Methode zur Bewertung der Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung in der automobilen Vorentwicklung

Mit der Einführung hoch automatisierter Assistenzsysteme in Personenkraftwagen nehmen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung deutlich zu. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Bewertung der Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung in der automobilen Vorentwicklung vorgestellt und angewendet. Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die klassische elektrische Energieversorgung nicht zur Versorgung hoch automatisierter Assistenzsysteme geeignet ist

Update-Programming in motor vehicles via heterogeneous communication networks

Die bestehende, historisch gewachsene, Elektronik- und Kommunikationsarchitektur stößt immer mehr an ihre Leistungsgrenzen und muss in einem ganzheitlichen Ansatz neu überdacht werden. Ausgehend von der Historie der Kfz-Elektronik erfolgt eine Abschätzung der weiteren Entwicklung des Kfz mit den zu erwartenden Folgen für ein Fahrzeug- Kommunikationssystem. Die derzeit verfügbaren automobilen Datenbussysteme werden vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für eine neue fortschrittliche Architektur bewertet. Im Mittelpunkt dieser Betrachtungen steht FlexRay als ein neuartiges zeitgesteuertes Datenbussystem der Automobilindustrie, dem als Backbone eine zentrale Rolle der vorgestellten Architektur zukommt. Nach der Einführung der eingesetzten Übertragungssysteme werden die beiden grundsätzlichen Architekturformen, die Gateway- und Backbone-Architektur, miteinander verglichen und die Vorteile der Backbone-Architektur heraus gearbeitet. Die Realisierung der einzelnen Domänen in Hard- und Software bis hin zum Aufbau des vollständigen Kommunikationssystems werden umfassend beschrieben und die dahinter stehenden Überlegungen verdeutlicht. Dieser neuartige Architekturentwurf erfordert ein Routingprotokoll, das vom Aufbau her an das Internetprotokoll IP angelehnt ist. Es übernimmt an Stelle des Super-Gateways der Gateway-Architektur die Aufgabe der Adressierung und der Vermittlung der Daten. Als Ergebnis dieser Arbeit steht ein Labor-Fahrzeugnetzwerk, das eine entsprechende Backbone-Architektur mit FlexRay-Backbone und einem Bluetooth-Diagnosezugang implementiert. Mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Diagnosetester ist die Update-Programmierung der Steuergeräte über das Netzwerk möglich. Die dafür notwendigen Voraussetzungen wie bspw. ein Flashbootloader wurden implementiert und der Nachweis der Funktionsfähigkeit der Backbone-Architektur damit erbracht.The current existing electronic and communication architectures are running more and more into to max capacity. Therefore a new holistic solution has to be made. This dissertation analyses the historical developments of current vehicle electronic systems in order to explain the restrictions for future requirements of automotive architectures. Based on these historical grown restrictions an estimation of the future developments and the expected consequences for in-vehicle communication systems was made. Starting from the theoretical basics the current available automotive data bus systems are introduced. Also the ability of these bus systems to run in modern communication architectures is assessed. Most emphasis is placed on FlexRay a newly developed, time triggered and fast bus system for the automotive industry. For that reason the FlexRay bus is used as a backbone and therefore it takes a very important position in the proposed communication architecture of this dissertation. The fundamental architectures, the gateway- and the backbone architecture, are compared and the advantages of the backbone architecture are named after the introduction of the used transmission systems. It is described in detail the realisation of the specific hard- and software domains up to the construction of the complete communication system. This developed architecture leads to new requirements for the communication protocols which are not or only with a lot of effort accomplishable with CAN based protocols. Therefore a routing protocol was developed that is similar to the internet protocol IP. The result of this dissertation is a prototype of an automotive network. The network is realised as a backbone architecture containing a FlexRay backbone. A Bluetooth diagnostic interface is also implemented. It is possible to update the software of the control unit (ECU) over the network with a self-developed diagnostic tester. The necessary requirements for the update programming, e.g. Flash-Bootloader, were implemented and the verification of the backbone architecture was adduced

