Forschungsprojekte

Connected Mobility

Laufende Forschungsprojekte

Modellierung und Simulation von dreidimensionalen Fahrzeug-Ad-Hoc-Netzwerken

Modellierung und Simulation von dreidimensionalen Fahrzeug-Ad-Hoc-Netzwerken

(Projekt aus Eigenmitteln)

Projektleitung: ,
Projektbeteiligte:
Projektstart: 2017-10-01
Projektende: 2022-09-30

Abstract:

Die Möglichkeiten und Herausforderungen der Fahrzeug-zu-X-Kommunikation (Vehicle-to-X- bzw. V2X-Kommunikation) werden bereits seit vielen Jahren erforscht. Ein beliebtes Mittel, das bei relativ hoher Detailtreue ausreichend Flexibilität bei den Untersuchungen zulässt, ist die Simulation solcher Netzwerke, welche sowohl den Verkehrs- als auch den Kommunikationsaspekt berücksichtigen muss. Mit dem am Lehrstuhl entwickelten Framework Veins konnten hierbei bereits große Erfolge erzielt werden.

Eine Einschränkung aktueller V2X-Simulationsframeworks ist die Annahme einer quasi-zweidimensionalen Umgebung. Die verschiedenen Einflüsse der Geländeform, anderer Verkehrsteilnehmer oder auch die Kommunikation über mehrere Straßenebenen hinweg bleiben üblicherweise unberücksichtigt. Viele reale Verkehrsszenarien und somit Fahrzeugnetzwerke haben aufgrund der genannten Aspekte jedoch einen dreidimensionalen Charakter, weshalb angenommen werden muss, dass diese somit nur eingeschränkt mit bisherigen Simulatoren analysiert werden können.

In diesem Projekt soll untersucht werden, ob die oben genannte Annahme zutreffend ist. Hierfür bedarf es einer Erweiterung der klassischen paketbasierten V2X-Simulation, um die Problemstellungen solcher Szenarien mit vielen Fahrzeugen simulieren zu können. Dabei sind auch neue Kanalmodelle zu entwickeln, die den dreidimensionalen Charakter komplexer Szenarien unter begrenztem Aufwand möglichst realistisch abbilden können. Zur Sicherstellung korrekter Ergebnisse bedarf es dabei entsprechender Feldtests zur Validierung der neuen Simulationsmodelle. Des Weiteren soll mithilfe geeigneter Methoden und ggf. KI-Verfahren der Aufwand bei der Betrachtung komplexer Simulationsszenarien beherrschbarer gemacht werden.

Publikationen:

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Hybrides Co-Simulations Framework

(Projekt aus Eigenmitteln)

Abstract:

Simulation ist ein adäquates Mittel, welches erlaubt neuartige Technologien und Algorithmen zu untersuchen, zu evaluieren und zu validieren. Um zu realistischen Ergebnissen zu gelangen, ist es erforderlich diverse Herausforderungen zu meistern. Eine dieser Herausforderungen stellt die  Durchführbarkeit der Berechnung von ganzheitlichen Simulationszenarien dar. Dies gilt vor allem, wenn Szenarien betrachtet werden sollen, die beispielsweise eine ganze Stadt, oder gar ein ganzes Land modellieren. Neben Betrachtungen der Performanz, bedarf die angemessene Modellierung von Szenarien der echten Welt meist der Kombination verschiedener Simulationswerkzeuge. Oft stammen die kombinierten Werkzeuge aus verschiedenen Domänen. Das führt dazu, dass ihre Kombination im Allgemeinen auch die Verbindung unterschiedlicher Modellierungsparadigmen erfordert. Zwei weitere Herausforderungen stellen die Zeitsynchronisation beteiligter Tools und der Datenaustausch zwischen den Tools dar.
Um diese Problemstellungen zu lösen, wird im Rahmen dieses Projekts ein hybrides Co-Simulations Framework entwickelt. Das Framework nutzt eine Implementierung der High Level Architecture (HLA, IEEE1516) als Middleware und erlaubt die dynamische Komposition eines Simulations-Setups, welches den bestehenden Anforderungen entspricht. Die Komposition erfolgt in zwei Dimensionen. In einer vertikalen Dimension gestattet Multi-Level Unterstützung die Simulation zu verschiedenen Detailgraden. Dies erfolgt je nach Anforderungen bezüglich Performanz, bestehender Datengrundlage und den formulierten Fragestellungen. In einer horizontalen Dimension erfolgt die Modellierung der domänenübergreifenden Kopplung von Simulationswerkzeugen. Der Fokus auf Erweiterbarkeit stellt sicher, dass die nachträgliche Eingliederung benötigter Simulationstools in das Framework ermöglicht wird.

