Wissenschaftliche Begleitung des digitalen Testfelds auf der A9 zwischen München und Nürnberg
(2023)
Die Digitalisierung ist ein weltweiter Megatrend, der Wirtschaft und Gesellschaft beeinflusst und grundlegend verändert. Auch im Verkehrs- und Mobilitätsbereich geht damit in vielerlei Hinsicht ein Wandel einher.
Das Digitale Testfeld Autobahn (DTA) bietet die Möglichkeit in einem realen Umfeld neue technologische Entwicklungen im Bereich des automatisierten und vernetzten Fahrens sowie der intelligenten Straßeninfrastruktur zu erproben. Das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) hat das DTA gemeinsam mit dem Freistaat Bayern, dem Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA) und dem Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.V. (Bitkom) im Jahr 2015 initiiert. Die Maßnahmen, die auf dem DTA durchgeführt werden, sind den zwei thematischen Bereichen „Automatisiertes und vernetztes Fahren“ und „Intelligente Infrastruktur“ zugeordnet.
Das Projekt „Wissenschaftliche Begleitung für das Digitale Testfeld auf der A9 zwischen München und Nürnberg“ untersucht, begleitet und unterstützt den Bereich „Intelligente Infrastruktur“. Der Abschlussbericht gibt einen Überblick über die Erkenntnisse und Ergebnisse, die im Rahmen des DTA erzielt worden sind. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Maßnahmen, die dem Teilbereich der „Intelligenten Infrastruktur“ zuzuordnen sind. Jede der Maßnahmen wird zunächst für sich betrachtet und bewertet bevor abschließend ein Gesamtresümee gezogen wird. Die Darstellungstiefe geht von der einfachen Beschreibung inklusive einer Bewertung, teilweise basierend auf den maßnahmeninternen Evaluierungsergebnissen, bis hin zur vertieften Darstellung mit eigens für die Maßnahmen aufgesetzten, wissenschaftlich fundierten Evaluierungs- und Bewertungsarbeiten. Durch die vorgenommenen Evaluierungsarbeiten an den einzelnen Maßnahmen konnten einerseits Effekte für verkehrliche Wirkungen aufgezeigt und andererseits weitere Erkenntnisse für die Weiterverfolgung bzw. Umsetzung der Maßnahmenideen gewonnen werden. Ergänzend erfolgt eine übergreifende Betrachtung über alle Maßnahmen hinweg, u.a. hinsichtlich Synergien und Wechselwirkungen. Ebenfalls sind neue Projektansätze, Ideen bzw. Technologien, die im Zusammenhang mit den Themen im Bereich Intelligente Infrastruktur stehen, im Rahmen des wissenschaftlichen Begleitungsprojekts betrachtet und bewertet worden.
1. Teil: Technische Fragestellung und Tragweite
Der vorliegende Forschungsbericht widmet sich der Grundlagenschaffung zu einer Risikobewertung automatisierter Fahrfunktionen entsprechend ihrer Klassifizierung (Gasser et al., 2012, BASt) und Wirkweise (Gasser, Auerswald, 2016, BASt) im Kontext des Überführens in einen sogenannten risikominimalen Zustand. Nach einer Einteilung und Gruppierung von Fahrerassistenzsystemen unter Berücksichtigung kognitiver Kategorisierung und Wirkweise wurden die Wirkweise A „Informierende und warnende Systeme“, welche mittelbar (mediat, indirekt) über den Fahrer auf die Fahrzeugsteuerung wirken, die damit verbunden Risikopotentiale und Dilemmata charakterisiert. Im Rahmen der Wirkweise B „kontinuierlich automatisierte Funktionen“, gekennzeichnet durch automatisch agierende Systeme, die unmittelbar (immediate, direkt) auf die Fahrzeugsteuerung wirken, wurden insbesondere für die Automatisierungsstufen „Teilautomatisiert“, „Hochautomatisiert“ und „Vollautomatisiert“ Funktionale Sicherheitsarchitekturen einschließlich Zustandsdiagramme entwickelt und bewertet.4.1 (Handbook Emission Factors for Road Transport).
Im Kontext der Wirkweise C „in unfallgeneigten Situationen temporär intervenierende Funktionen“, charakterisiert durch autonom intervenierende Systeme, welche ebenfalls unmittelbar auf die Fahrzeugsteuerung wirken, wurden mögliche Risikopotentiale von Not- und Gefahrenbremssystemen und Bremsausweichassistenten dargestellt. Ausführlich wird in diesem Zusammenhang der medizinisch indizierte Nothalteassistent bewertet.