Methode zur Bewertung der Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung in der automobilen Vorentwicklung

Die Automobilindustrie befindet sich derzeit in einer Phase des fundamentalen Wandels. Zwei Entwicklungen sind hierbei von besonderer Bedeutung: die Ersetzung klassischer Verbrennungskraftmaschinen durch elektrische Antriebe und die Entwicklung vollständig autonom fahrender Fahrzeuge. Bisher sind in der Europäischen Union zwar noch keine Personenkraftwagen zugelassen, die vollständig autonom fahren (ausgenommen Fahrzeuge, die zu Entwicklungs- und Forschungszwecken eine Sonderzulassung besitzen). Es ist allerdings nur eine Frage der Zeit, bis autonom fahrende Fahrzeuge in den Markt eintreten. Der Übergang zu vollständig autonom fahrenden Kraftfahrzeugen stellt die Automobilhersteller vor verschiedene Herausforderungen, insbesondere mit Blick auf Fragen der Verantwortung. An die technischen Systeme zur Realisierung des autonomen Fahrens werden in puncto Sicherheit und Zuverlässigkeit dabei höhere Anforderungen gestellt als an menschliche Fahrzeugführer. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine entsprechende Funktionsabsicherung der jeweils beteiligten Systeme erforderlich. Dabei unterliegen jedoch nicht nur die neuen Systeme strengen Anforderungen. Auch alle klassischen Fahrzeugsysteme, die zur Bereitstellung bzw. Aufrechterhaltung all jener sicherheitskritischen Funktionen erforderlich sind, die ihrerseits notwendig sind, um das autonome Fahren zu realisieren, müssen an die neuen Anforderungen angepasst werden. Dementsprechend besteht nicht nur bezüglich der neu zu entwickelnden, sondern auch bezüglich bereits bestehender technischer Systeme Forschungsbedarf. Generell werden neue technische Systeme nach bewährten Methoden entwickelt und ihre Zuverlässigkeit wird auf der Basis der in der Industrie geltenden Standards quantitativ bewertet. In der Serienentwicklung ist dieser Prozess klar definiert. In der Vorentwicklung hingegen gibt es aufgrund der zeitlichen Beschränkungen und der begrenzten Datenlage keine umfassenden Methoden zur Durchführung der erforderlichen Untersuchungen und zur Bewertung der Zuverlässigkeit. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit eine Methode entwickelt, anhand derer die Zuverlässigkeit technischer Systeme auch in der automobilen Vorentwicklung qualitativ und quantitativ bewertet werden kann. Im Kern besteht diese Methode aus einer Kombination von physikalischen und stochastischen bzw. kombinatorischen Modellen der fraglichen Komponenten. Durch die Kopplung mit physikalischen Komponentenmodellen können die andernfalls rein stochastischen Zuverlässigkeitsmodelle mit verschiedenen Komponentenmodellen und unterschiedlichen Abstraktionsgraden parametriert werden, was erforderlich ist, um den Gegebenheiten in der automobilen Vorentwicklung gerecht zu werden. Da die Berechnungen auf realen Belastungsdaten bzw. auf plausiblen Schätzungen beruhen, können deutlich spezifischere Zuverlässigkeitsaussagen getroffen werden. Der Fokus der in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen liegt auf dem System der elektrischen Energieversorgung. Dabei werden die folgenden Komponenten einer detaillierten Betrachtung unterzogen: die Blei-Säure-Batterie als Energiespeicher, ein klassischer Klauenpolgenerator mit passiver und aktiver Gleichrichtung als Energiequelle, ein Gleichspannungswandler zur Verbindung der verschiedenen Spannungsebenen in einer Architektur mit 12V- und 48V-Spannungsebene sowie verschiedene Typen von automobilen Schmelzsicherungen als Teilsystem der Vernetzung. Am Beispiel des rein stochastischen, auf der Weibullverteilung basierenden Modells des Ausfallverhaltens von Blei-Säure-Batterien kann gezeigt werden, dass die empirisch ermittelten Ausfalldaten den wesentlichen Faktor für die Zuverlässigkeitsbewertung darstellen. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit angestellten Zuverlässigkeitsberechnungen beruhen auf Belastungsdaten, die aus Versuchsfahrten stammen, die mit zwei Fahrzeugmodellen \textendash{} einem Audi~A3 und einem Audi~A8 \textendash{} auf unterschiedlichen Strecken vorgenommen wurden. Die aus den durchgeführten Versuchsfahrten gewonnenen Messergebnisse dienen dabei als Eingangsdaten für die Belastungsanalyse und bilden in dieser Arbeit die Basis für die quantitative Zuverlässigkeitsbewertung des Generators, des Gleichspannungswandlers und der Schmelzsicherungen. Um eine analoge Zuverlässigkeitsbewertungen für alle Komponenten durchführen zu können, werden entsprechende abstrahierte Modelle entwickelt und die dazugehörigen physikalischen Grundgleichungen diskutiert. Die so entwickelten physikalischen Modelle werden anschließend mit Zuverlässigkeitsmodellen gekoppelt, die auf der Basis der jeweiligen kritischen Komponentenfehler aufgebaut werden. Hierfür werden die Fehlermöglichkeiten sowie Fehlereinflüsse aller Komponenten analysiert. Anhand dieser Modelle wird abschließend eine quantitative Zuverlässigkeitsbewertung für das Gesamtsystem der elektrischen Energieversorgung in Bezug auf sicherheitsrelevante elektrische Verbraucher durchgeführt.\\ Durch die Anwendung der in dieser Arbeit entwickelten Methode auf die automobile elektrische Energieversorgung kann im Ergebnis gezeigt werden, dass sich \textendash{} auf der Basis entsprechender Modellabstrahierungen und sofern eine hinreichende Datenlage gegeben ist \textendash{} umfassende Zuverlässigkeitsbewertungen auch in der automobilen Vorentwicklung durchführen lassen. Konkret kann aus den hier angestellten Berechnungen abgeleitet werden, dass eine klassische elektrische Energieversorgung, die allein auf der 12V-Spannungsebene operiert, nicht dazu geeignet ist, hochautomatisierte elektrische Verbraucher mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen zu versorgen. Daher ist, um sicherheitsrelevante Verbraucher angemessen zu versorgen, mindestens die Einführung von Fehlerisolationsmechanismen erforderlich. Dies gilt auch für Architekturen, in denen die elektrische Energieversorgung auf zwei Spannungsebenen realisiert ist. Durch die Einführung einer zweiten Spannungsebene und den damit erforderlichen Gleichspannungswandler werden zwar einige Fehlermechanismen von der 12V-Spannungsebene isoliert. Dennoch beeinflussen die Fehlerbilder nicht sicherheitsrelevanter Verbraucher (QM-Verbraucher) die Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung deutlich stärker als die Fehlerbilder der so isolierten Komponenten, beispielsweise des Generators. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass ein Ausfall der sicherheitsrelevanten Verbraucher am besten mittels einer Isolation der nicht sicherheitsrelevanten Verbraucher verhindert werden kann. Die vorliegende Arbeit konnte aufzeigen, dass für die Versorgung sicherheitsrelevanter Verbraucher Fehlerisolationsmechanismen benötigt werden