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Entwicklung einer Absicherungsmethodik für automatisiertes Fahren durch Fahr-/Funktionssimulation

(FAU-externes Projekt)

Abstract:

Die Funktionssicherheit von Fahrerassistenzsystemen sowie automatisierter und vernetzter Funktionen ist vom Automobilhersteller in jeder denkbaren Verkehrssituation sicherzustellen.  Im Entwicklungs- und Absicherungsprozess ist dazu eine erhebliche Zahl  von Verkehrssituationen, sog. Szenarien, abzuprüfen.  Dieser umfangreiche Prüfumfang lässt sich in Zukunft nur noch durch den massiven Einsatz von Computersimulation sinnvoll bewältigen. Um in diesen Simulationen eine entsprechende Validität und Praxisrelevanz zu erzeugen, müssen Modelle des eigenen Fahrzeugs, der Strecken und –Umgebung sowie des umgebenden Verkehrs adäquat modelliert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Methodik zur Absicherung von Systemen und Funktionen des automatisierten und vernetzten Fahrens mittels Computersimulation auf virtuellen Streckenmodellen konzipiert und prototypisch entwickelt werden. Aspekte, die dabei Berücksichtigung finden sollen, sind Qualitätsanforderungen an das Streckenmodell hinsichtlich unterschiedlicher Sensor- und Reglerfunktionen, erforderliche Parameter/Dimensionen für die darzustellenden (Verkehrs-)Szenarien, Klassifizierung der Ähnlichkeit/Genauigkeit von digitalen Zwillingen (Simulation und Versuchsfahrzeug) oder auch eine Validierungssystematik für solch ein virtuelles Umfeldmodell.
Aufbauend auf die Anforderungen an die Simulation und den Spezifikationen an das virtuelle Streckenmodell soll ein systematisches und belastbares Verfahren zur simulationsbasierten Absicherung von automatisierten Fahrfunktion erarbeitet werden.

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Zuverlässigkeitsbewertung für Multi-Sensorsysteme

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Abstract:

Zukünftige Fahrfunktionen benötigen Multi-Sensorsysteme, deren Zuverlässigkeit durch Methoden der Sensordatenfusion (Aggregation, Filterung, Mehrheitsentscheidung und weitere Mechanismen zur Fehlervermeidung) gesteigert werden müssen. Dadurch treten Fehler sehr selten auf, es existieren jedoch Abhängigkeiten der Fehler von aufeinanderfolgenden Sensorwerten („Fehlerbursts“) und auch Abweichungen zwischen Sensoren (z.B. bei schlechten Umgebungsbedingungen).

Für eine Auslegung hinsichtlich der Sicherheit müssen Fehlerwahrscheinlichkeiten von Multi-Sensorsystemen bestimmt werden. Sowohl ein bestehendes analytisches Modell basierend auf Markov-Ketten als auch ein Simulationsmodell für Multi-Sensorsysteme ausgebaut werden, um die zu bestimmen.

