Model-based prognosis of road traffic safety

Die Sicherheit im deutschen Straßenverkehr hat dank zahlreich ergriffener Maßnahmen der Wissenschaft, der Politik, der Hersteller und der Gesellschaft mittlerweile ein hohes Niveau erreicht. Dennoch verlieren rund dreitausend Menschen jährlich ihr Leben durch ihre aktive Verkehrsteilhabe. Es bleibt das gemeinschaftliche Ziel aller am Verkehrssystem Beteiligten weiterhin das Sicherheitsniveau zu erhöhen. Die Einführung der Promillegrenze im Jahr 1973 hatte einen sprunghaften Effekt der Reduzierung der Anzahl Getöteter hervorgerufen. Aktuell ergriffene Maßnahmen zeigen dagegen wenig Effekt in den Verkehrsstatistiken. Welche der vorhandenen und geplanten Verkehrssicherheitsmaßnahmen eine höhere Wirkung erzielt und kurzfristig zu einer Verbesserung der Sicherheit führt, konnte bisher nicht geklärt werden. Diese Dissertation befasst sich mit der modellbasierten Prognose der Verkehrssicherheit in Abhängigkeit von verkehrsmittel-, verkehrsobjekt-, verkehrsinfrastruktur- und verkehrsorganisationsseitigen Maßnahmen. Die Zielsetzung ist die Definition und Qualifizierung eines Verfahrens zur Erstellung eines Prognosemodells, welches in der Lage ist den Sicherheitsnutzen ausgewählter Maßnahmen zu evaluieren und zu prognostizieren. Entscheidungsträgern kann somit eine Methode zur strategischen Entscheidungsfindung bereitgestellt werden. Das im Rahmen dieser Dissertation definierte Verfahren prognostiziert die Entwicklung der Verkehrssicherheit mittels eines zweistufigen Verfahrens: Im ersten Schritt wird das Sicherheitspotential einer ausgewählten Maßnahme auf Basis des Wirkfelds, dem erwarteten Unfallreduktionspotential und dem Grad der Systempenetration bestimmt. In einem zweiten Schritt wird mittels eines mathematischen Verfahrens die Prognose der Verkehrssicherheit unter Einbindung Sicherheitspotentials bestimmt. Hierbei wurde im Rahmen der Arbeit eine Reihe unterschiedlicher daten-, modellbasierter und hybrider Verfahren angewendet. Die finale Prognosemethode nutzt ein hybrides Modellkonzept, welches mittels Grey System Theory und künstlicher neuronaler Netze eine Verkehrssicherheitsprognose durchführt. Die exemplarische Anwendung betrachtet ausgewählte Maßnahmen und analysiert ihren Einfluss auf die Entwicklung der Verkehrssicherheit. Es wird eine Priorisierung hinsichtlich der Wirkung auf die Sicherheit vorgenommen. Die Arbeit liefert Implikationen, welche Maßnahmen zur kurzfristigen Verbesserung der Verkehrssicherheit gefördert werden sollten.Safety in German traffic has now reached a high level thanks to numerous measures taken by science, politics, manufacturers and society. Nevertheless, around three thousand people lose their lives every year through their active participation in the transport system. It remains the joint objective of all participants in the transport system to continue to increase the level of safety and to continuously reduce the number of fatalities. Where, in contrast to the introduction of the alcohol limit in 1973, a precipitous effect in terms of improving the number of people killed has been shown, the measures currently taken have little or no effect on transport statistics. Which of the existing and planned traffic safety measures has a higher impact and leads to an improvement in safety in the short term has not yet been clarified. This dissertation deals with the model-based prognosis of traffic safety as a function of means of transport, traffic, traffic infrastructure and traffic organization. The central objective here is the definition and qualification of a method for the well-founded preparation of a prognosis model, which is able to evaluate and predict the safety benefits of selected measures. Road safety decision-makers will thus be provided with a method of strategic decision-making. The method defined in this dissertation predicts the development of traffic safety by means of a two-stage procedure: In the first step, the safety benefit or safety potential of a selected measure based on the effective field, the expected potential for accident reduction and the degree of accident reduction System penetration determined. In a second step, the prediction of traffic safety is determined by incorporating the previously determined safety potential by means of a mathematical method to be qualified. In the course of the work, a number of different data, model-based and hybrid methods were applied and qualified. The final qualified forecasting method uses a hybrid model concept, which uses gray system theory and artificial neural networks to carry out a traffic safety prognosis. The exemplary application of the method looks at selected traffic safety measures and analyzes their influence on the development of traffic safety. Prioritization is made on the predicted safety impact and implications for policy makers on what measures should be taken to improve road safety in the short term

