5. Technische Aspekte des automatisierten Fahrens am Projekt des autonomen Shuttlebusses in Bad Birnbach

Hier greifen verschiedene Messmethoden und Sensoren ineinander, um eine möglichst genaue Positionsbestimmung zu ermöglichen. Die Odometrie verwendet Raddrehzahlsensoren und eine verbaute Inertial Measurement Unit (IMU) zur Lageschätzung. Auf dem Dach des Busses sind zwei Lidarsensoren jeweils nach vorne und rückwärts gerichtet mit 110° Öffnungs- und 3,2° Neigungswinkel verbaut (Abb. 5.3). Weiter verfügt der Bus über dGPS, welches die nötigen Korrekturdaten über ein verbautes Mobilfunkmodem erhält.

Die Odometrie-, LIDAR- und dGPS-Daten werden zusammengeführt und abgeglichen, um so die Position möglichst exakt bestimmen zu können. Diese IST-Positionsdaten werden im letzten Schritt per Simultaneous Localization and Mapping, kurz SLAM-Verfahren, mit den im Bus statisch gespeicherten Kartendaten abgeglichen.

Da in Bad Birnbach zwei Busse mit verschiedenen Technikständen Generation 1 Version 2.0 und Version 2.3 (Gen1 2.0 und 2.3) eingesetzt werden, unterscheidet sich die Anzahl und die Art der verwendeten Sensoren zur Objekterkennung. Die ältere Version 2.0 verwendet vier einstrahlige Lidarsensoren mit einem Öffnungswinkel von 270°, welche an den Ecken des Shuttles auf 30 cm Höhe angebracht sind (Abb. 5.4).

Die neuere Version 2.3 des Busses verwendet zusätzlich zwei Multi-Lidarsensoren, welche jeweils nach vorne und rückwärts gerichtet mit 180° Öffnungs- und 32° Neigungswinkel verbaut sind (Abb. 5.5).

Die Darstellung in Abb. 5.6 fasst die genannten Sensoren zusammen, welche im Bus verwendet werden. In Grau abgebildet sind zwei Kameras, die jeweils vorder- und rückseitig auf ca. 2 m Höhe angebracht sind. Diese sind im aktuellen Technikstand des Busses außer Betrieb und werden daher nicht weiter berücksichtigt.

Durch die vier einstrahligen LIDAR und das Multi-LIDAR-System werden um den Bus zwei Perimeter d1 und d2 errichtet (Abb. 5.7). Wenn ein Objekt in den Perimeter d2 eintritt und erkannt wird, verlangsamt der Bus seine Fahrt. Bei Abnahme des Abstandes zum Bus verringert sich die Geschwindigkeit bis auf 1 km/h bei Erreichen von Perimeter d1. Beim Eintritt des Hindernisses in Perimeter d1 löst der Shuttlebus selbständig einen Not-Stopp aus und kommt unmittelbar zum Stehen. Abhängig davon, von welcher Seite das Hindernis auf den Bus zukommt, variieren die Abmessungen von d1 und d2. Seitlich beträgt der Abstand, laut Herstellerangabe, von der äußersten Kante des Shuttles zum Perimeter d1 30 cm und zum Perimeter d2 150 cm. Hinter dem Shuttle gibt es keinen Perimeter d1 und d2 und somit auch keine Reaktion auf Hindernisse. Vor dem Shuttle passen sich beide Perimeter dynamisch der Geschwindigkeit und Lenkbewegung an, wie in Abb. 5.7 dargestellt.

Das Fahren auf öffentlichen Straßen als selbstfahrendes Fahrzeug erforderte einen umfangreichen Prüf- und Zulassungsprozess. Durch die Zusammenarbeit von Hersteller, Betreiber, technischer Prüfstelle und Behörden wurden Ausnahmegenehmigungen ausgesprochen, ein Sicherheitskonzept entwickelt und Infrastrukturänderungen ausgearbeitet. In den Dokumenten ist eine Reihe von Auflagen gefordert:

Erst nach Erfüllung und Umsetzung aller Auflagen wurde die Freigabe für das Gesamtsystem ausgesprochen und der Bus zum Betrieb auf öffentlichen Straßen zugelassen.