Für die Fahrstreifenwechselmanöver vom Fahrstreifen von links nach rechts und vice versa (Sonderfall) wurden aufgrund einer Booleschen Modellbildung entsprechende Module definiert und mittels der Booleschen Algebra formal beschrieben.
2. Teil: Rechtliche Fragestellungen
Der rechtlichen Beurteilung der Überführung von Fahrzeugen verschiedener Automatisierungsstufen in den risikominimalen Zustand lagen zwei Grundszenarien zugrunde: das Halten auf dem Fahrstreifen und das Halten auf dem Seitenstreifen einschließlich des erforderlichen Fahrstreifenwechsels auf einer Autobahn. Unter Berücksichtigung der Einordnung der Überführungssysteme in die Wirkweise C erfolgt eine Begutachtung aus der Perspektive des Produkthaftungsrechts, der straßenverkehrsrechtlichen Halterhaftung, dem Zulassungsrecht und der Verantwortlichkeit des Fahrzeugführers.
Die Ergebnisse der turnusmäßig alle fünf Jahre durchgeführten manuellen Straßenverkehrszählung (SVZ) werden als Tabellen mit differenzierten Kennwerten zur Verkehrsbelastung veröffentlicht. In der Verkehrsmengenkarte erfolgt durch die proportionale Darstellung der durchschnittlichen täglichen Verkehrsstärke (DTV) auf den Hauptverkehrsstraßen visuell ein flächenhafter Raumbezug. Für Autobahnen werden die ermittelten Verkehrsstärken anhand der Entwicklung an den automatischen Dauerzählstellen jährlich fortgeschrieben. Für eine derartige Fortschreibung im nachgeordneten Straßennetz war die Datengrundlage bisher nicht ausreichend. Durch die Fortführung der bei der SVZ 2015 erstmals zugelassenen Kfz-Erhebung mit Seitenradargeräten kann diese Lücke zukünftig geschlossen werden. Ziel ist u. a. die Ableitung regionsbezogener Indikatoren zur Verkehrsentwicklung.
Zur Überwachung der Verkehrsentwicklung und zur Ermittlung der Verkehrsstärken auf den Bundesfernstraßen - Bundesautobahnen und Bundesstraßen - fand im Jahre 2010 wieder eine bundesweite Straßenverkehrszählung (SVZ 2010) im Rahmen des üblichen Fünfjahres-Turnus statt. Die Länder hatten die Möglichkeit, auch das nachgeordnete Netz (Landes- und Kreisstraßen) zu zählen und im Rahmen der SVZ 2010 auswerten zu lassen. Von dieser Möglichkeit machten nicht alle Länder Gebrauch, so dass bundesweit nur 59 % der Landesstraßen und nur 34 % der Kreisstraßen mit Zählungen abgedeckt waren. Zu diesen beiden Straßenkategorien können somit keine allgemeinen Aussagen getroffen werden. Der vorliegende Bericht beinhaltet mittlere DTV und Jahresfahrleistungen, differenziert nach Fahrzeugarten und Straßenklassen für das Bundesgebiet insgesamt und für jedes einzelne Bundesland. Außerdem sind Beschreibungen zur Berechnung der DTV- und Fahrleistungsstatistiken enthalten sowie einige Ausführungen zu Entwicklungen der mittleren DTV-Werte und Jahresfahrleistungen in Bezug auf 2005.
Zur Überwachung der Verkehrsentwicklung und zur Ermittlung der Verkehrsstärken auf den Bundesfernstraßen - Bundesautobahnen und Bundesstraßen - fand im Jahr 2005 wieder eine bundesweite Straßenverkehrszählung (SVZ 2005) im Rahmen des üblichen Fünfjahres-Turnus statt. Die Länder hatten die Möglichkeit, auch das nachgeordnete Netz (Landes- und Kreisstraßen) zu zählen und im Rahmen der SVZ 2005 auswerten zu lassen. Kreisstraßen wurden im Gegensatz zur SVZ 2000 nur in einigen Bundesländern und zudem nur in deutlich geringerem Maße erfasst, so dass zu dieser Straßenkategorie keine allgemeinen Aussagen getroffen werden können. Der vorliegende Bericht beinhaltet mittlere DTV-Werte und Jahresfahrleistungen, differenziert nach Fahrzeugarten und Straßenklassen sowohl für das Bundesgebiet insgesamt als auch für jedes einzelne Bundesland. Außerdem sind Beschreibungen zur Berechnung der DTV- und Fahrleistungsstatistiken enthalten sowie einige Ausführungen zu Entwicklungen der mittleren DTV-Werte und Jahresfahrleistungen in Bezug auf 2000.