Integrated Longitudinal and Lateral Vehicle Guidance via Sliding-Mode-Control

Gegenstand der Arbeit ist der Entwurf eines Fahrerassistenzsystems (FAS) zur automatisierten Längs- und Querführung eines Straßenfahrzeugs. Das FAS soll den Fahrer auf Autobahnen sowie gut ausgebauten Landstraßen unterstützen und entlasten. Dem System können dabei unterschiedliche Architekturen zugrunde liegen. So können zwei parallel betriebene Regelungen die Fahrzeugführung in Längs- und Querrichtung unabhängig voneinander vornehmen. Bei einer kombinierten Längs- und Querführung werden Wechselwirkungen zwischen den vorher separaten Regelungssystemen explizit eingeführt. Für eine integrierte Längs- und Querführung besteht eine implizite Kopplung zwischen den Bewegungsrichtungen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Entwurf von Regelungssystemen. Dabei werden zunächst zwei parallel betriebene Regelungen untersucht, die jeweils eine Soll-Beschleunigung in Längs- bzw. Querrichtung erzeugen. Anschließend wird eine integrierte Regelung entworfen, die Soll-Beschleunigungen für beide Bewegungsrichtungen generiert. Als Regelungsprinzip kommen sogenannte Sliding-Mode-Regler zum Einsatz. Dabei handelt es sich um strukturvariable Regler, deren Entwurf im Phasenraum des zu regelnden Systems erfolgt. Für die parallel betriebenen Regler ergeben sich zwei 2D Phasenräume, für den integrierten Ansatz ein 4D Phasenraum. Durch Modifikationen werden die Sliding-Mode-Regler an die Aufgaben der Abstandsregelung, der Fahrstreifenmittenführung sowie der Durchführung eines Überholmanövers bei gleichzeitiger Längsbeschleunigung angepasst. Die Funktionsweise der Regelungen wird anhand zuvor hergeleiteter Modelle der Fahrzeugbewegung untersucht. Die Modellparameter wurden experimentell ermittelt und in Versuchen validiert. Abschließend werden Ergebnisse realer Versuche präsentiert. Hierzu wird ein FAS implementiert, das neben der Regelung geeignete Sensorik zur Erfassung des Fahrzeugumfelds, Aktorik zur Beeinflussung der Fahrzeugbewegung sowie ein Bedienkonzept zur Interaktion des Fahrers mit dem FAS umfasst. Die untersuchten Szenarien beinhalten alltägliche und kritische Situationen. Es wird gezeigt, dass das FAS für die Fahrzeugführung in den beschriebenen Verkehrssituationen geeignet ist und sich eine Parametrierung der Regler anschaulich gestaltet.The subject of this work is the development of a driver assistance system for the automatic longitudinal and lateral guidance of an automobile. The assistance system should support the driver in vehicle guidance on motorways as well as improved highways. The system could be based on different architectures. Thus, two control systems operating in parallel could intervene in the vehicle's longitudinal and lateral guidance independent of each other. In the case of combined longitudinal and lateral control, the interaction between the previously separate control systems is explicitly introduced. An implicit coupling between the two directions of motion exists for the integrated longitudinal and lateral control. This work focuses on the design of control systems. First, two control systems operating in parallel are examined, each of which generates a desired longitudinal and lateral vehicle acceleration respectively. Then an integrated controller for longitudinal and lateral guidance is designed, which generates desired accelerations in both directions of movement. Sliding mode control is applied as the control principle in both approaches. It is a variable structure control system, the design of which takes place in a phase space of the system to be controlled. The two 2D phase spaces for the controls operated in parallel result in a 4D phase space for integrated use. The sliding mode control is modified for tasks of distance control, lane guidance and passing manoeuvres with simultaneous longitudinal acceleration. The manner in which the controls function is examined using previously derived models of vehicle motion. The model parameters were determined experimentally and validated in driving tests. Finally, the results of actual driving tests are presented. For this purpose, a driver assistance system is implemented which includes, in addition to the previously designed controllers, sensors for detecting the vehicle's environment, actuators for influencing vehicle motion as well as an interface between the driver and the assistance system. The examined scenarios include daily and critical driving situations. It is shown that the developed driver assistance system for vehicle guidance is appropriate for the described traffic situations and the parameterization of the control proves to be comprehensible