In diesem Projekt soll auf den Vorarbeiten des INI.FAU-Projekts aufgebaut werden und sowohl das bestehende analytische Modell basierend auf Markov-Ketten als das Simulationsmodell für Multi-Sensorsysteme ausgebaut werden. Die angestrebten wissenschaftlichen Erkenntnisse bestehen in der Weiterentwicklung des analytischen Markov-Modells, das bereits Fehlerbursts einzelner Sensoren sowie Abhängigkeiten zwischen zwei Sensoren berücksichtigt, dem Ausbau auf mehr Sensoren, der Berücksichtigung weiterer Fehlervermeidungsstrategien und einer Werkzeugumsetzung. Weiterhin sollen Erkenntnisse beim Einsatz von Rare-Event-Simulation erzielt werden, um detailliertere Simulationsmodelle von Multi-Sensorsystemen in praktikablen Laufzeiten auszuführen und damit statistisch gesicherte Ergebnisse abzuleiten. Die Simulation erlaubt eine noch realistischere Systemnachbildung und eine Validierung der analytischen Modellierung. Es entsteht eine wissenschaftlich fundierte Methodik zur Ermittlung der Zuverlässigkeit von Multisensorsystemen.

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Heterogene Fahrzeugnetzwerke zur Datenübertragung im Feld

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Abstract:

Fahrzeuge werden mehr und mehr zur mobilen Datenplattform. Neben der Mobilität als Hauptaufgabe nimmt der Anspruch an Unterhaltung, Konnektivität und aktueller Software im Fahrzeug deutlich zu. Neben der Datenaktualisierung in der Werkstatt wird bereits heute ein Mobilfunkmodul im Fahrzeug verbaut, über das Kartenupdates, Verkehrsinformationen und Entertainmentanwendungen betrieben werden. Der Mobilfunk hängt allerdings stark von der vorhandenen Netzinfrastruktur ab und kann in einigen Bereichen ausfallen. Zudem muss dem Netzbetreiber für die Verwendung ein meist datenvolumenabhängiges Entgelt entrichtet werden. In diesem Projekt sollen daher weitere Technologien evaluiert werden, um auch in Zukunft effektive Kommunikation zu ermöglichen. Potenzial bieten hier öffentlich verfügbare WLAN Hotspots, die auch im Straßenbereich zur Verfügung stehen und zumeist kosteneffektiv genutzt werden können. Zudem benötigen die Fahrzeuge ähnliche Informationen, da beispielsweise ein Kartenupdate auf viele Fahrzeuge im Feld gebracht werden soll. Daher bietet sich auch die direkte Kommunikation zwischen Fahrzeugen in 5G als Möglichkeit, Informationen im Feld auszutauschen und die Verwendung des Mobilfunknetzes zu reduzieren. Ziel ist es die Kombination verschiedener Technologien zu einem komplexen heterogenen Fahrzeugnetz zu testen und die Verwendbarkeit opportunistischer Netze zu evaluieren. Dabei sollen Vorschläge für zukünftige Standardisierungen erarbeitet werden. Aus wissenschaftlicher Sicht sind geeignete Koordinations- und Routingmechanismen notwendig, da die Verbindungszeiten im Feld sehr gering ausfallen, Fahrzeuge als Zwischenspeicher und Quelle fungieren und eine effektive Nutzung der Übertragungswege relevant ist.

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Eine Methodik zur Provokation von Beinaheunfall-Situationen zur Absicherung automatisierter Fahrzeugfunktionen

(FAU-externes Projekt)

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Optimierung von Multi-Access Edge Computing (MEC) für Netzwerk-abhängige Dienste

(FAU-externes Projekt)

Abstract:

Perspektivisch wird Datenverkehr nicht mehr ausschließlich zwischen Cloud bzw. einem Server in einem Rechenzentrum und einem mobilen Endgerät stattfinden. Kommunikation zwischen Geräten wird vielmehr auf Basis von Anwendungsbeziehungen direkt aufgebaut werden, um immersive Anwendungen, automatisiertes Fahren oder Virtual Reality zu realisieren. Hierzu folgen der 5G Mobilfunkstandard und zukünftige Netzwerktechnologien in ihrem Design zunehmend dem Data-Centric Paradigma, in dem unter anderem auch die steigende Relevanz von direkter Gerätekommunikation eine Berücksichtigung findet. Eine weitere elementare Entwicklung trägt ebenfalls dazu bei: Rechen- oder Informationsressourcen werden nicht länger ausschließlich von Cloud-Servern zur Verfügung gestellt.