Ziel des Projektes ist es, den Marktplatz mit dem Bahnhof Bad Birnbach durch regulären Fahrgastbetrieb zu verbinden (Abb. 5.8). Die Strecke wurde in drei Abschnitte unterteilt, welche schrittweise in Betrieb genommen werden. Streckenabschnitt 1 mit 670 m Länge führt vom Marktplatz über das Artrium bis zur Rottal Terme. Der Betrieb startete am 25.10.2017. Der Bus fährt hier mit 10 km/h von 8–18 Uhr an sieben Tagen der Woche im 20-Minuten-Takt. In diesem Abschnitt gibt es drei Haltestellen (Marktplatz, Artrium, Rottal Terme). Streckenabschnitt 2 führt von der Rottal Terme Richtung Bundesstraße B388 bis zur Haltestelle Badstraße kurz vor der Unterführung. Für diesen Streckenabschnitt wurde am 02.08.2018 die Zulassungserlaubnis erteilt und am 20.08.2018 mit der Personenbeförderung begonnen. Mit Inbetriebnahme des 710 m langen Abschnittes wurde auch der Bus gegen die überarbeitete Version 2.3 getauscht. Der neue Bus übernimmt damit den regulären Fahrbetrieb. Die alte Version 2.0 dient als Ersatz. Der dritte Streckenabschnitt führt von der Haltestelle Badstraße bis zum Bahnhof Bad Birnbach. Er misst eine Länge von 740 m. Der geplante Betriebsbeginn ist für das dritte Quartal 2019 vorgesehen. Hier soll auch die zweite Generation des EZ10 Shuttles erstmalig eingesetzt werden.

An allen Haltestellen hält der Bus selbstständig. Die Wiederaufnahme der Fahrt muss durch den Operator eingeleitet werden. Hierdurch wird unter anderem sichergestellt, dass sämtliche Fahrgäste ein- und ausgestiegen sind sowie die Strecke frei ist. An Stellen, an denen der Shuttlebus links abbiegen muss, schreiben die Zulassungsauflagen einen Stopp des Busses und die Freigabe durch den Operator vor. Auf der Strecke vom Marktplatz bis zum Artrium gibt es hiervon zwei Stellen, in der Gegenrichtung eine.

Da das Thema der autonom fahrenden Kleinbusse recht neu ist, ist die Situation am Markt verfügbarer Fahrzeuge dieser Art überschaubar. Zwei Firmen haben sich in Europa am Markt etabliert, deren Kleinbusse für Projekte dieser Art verwendet werden. Hierbei handelt es sich um das Unternehmen EasyMile, von welchem auch für dieses Projekt Fahrzeuge genutzt werden, sowie das Unternehmen Navya. Beide Firmen sind in Frankreich ansässig und wurden im Jahre 2014 gegründet. Beide haben jeweils einen autonom fahrenden Kleinbus am Markt. In Tab. 5.1 und Tab. 5.2 sind die Unterschiede und Gemeinsamkeiten dargestellt, um einen Überblick zu geben.

Beide Fahrzeuge verwenden zur Lokalisierung Odometrie-, dGPS- und LIDAR-Daten. Zur Objekterkennung werden Kamera und ebenfalls LIDAR-Daten genutzt. Im Kleinbus von Navya werden zusätzlich vier Radarsensoren zur Objekterkennung eingesetzt.

Projekte mit vergleichbarer Ausrichtung gibt es (Stand Januar 2019) auf der ganzen Welt. Zum Zweck der Vergleichbarkeit sind an dieser Stelle zwei Projekte in Deutschland mit ähnlicher Ausrichtung und Umfang aufgeführt.

Zu Projektbeginn wurde die Sachlage der aktuellen Dokumentation eruiert (Phase 1), um zu prüfen, welche Daten schon erfasst wurden und ob diese weiterverwendet werden konnten. Es wurde festgestellt, dass die Operatoren nur technische Probleme des Busses dokumentierten (z. B. Scheibenwischer defekt, Tür klemmt beim Öffnen).

Die Strecke sowie deren Ausbaustufen wurden in Abschn. 5.2.2.4 bereits näher erläutert und in Abb. 5.8 dargestellt. In Abschn. 5.2.2.3 wurden die geforderten baulichen Änderungen, welche an der Straße durchgeführt werden mussten, ebenfalls bereits aufgeführt. Zusammenfassend gesagt, ist zu Projektbeginn die erste Ausbaustufe der Strecke in Betrieb. Die zweite Ausbaustufe wurde während der Projektphase 2 in Betrieb genommen. An der Strecke wurden drei bauliche Veränderungen vorgenommen, um den Anforderungen der Betriebszulassung zu genügen (siehe Abschn. 5.2.2.3 Abschnitt Infrastruktur).

Die Idee hinter den Dokumentationsbögen war, möglichst viele kritische Ereignisse zu dokumentieren, um die für Phase 2.2 nötigen Versuchskonfigurationen erstellen zu können. Weiter war es wichtig, die Anforderungen an die Operatoren möglichst gering zu halten, da hier der Zeitfaktor eine entscheidende Rolle spielte. Deshalb sollten die Dokumentationsbögen intuitiv und schnell ausfüllbar sein. Die Operatoren wurden angehalten, die Bögen möglichst unmittelbar nach einer kritischen Situation auszufüllen und die Daten möglichst unzensiert niederzuschreiben.

