungen geknüpft sind.According to block 106, the
Gemäß Block 133 kann die Übertragungsfunktion 3a aus verschiedenen Fortentwicklungen A, B, C des globalen Zustandes des Petri-Netzes 3 ermittelt werden. Die Fortentwicklungen A, B, C unterscheiden sich in ihren Quell- und Zielzuständen, die jeweils in Belegungen der Orte in dem Petri-Netz 3 mit Token angegeben sind.According to block 133, the
Gemäß Block 134 kann die Übertragungsfunktion 3a des Petri-Netzes 3 auf einem Semiring ermittelt werden. Gemäß Block 135 kann die Übertragungsfunktion 3a des Petri-Netzes 3 aus mindestens einer Lösung von Fixpunktgleichungen
Die Übertragungsfunktion 3a kann gemäß Block 136 mit
- • einem ersten Verschiebeoperator γ, dessen Potenzen zu Anzahlen von Token an Orten im Petri-
Netz 3 korrespondieren, - • einem zweiten Verschiebeoperator δ, dessen Potenzen zu Anzahlen von lokalen Zustandsänderungen im Petri-
Netz 3 korrespondieren, - • einem neutralen Element ε der Addition ⊕ und
- • einem neutralen Element e der Multiplikation ⊗
- • a first shift operator γ, whose powers correspond to numbers of tokens at locations in the
Petri net 3, - • a second shift operator δ, whose powers correspond to numbers of local state changes in the
Petri net 3, - • a neutral element ε of the addition ⊕ and
- • a neutral element e of multiplication ⊗
Gemäß Block 137 können die Fixpunktgleichungen dann als
Gemäß Block 142 kann nach einem vorgegebenen Kriterium aus mindestens einem Eigenwert 3b der Übertragungsfunktion 3a, und/oder aus einer Veränderung dieses Eigenwerts 3b, ausgewertet werden, inwieweit die Verkehrssituation 1 kritisch ist. Das Ergebnis ist der gesuchte Grad 1a an Kritikalität.According to block 142, it is possible to evaluate to what extent the
In Schritt 210 werden Verkehrssituationen 1 in einer Form, wie sie im Betrieb des Steuerungssystems 10 von mindestens einem Sensor geliefert werden, bereitgestellt.In
In Schritt 220 wird mit dem zuvor beschriebenen Verfahren 100 ausgewertet, inwieweit diese Verkehrssituationen 1 kritisch sind. Das Ergebnis ist der jeweilige Grad 1a an Kritikalität.In step 220, the previously described
In Schritt 230 wird aus den Verkehrssituationen 1 eine Auswahl 1* erstellt, in der kritischere Verkehrssituationen 1 gegenüber weniger kritischen Verkehrssituationen 1 bevorzugt sind.In
In Schritt 240 wird das Steuerungssystem 10, und/oder ein Simulationsmodell dieses Steuerungssystems 10, mit den in der Auswahl 1* enthaltenen Verkehrssituationen 1 beaufschlagt.In step 240, the
In Schritt 250 wird jeweils geprüft, ob das Steuerungssystem 10 die Verkehrssituation 1 auf einen eindeutigen Vorschlag für das künftige Verhalten des Fahrzeugs 50, bzw. des Roboters 60, abbildet. ist dies der Fall (Wahrheitswert 1), wird in Schritt 260 festgestellt, dass das Steuerungssystem 10 für das Betreiben des Fahrzeugs 50, bzw. des Roboters 60, tauglich ist.In
Der Graph 2 wird anschließend in ein beispielhaft gezeichnetes Petri-Netz 3 überführt. Dieses Petri-Netz 3 besteht aus Orten, die als Ovale gezeichnet sind und mit Token zweier verschiedener Arten belegt sein können. In dem in
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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US10942797B2 (en) | 2018-03-07 | 2021-03-09 | Robert Bosch Gmbh | Fault tree analysis for technical systems |
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