Entwicklung und Evaluierung eines kooperativen Interaktionskonzepts an Entscheidungspunkten für die teilautomatisierte, manöverbasierte Fahrzeugführung

Moderne Fahrerassistenzsysteme ermöglichen einen hohen Standard hinsichtlich Fahrkomfort und Sicherheit. Eine Lösung für die Problematik zunehmender Komplexität durch Kombination mehrerer Einzelsysteme und einen wichtigen Schritt in Richtung Vollautomatisierung bieten teilautomatisierte, kooperative Ansätze wie das manöverbasierte Fahrzeugführungskonzept Conduct-by-Wire. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Fragestellung, ob eine kooperative Interaktion zwischen Fahrer und Automation zur Entscheidungsfindung hinsichtlich der Ausführbarkeit von Fahrmanövern im Kontext der teilautomatisierten, manöverbasierten Fahrzeugführung darstellbar ist. In dieser Arbeit wird ein Interaktionskonzept entwickelt, das die Anforderungen des Fahrers und der Automation gleichermaßen berücksichtigt. Zudem erfolgt eine Untersuchung der technischen Realisierbarkeit sowie der Gebrauchstauglichkeit im Rahmen einer Probandenstudie

Machbarkeitsstudie zum automatisierten Fahren von HO-LKWs im Murgtal - im Rahmen der Begleitforschung zum Projekt eWayBW

Diese im Zuge der Begleitforschung zum Projekt eWayBW entstandene Studie untersucht die Machbarkeit automatisierten Fahrens mit Hybrid-Oberleitungs-LKWs (HO-LKWs) im unteren Murgtal. Ausgehend vom Stand der Forschung im Bereich automatisierter Fahrzeuge werden die Besonderheiten des elektrischen Betriebes unter Fahrleitung als auch die Besonderheiten der untersuchten Strecke zwischen Kuppenheim und Hilpertsau analysiert und Lösungsvorschläge entwickelt. Die Betriebsführung automatisierter und insbesondere fahrerloser Verkehre sowie die betriebswirtschaftlichen Auswirkungen werden dargestellt, soweit das zum derzeitigen Stand der Entwicklung möglich ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die technischen Fragestellungen für die Automatisierung, die durch das Fahren der HO-LKWs unter Fahrleitung entstehen, mit geringem Zusatzaufwand gelöst werden können und dass sich somit die Automatisierung von HO-LKWs nicht schwieriger darstellt als die Automatisierung anderer LKWs. Für das betrachtete Anwendungsszenario im unteren Murgtal wurden die für die Automatisierung besonders schwierigen Stellen identifiziert, die somit Knackpunkte bei der technischen Realisierung darstellen. Dies sind insbesondere die Rangiermanöver in den Werkshöfen, das Einbiegen auf stark befahrene Straßen sowie das Einfädeln und Verflechten an Auffahrten auf autobahnartige Straßen. Aus betrieblicher Sicht konnte erarbeitet werden, dass eine Automatisierung der LKW-Verkehre im unteren Murgtal erst dann nennenswerte betriebswirtschaftliche Vorteile erwarten lässt, wenn die LKW-Verkehre ganz oder zumindest über den größten Teil der Strecke fahrerlos durchgeführt werden können