Church Buildings as a Driver in the Real Estate Development of Cities

In Europe Church congregations facing a challenge to find re-uses for their church buildings. Based on a rising lack of members and financial incomes, which are needed for the maintenance of their buildings. Due to this financial critical situation, new usages and users must be found. On the one hand the re-use is a cultural question touching many aspects of heritage and community value, but on the other hand it is certainly facing the real estate market. Buildings are often in a very central location, which is suitable for usages, which demand a high number of customers. Re-use means also that the conversion has an enormous impact in the building structure and asks usually for an enormous investment. Besides the physical task how to handle the building, the way how it becomes reused is various. Different usages like community-based solutions, mixes usages can also be found like commercial or residential reuse. The solutions are mainly based on the building type of the church, on the financial possibilities of the owner but also on the location

Skill and ability graphs as basis for a safe operation of automated vehicles in public traffic in urban environments

In der vorliegenden Arbeit wird ein Beitrag zur Sicherheit automatisierter Fahrzeuge für den öffentlichen Straßenverkehr geleistet. Im ersten Teil werden die Rahmenbedingungen für automatisierte Fahrzeuge betrachtet und wesentliche Begriffe definiert. Im Fokus steht dabei eine Betrachtung der Automatisierungsgrade für automatisierte Fahrzeuge. Der Stand der Forschung zur Automatisierung von Fahrzeugen schließt diesen Teil. Im zweiten Teil wird der Entwicklungsprozess nach Norm ISO 26262 betrachtet und auf automatisierte Fahrzeuge angewendet. Hierfür werden die Prozessschritte zur Erstellung einer Item-Definition für das vollständig automatisierte Fahrzeug auf Abruf als Anwendungsfall des automatisierten Fahrens in der Stadt exemplarisch durchgeführt. Da eine vollständige Item-Definition mit einer Betrachtung von allen Szenarien im Rahmen einer Dissertation nicht erstellt werden kann, werden ausgewählte pathologische Szenarien genutzt, um die Anforderungen abzuleiten. Zusätzlich werden Fertigkeitengraphen zur Modellierung von Fahrzeugführungssystemen in die Konzepthase integriert. Diese ermöglichen eine Modellierung des Systems angelehnt an die Aktivitäten, die ein Mensch bei der Fahrzeugführung ausführt. Im dritten Teil wird ein funktionales Sicherheitskonzept entwickelt, das den Betrieb von automatisierten Fahrzeugen im städtischen Straßenverkehr ermöglichen soll. Als erster Schritt wird eine Gefährdungsanalyse und Risikobewertung für die pathologischen Szenarien des vollständig automatisierten Fahrzeugs auf Abruf durchgeführt. Als Ergebnis stehen die Sicherheitsziele zur Verfügung. Das funktionale Sicherheitskonzept setzt diese Sicherheitsziele durch eine Selbstwahrnehmung und Selbstrepräsentation des automatisierten Fahrzeugs um. Die Selbstrepräsentation wird durch eine Überführung des Fertigkeitengraphen in einen Fähigkeitengraph erreicht. In diesem werden aggregierte Gütemaße berechnet, die ein Abbild der aktuellen Leistungsfähigkeit des automatisierten Fahrzeugs unter Berücksichtigung der aktuellen Situation ermöglichen. Die Selbstrepräsentation kann anschließend als Eingangsgröße für Fahrentscheidungen genutzt werden. Die Erhaltung eines sicheren Zustands wird durch die funktionale Degradation erreicht und durch Selbstheilung kann sich die Leistungsfähigkeit im Betrieb verbessern.This work contributes to the safety of automated road vehicles for public traffic. The first part covers surrounding conditions for automated vehicles and important terms are defined. Especially automation levels for automated vehicles are focused. The state of research for vehicle automation closes this part. The second part considers the development process according to the ISO 26262 standard and its applicability to automated vehicles. The development steps to create an Item Definition for a fully automated vehicle on demand as an example of automated driving are applied. A complete Item Definition covering all scenarios is not feasible in a single dissertation. Thus, part two uses selected pathological scenarios to deviate requirements. Additionally, skill graphs to model vehicle guidance systems are integrated into the concept phase. Theses graphs allow a modeling of systems adapted from the activities performed by humans while driving. In the third part a functional safety concept is developed. This should enable the operation of automated vehicles in public traffic. As a first step, a hazard identification and risk assessment for the pathological scenarios of the fully automated vehicle on demand is performed. This results in safety goals, which need to be fulfilled by the resulting system. The functional safety concept implements the safety goals by introducing a self-perception and a self-representation for automated vehicles. The self-representation is achieved with a transfer of the skill graph to an ability graph. In the ability gaph, aggregated performance metrics are calculated, which create a representation of the current performance capabilities of the automated vehicle in respect to the current driving situation. The resulting self-representation can then be used as an input to the driving decisions. The preservation of a safe operating state is reached by functional degradation. With self-healing, the performance capabilities can be improved