Durch die Anwendung bildgebender zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfPBau-Verfahren) an Ingenieurbauwerken ist es möglich, visuell nicht erkennbare Konstruktionselemente zu lokalisieren sowie den Zustand im Inneren der Bauteile zu erkunden. Der Entwicklungsstand und die Leistungsfähigkeit der von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung angewendeten Radar-, Impact-Echo- und Ultraschallecho-Verfahren werden im vorliegenden Forschungsvorhaben "Scannende Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Brückenbauwerken" aufgezeigt. Die zerstörungsfreien Prüfverfahren wurden dazu an einer Hohlkastenbrücke bei Eichenzell, deren Überbau Spannglieder mit nachträglichem Verbund für die Längs- und Quervorspannung enthält, im August und November 2003 angewendet. Aufgabe war es, die Spannglieder und die schlaffe Bewehrung zu orten. Mit dem Impact-Echo- und dem Ultraschallecho-Verfahren sollten gegebenenfalls vorhandene Verpressfehler in den Spannkanälen und unzureichend verdichtete Bereiche im Beton detektiert werden. Für die Strukturuntersuchungen am Bauwerk wurden erstmals alle drei Verfahren - Radar, Impact-Echo und Ultraschallecho - auf großen Bauwerksflächen eingesetzt. Realisiert werden konnten die Messungen durch den Einsatz von rechnergesteuerten Messabtastern (Scannern). Mit einem großen modularen Scanner war es möglich, an der Unter- und Oberseite der Fahrbahnplatte Messflächen bis zu 4 m x 10 m zu untersuchen. Für Ultraschallecho-Messungen an einem Steg im Hohlkasteninneren wurde ein kleiner flexibler Scanner genutzt. Durch die Automatisierung konnten die Bauteile schneller und genauer bei gleichzeitig reduziertem Zeit- und Personalaufwand als bisher untersucht werden. Die mit jedem Verfahren aufgenommenen Daten wurden zu reproduzierbaren 3D-Datensätzen zusammengefügt. Mittels bildgebender Bearbeitungsprogramme konnten Reflektoren und Streuer im untersuchten Bauteilvolumen dargestellt und Rückschlüsse auf die innere Struktur abgeleitet werden. Die Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung wurden durch zerstörende Untersuchungen verifiziert.
Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurden die verschiedenen Steuerungsverfahren einer Koordinierung untersucht. Dabei wurden im Schwerpunkt die festzeitgesteuerte Koordinierung, die verkehrsabhängige Steuerung mit Rahmenzeitplan und die vollverkehrsabhängige Steuerung miteinander verglichen. Zur Erfassung des Standes der Technik wurden Quellenanalysen durchgeführt. Zusätzlich fanden Expertengespräche statt, um auch Erfahrungen aus der Praxis in die Untersuchung einzubeziehen. Dabei stellte sich heraus, dass in der Fachwelt die Meinung vorherrscht, dass eine festzeitkoordinierte Steuerung nicht mehr dem Stand der Technik entspricht, da sie zu unflexibel ist. Um die tatsächliche Wirkung der Steuerungsverfahren zu überprüfen, wurden zehn Straßenzüge durch empirische Messungen und Simulationen untersucht. Die auf den Straßenzügen in der Realität vorhandenen Steuerungen wurden in den Simulationsmodellen exakt nachgebildet und neue Steuerungen wurden entwickelt. Dadurch konnten umfangreiche Vergleiche zwischen vorhandenen und optimierten Steuerungen sowie zwischen verkehrsabhängigen und festzeitgesteuerten Koordinierungen angestellt werden. Die Bewertung der Verfahren erfolgte anhand eines Performance Index, der die Anzahl der Halte und die Wartezeiten in jeder Knotenpunktzufahrt des Netzes berücksichtigt. Die Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass die verkehrsabhängige Steuerung keineswegs nur Vorteile gegenüber der Festzeitsteuerung hat. Es ergaben sich je nach Verkehrssituation sehr unterschiedliche Qualitäten der Steuerungsverfahren. In der Simulation wurde außerdem deutlich, dass eine vollverkehrsabhängige Steuerung ohne Rahmenplan nicht geeignet ist für die Steuerung eines Straßenzuges. In den deutschen Richtlinien wird bisher kein Verfahren zur Bestimmung der Verkehrsqualität verkehrsabhängiger Steuerungen beschrieben. In dieser Untersuchung wurde zusätzlich zu den Simulationen ein theoretisches Verfahren zur Bewertung verkehrsabhängiger Steuerungen vorgestellt. Aus den so gewonnenen Untersuchungsergebnissen wurden schließlich Kriterien für die Einsatzbereiche der verschiedenen Steuerungsverfahren entwickelt, die eine Entscheidungsfindung zukünftiger Planungsvorhaben erleichtern sollen.