Analysis of human factors and reliability in railways

Zur Integration menschlicher Faktoren in Sicherheitsbetrachtungen im Eisenbahnverkehr werden in dieser Arbeit grundlegende Modelle vorgestellt und eine qualitative Methode zur vergleichenden Bewertung der menschlichen Zuverlässigkeit entwickelt. Bislang standen kaum geeignete Ansätze für die Analyse des menschlichen Einflusses auf Betrieb und Sicherheit des Eisenbahnverkehrs zur Verfügung. In dieser Arbeit wird zunächst festgestellt, dass für die Integration menschlicher Faktoren in den Gestaltungsprozess eine interdisziplinäre Vorgehensweise mit ingenieurtechnischer und psychologischer Expertise unerlässlich ist. Des Weiteren wird gezeigt, dass bestehende Ansätze dem Bedarf nach Angaben über die Wahrscheinlichkeit menschlicher Fehler in Verlässlichkeitsbetrachtungen nicht gerecht werden. Zu einer ganzheitlichen Betrachtung menschlicher Fehler wird ein neues, tabellarisches Modell menschlicher Verhaltensmöglichkeiten entwickelt. Außerdem werden die Arbeitssysteme von Triebfahrzeugführern und Fahrdienstleitern sowie erstmals ihre Interaktionen und zugehörige Einflussfaktoren im Eisenbahnsystem modelliert. Für die Bewertung der menschlichen Zuverlässigkeit im Eisenbahnverkehr wird die Komplexität der Mensch-Maschine-Interaktion herangezogen, die für die Herstellung (oder Unterdrückung) einer Sicherheitsfunktion einer so genannten Barriere nötig ist. Über eine Reihe von Kriterien wird eine qualitative Bewertung möglich, die vergleichende Aussagen über Sicherheitsvorkehrungen erlaubt, bei denen der Mensch einen Einfluss auf die Sicherheitsfunktion hat. Die so genannte Mensch-Barrieren-Interaktion repräsentiert zum einen ein neues Analyseverfahren für die menschliche Fehler bei sicherheitskritischen Handlungen und ihre Auswirkungen. Zum anderen wird es aufgrund seiner Handlichkeit eine Hilfe bei der Bewertung von Sicherheitsvorkehrungen in der Eisenbahnpraxis sein.Basic models and tools for the integration of human factors into safety analyses in railways applications are presented in this thesis. In addition, a qualitative method for the comparative assessment of human reliability is developed. The work is motivated by the actual lack of suitable approaches for the analysis of the human impact on railway operation and safety. In the present work, it is declared that an interdisciplinary approach with engineering and psychology expertise is necessary for the integration of human factors in the design and safety processes in railways. Existing approaches do not fully respond to the need for human error data and probabilities in dependability assessments. For a holistic perspective on human error, a new, tabular model of the ways of human performance is presented. In addition, the work systems of train drivers and train controllers are modelled. For the first time, the interactions between personnel and the corresponding influence factors are demonstrated. For the assessment of human reliability in railways, the complexity of human-machine-interaction that is needed for the implementation or suppression of a safety function of a barrier is analysed. A set of detailed criteria enables a qualitative assessment that permits comparative evidence concerning defences where human operators have an influence on the safety function. The approach of so called human-barrier-interaction firstly represents a new method to analyse human error in safety critical tasks and corresponding consequences. Secondly, thanks to its manageability, the method supports the assessment of safety defences in railway engineering practice