Multi-Access Edge Computing (MEC) ist Bestandteil aktueller Forschung und beschäftigt sich mit der Bereitstellung von Ressourcen auf verteilen Edge Knoten. MEC Instanzen können beispielsweise nah an Basisstationen angesiedelt sein, um Anwendungen mit besonderen Anforderungen, wie geringe Latenz, geringvarianter Jitter, hohe Bandbreiten oder Datenschutzanforderungen nah am Endgerät zu bedienen. Mit der Zeit werden Services enstehen, deren Komponenten buchstäblich überall und verteilt bereitgestellt werden können - ohne dass eine zwingend hierarchische Netztopologie berücksichtigt werden muss. Neben einer Cloud-Instanz kann ein Service demnach auch auf der Edge-Instanz in der Nähe, also z.B. einer Mobilfunk-Basisstation, einem Verkehrsleitsystem oder sogar einem benachbarten User Equipment (UE), betrieben werden. Auch Multi-Level MEC Konstellation sind möglich. Ein homogener Technologie-Stack, der das Cloud-Computing erweitert, ermöglicht eine Daten-zentrische Architektur, die gleichzeitig strenge Service-Anforderungen berücksichtigen kann.

Die enstehende Architektur kann dabei aus zwei Perspektiven betrachtet werden. Mit Blick auf die Netzwerkkommunikation sind MEC Resourcen über nur wenige Links bzw. Hops erreichbar. Durch diese geographische bzw. topologische Nähe werden die Links nicht überlastet, was in den genannten Performance-Vorteilen resultiert. Mit Blick auf die bereitgestellten Services, kann ein MEC-Orchestrator dynamisch Service Deployments auf Rechenknoten auf die jeweils aktuelle Situation anpassen und Ressourcen in die Topologie einbinden oder beispielsweise zur Einsparung von Energie entfernen. Neben Orchestrationsentscheidungen führt auch die Fortbewegung von Teilnehmern zu einer Änderung der Netzwerktopologie. Um das volle Potential von MEC auszuschöpfen und somit auch Dienste betreiben zu können, die auf MEC Resourcen angewiesen sind, müssen beide Perspektiven sinnvoll miteinander kombiniert werden.

In statisch aufgebauten Umgebungen lassen sich MEC Resourcen meist gut vorausplanen. Eine Herausforderung wird es insbesondere, wenn die genannten dynamischen Topologieänderungen oder Mobilität der UEs das Gesamtsystem beeinflussen. Eine der Kernfragen, die sich stellt, ist: Können die Kommunikationsanforderungen von MEC-abhängigen Diensten, die zur reibungslosen Umsetzung des Dienstes nötig sind, zu jedem Zeitpunkt eingehalten werden? 

Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Auswahl der besten MEC-Resourcen, zum Beispiel aus UE Sicht, sowie den, aus Netzwerksicht, besten Lokationen für Orchestratoren, um die Dienste bereitzustellen. Der Fokus liegt hierbei insbesondere auf der aktuellen Netzwerk- und Topologiesituation in Kombination mit den strengen Kommunikationsanforderungen von Diensten, die MEC-Resourcen benötigen. Es werden Strategien und Algorithmen, beispielweise auf Basis von Graphen, entwickelt, implementiert und evaluiert. Eine Verifikation findet durch system-level Simulationen und realen Einsatz statt.