Strategische Lösungen für einen Stadtverkehr in der Zukunft. Perspektiven für den öffentlichen und den Individual-Verkehr

Setzt sich die bisherige Entwicklung fort, werden unsere Städte der Zukunft durch einen MIV bestimmt sein, der sich an seinen Kapazitätsgrenzen befindet, und einen ÖV, der finanziell heruntergekommen ist. Deshalb wird ein neuer vernetzter Stadtverkehr benötigt. Die Diskussion über den Stadtverkehr der Zukunft geht vom Gegensatz zwischen ÖPNV und MIV sowie von gegebenen Stadtstrukturen aus. Aber auch Städte leben und verändern sich. Dazu zählen die Des- und Reurbanisierung im Stadtentwicklungszyklus. Aber auch die Gesellschaft, ihr Lebensstil, ihre Raumnutzungssysteme und Wettbewerbsbedingungen verändern sich. Deshalb sind isolierte Wirkungsprognosen vergebens und die Berücksichtigung von Verhaltenstendenzen dynamischer Systementwicklung unverzichtbar. Telekommunikation und elektronischer motorisierter Individualverkehr bilden neue Wachstumsbereiche. Die Problembereiche Kernstadt und Fernverkehr werden durch drastische Qualitäts¬verbesserungen (wie Fußgängerzonen und Schnellverkehre) entschärft werden. Dafür rückt der Zwischenraum zwischen Fußgängerzonen und anderen Metropolen in den Mittelpunkt. Deshalb wird erst ein Netzwerk vieler Neben- und Mittelzentren hoher Autarkie dem ÖPNV eine Zukunft verschaffen. Soll eine Teilung der Stadt in - wenn auch unterschiedlich große - Flächen extrem differenzierter Erreichbarkeitsniveaus vermieden werden, bietet sich langfristig ein Zusammenwirken von vier Systemelementen an: (1) eines vollautomatischen Massenverkehrs zwischen Zentren durch elektronisch kopplungsfähige Einheiten, (2) eines teilautomatischen ÖV mit neuartigen Bussen, (3) eines teilautomatischen privaten Verkehrs mit Einzelfahrzeugen und (4) des manuellen privaten Verkehrs mit verbesserten traditionellen Kraftfahrzeugen. Bei entsprechender Kompatibilität könnten Fahrzeuge der Kategorien (1) bis (3) die gemeinsame Infrastruktur benutzen. Maßnahmen, die schon heute solche Entwicklung zukunftsfreundlich berücksichtigen, werden genannt.If current developments continue, our cities of tomorrow will be characterised by a motorized individual transport system (MIT) at its capacity limits and a financially run-down public transport system (PT). Therefore a new integrated urban transport system will become necessary. The debate surrounding "urban future transport" is based on the conflict between MIT and PT and on existing urban structures. But cities also live and change as desurbanization and reurbanization show. The same holds true for societies, their lifestyle, land use structure and their competitive conditions. That’s why isolated forecasts of transport systems are pointless and it is essential to include and consider behavioural tendencies of dynamic systems. Telecommunication and electronic MIT are new growth areas. The problem areas of innercity and long-distance transport will be defused by dramatic quality improvements, such as pedestrian zones and express services. However, the space between pedestrian areas and other urban centres connected by fast transport services becomes of central importance. Here only a network of many subcenters and regional centres with a high degree of self-sufficiency will give PT a future. If a division of our cities into areas of extremely different levels of accessibility is to be avoided a new urban transport system is required. It consists of four system elements which interact in the long run: (1) fully automatic mass transport between conurbations by units able to dock electronically, (2) semi-automatic public transport with innovative busses (3) semi-automatic private transport by individual vehicles, and (4) manually controlled private transport in improved cars. Accordingly compatible vehicles of the categories (1) to (3) can share the common infrastructure. Development and construction activities of today are listed which can already take this future system into account