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Abgeschlossene Forschungsprojekte

Simulation und Modellierung verschiedener 5G-Mechanismen im Kontext vernetzter Mobilität

(Projekt aus Eigenmitteln)

Abstract:

Die Vernetzung von Fahrzeugen mit anderen Verkehrsteilnehmen bzw. der Infrastruktur (Vehicle-to-Everything (V2X)) ist eine der Schlüsseltechnologien für das autonome Fahren und Smart Cities. Der hierfür entwickelte WLAN-Standard IEEE 802.11p ist bereits seit einem Jahrzehnt Schwerpunkt der Forschung. Bislang hat sich diese Kommunikationstechnologie in der Automobilbranche jedoch nicht als Kommunikationsstandard durchsetzen können. Ein möglicher Grund hierfür ist die nicht vorhandene stationäre Infrastruktur (Basisstationen am Straßenrand oder an Ampeln), welche hohe Investitionen erfordern würden.

Viele Automobilhersteller fokussieren ihren Forschungsschwerpunkt deshalb auf Mobilfunktechnoligen der neuesten Generation. Die benötigte Infrastruktur ist aufgrund anderer Mobilfunkteilnehmer flächendeckend vorhanden. Bei LTE wurden bereits Spezifikationen für die direkte Kommunikation zwischen Fahrzeugen sowie die Kommunikation über eine Basisstation verabschiedet. Die neueste Mobilfunkgeneration (5G), welche ab dem Jahr 2020 eingeführt werden soll, berücksichtigt hier von Beginn an Anwendungsfälle und Kriterien für die V2X-Kommunikation. Hierbei sollen bei 5G die Virtualisierung der Mobilfunkkomponenten per Network Slicing in Verbindung mit SDN und NFV eine entscheidende Rolle zur Einhaltung von Dienstgüteparametern gegenüber LTE und WLAN spielen.

Für die Simulation von Szenarien der V2X-Kommunikation per WLAN IEEE 802.11p ist das am Lehrstuhl entwickelte Framework Veins bei zahlreichen Studien eingesetzt worden. Um Vergleiche zwischen WLAN und Mobilfunk per Simulation zu evaluieren, ist eine Weiterentwicklung von Veins um die Mobilfunktechnologien LTE/5G von großem Interesse. Der Fokus liegt hier insbesondere bei Fragestellungen zur Dienstgüte und den angedachten V2X-Anwendungsfällen. Im Rahmen der Dissertation wird das Veins-Framework auf die 5G Technologie erweitert. Der Schwerpunkt liegt hier auf Mechanismen der unteren Netzwerkschichten und der angedachten QoS (Quality of Service) und Network Slicing Ansätze.

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ViM: Simulatorenkopplung und Datenanreicherung

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(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)

Abstract:

Die zunehmende Vernetzung und Digitalisierung in der Mobilitätsbranche führt zu immer komplexer werdenden Systemen und großen Datenmengen. Dies bietet Chancen und Herausforderungen und erfordert innovative Methoden zur Erforschung, Analyse, Entwicklung und Absicherung neuer Mobilitätstechnologien. Im Rahmen von ViM soll ein Plattform-Prototyp für Forschungszwecke und für die Entwicklung von innovativen Geschäftsmodellen aufgebaut werden, welche Akteuren sowohl zur Erprobung von neuartigen Mobilitätsdiensten als auch von neuartigen Fahrfunktionen auf technischer Ebene (z.B. kollaborative Fahrmanöver) dienen kann. Ziel ist die Entwicklung eines Daten- und Software-Frameworks, welches das Einbringen und Verwenden unterschiedlicher digitaler und modularer Komponenten auf Basis ihres Anwendungskontexts ermöglicht, sowie Mobilitätsdaten, unter Berücksichtigung etwaiger proprietärer Bestandteile, als Grundlage für Forschung, Dienstleistungen und Applikationen bereitstellt. Die Plattform erlaubt insbesondere die Kombination von realen und simulierten Daten zur Generierung einer realitätsnahen virtuellen Welt. Datenanalyse-Module ergänzen dieses Abbild und helfen dieses zu bewerten und zu interpretieren.
Der Lehrstuhl für Rechnernetze und Kommunikationssysteme ist in alle Arbeitspakete involviert und leitet insbesondere das Arbeitspaket Simulation.

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Synchronisation und Echtzeitfähigkeit in verteilten Simulationen für die virtuelle Entwicklung und Absicherung von automatisierten Fahrfunktionen

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Abstract:

Verteilte Simulationen werden häufig zur Verbesserung der Leistung oder zur Kopplung von unterschiedlichen Simulatoren verwendet. Für die Simulation von autonomen Fahrfunktionen ist diese Kopplung sehr wichtig, denn so können wiederverwendbare Simulationskomponenten für das nähere und weitere Umfeld des Fahrzeugs, für Ego- und Fremdfahrzeuge, für die Sensorik, für Abläufe in den Steuergeräten, für die Fahrzeugdynamik und für ähnliche Aspekte erstellt und gemeinsam in einer Simulation ausgeführt werden. Weiterhin bietet eine solche verteilte Simulation einen Ausgangspunkt für die Kopplung mit echten Software- oder Hardwarekomponenten (SIL bzw. HIL). Die Synchronisation in der verteilten Simulation muss die Kausalität sicherstellen: wenn es Abweichungen der Zuordnung von Simulationszeit zur Echtzeit in den Komponenten gibt, kann es zu Verletzungen der Kausalität kommen. Ein Beispiel sind kooperative Sicherheitsfunktionen, bei denen Aktionen in sehr schneller Abfolge verlaufen. Gründe für Kausalitätsverletzungen können beispielsweise nicht synchronisierte Uhren oder Verzögerungen bei der Nachrichtenauslieferung sein. Eine weitere Aufgabe der Synchronisation ist die Gewährleistung der Reproduzierbarkeit der Simulationsergebnisse. Durch Jitter in der Ausführungszeit von einzelnen Komponenten oder bei der Nachrichtenübertragung entsteht ein Nichtdeterminismus in der Ausführungsreihenfolge, der zu einem unterschiedlichen Ergebnis der Simulation führen kann.

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Simulation und Modellierung aus Messdaten von Fahrzeugen

(FAU-externes Projekt)

Abstract:

 Die Funktionssicherheit von Fahrerassistenzsystemen sowie automatisierter und vernetzter Funktionen ist vom Automobilhersteller in jeder denkbaren Verkehrssituation sicherzustellen.  Im Entwicklungs- und Absicherungsprozess ist dazu eine erhebliche Zahl  von Verkehrssituationen, sog. Szenarien, abzuprüfen.  Dieser umfangreiche Prüfumfang lässt sich in Zukunft eigentlich nur noch durch den massiven Einsatz von Computersimulation sinnvoll bewältigen. Um in diesen Simulationen eine entsprechende Validität und Praxisrelevanz zu erzeugen, müssen Modelle des eigenen Fahrzeugs, der Strecken und –Umgebung sowie des umgebenden Verkehrs adäquat modelliert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen Fahrsituationen, sogenannte Fahrszenarien, realer Versuchsfahrzeuge sensorisch erfasst und aufgezeichnet werden. Aus diesen Datenaufzeichnungen soll das aufgezeichnete Fahrszenario in einer Fahrsimulation nachgebildet und eine aktivierte automatisierte Fahrfunktion darin betrieben werden. Dadurch kann die Exaktheit des Simulationsmodells mit den aufgezeichneten Messdaten verglichen und validiert werden. Darüber hinaus werden so anspruchsvolle Fahrszenarien für einen Prüfkatalog gesammelt und das Fahrszenario kann mit vielen Variationen der zu simulierenden automatischen Fahrfunktion durchgespielt und verglichen werden.

Aufbauend auf einem funktionierendem Verfahren der Szenariengenerierung aus Messdaten soll ein Verfahren für gezielte Datenanalyse relevanter Szenarien  aus Massendaten hinsichtlich Kategorien, Definitionen, Trajektorien zur Erzeugung von parametrierbarer Manöverklassen systematisch erarbeitet werden.

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