Der Dokumentationsbogen (Abb. 5.9) wurde in zwei Bereiche untergliedert. Der obere Bereich enthält drei Bilder von Kreuzungen (A = Marktplatz, B = Mitte, C = Artrium), ein Bild mit der kompletten Streckenübersicht und ein Piktogramm des Busses. In den Bildern sollte vom Operator eingetragen werden, an welchem Ort auf der Strecke sich die kritische Situation ereignete. Die drei Kreuzungen wurden hierbei als Brennpunkt für kritische Situationen vermutet und deshalb ausgewählt. Weiter sollte der Hergang vom Operator eingezeichnet werden, damit dieser bei der Auswertung nachvollzogen werden kann. In dem Piktogramm sollte die Richtung des Hindernisses im Verhältnis zum Bus eingezeichnet werden.

Der untere Bereich enthält die Basisdaten (Operatorname, Datum, Uhrzeit). Weiter wird die konkrete Situation abgefragt (Not-Stopp, Soft-Stopp, Komfortsituation) und ob diese durch den Operator oder das Shuttle ausgelöst wurde.

Es werden ebenfalls Daten zu Fahrtrichtung, Wetter, Hindernis Geschwindigkeit und Art sowie Fahrzeug-ID abgefragt.

Alle Daten im unteren Teil des Dokumentationsbogens – außer den Basisdaten – werden durch das Ankreuzen vorgegebener Antworten erfasst.

Im Zeitraum vom 21.07.2018 bis 19.11.2018 wurden die Dokumentationsbögen der Operatoren gesichtet und ausgewertet. In Summe sind hier 304 Datensätze eingegangen. Die Ergebnisse werden im Folgenden als Ganzes in einem generellen Überblick und nach vereinzelten besonderen Vorkommnissen bewertet.

Abb. 5.10 zeigt die Fahrstrecke unterteilt nach Abschnitten (A, AB, B, BC, C, C1, C2 und C3). Der Marktplatz (A) und die Fußgängerbereiche, vom Einzelhandel geprägte Strecke durch die Innenstadt (AB) als auch die Ortsstraße (BC) können von Fußgängern und Kraftfahrzeugen gleichermaßen passiert werden. Der Bereich C hingegen markiert die Ein- und Ausfahrt in die Fußgängerzone (Kurallee), welche sich in Bereiche C1 und C2 unterteilt. Diese Bereiche sind von privaten Kraftfahrzeugen ausgeschlossen und als Fußgängerzone deklariert (Lieferverkehr frei). Der Bereich C3 ist ebenfalls Pkw-frei und nur für landwirtschaftliche Fahrzeuge freigegeben.

Auf der kurzen Strecke von ca. 1,5 km (von A bis Ende C3) kann es, durch die variablen Begebenheiten der Strecke, schnell zu unterschiedlichen Arten von Hindernissen kommen (Definition Hindernis: Bus stoppt bzw. verlangsamt seine reguläre Fahrt). Die Operatoren haben hierzu in den Dokumentationsbögen jeweils Stellung genommen und die Hindernisart dokumentiert. Abb. 5.11 zeigt die Ergebnisse der Unterteilung nach Hindernisart. Pkw mit einem Anteil von 51 % sind hier als größter Störeinfluss auf den Bus zu nennen. Diese Störungen sind besonders häufig in den Bereichen A, AB, B, BC und C aufzufinden und bilden in diesen Bereichen einen Anteil von 78 % aller Störungen durch Pkw. Betrachtet man parallel zu diesen Erkenntnissen Abb. 5.12, welche die Hindernisse entsprechend ihrer Geschwindigkeit unterteilt, fällt auf, dass der größte Anteil auf stehende Hindernisse (51 %) zurückzuführen ist. Falsch parkende Fahrzeuge an Bäckereien, Banken und Restaurants sind als Ursache für die häufigen Behinderungen des Busses zu sehen. Lieferverkehr, welcher an der Straßenseite oder in zweiter Reihe parkt, zählt ebenso zu dieser Gruppe der Störeinflüsse. Da der Bus in seiner aktuellen Konfiguration nicht selbstständig ausweichen bzw. seine Spur wechseln kann, müssen die Operatoren den Bus in solchen Situationen manuell steuern.

Weitere Hindernisse sind LKW und Busse, welche in den Bereichen C1, C2 und C3 ca. 16 % aller Unterbrechungen auslösen. Diese Gruppe ist ebenfalls den stehenden Hindernissen aus Abb. 5.12 zuzuordnen. Fußgänger und Fahrradfahrer bilden mit 9 % die kleinste Gruppe an Hindernissen und sind ebenfalls in den Bereichen C1, C2 und C3 (Fußgängerzone) anzutreffen, da es hier keine räumliche Trennung zwischen der Fahrbahn des autonomen Busses und dem Fußgängerweg gibt. Mit 20 % bilden schnelle Fahrzeuge den zweitgrößten Anteil (Abb. 5.12), welche nur auf dem öffentlichen Straßenbereich mit Gegenverkehr (Bereich BC) dokumentiert wurden.

Werden Abb. 5.11 und 5.12 in Relation gestellt und man betrachtet nur die größte Hindernisart Pkw, stellt man fest, dass 62 % aller Pkw stehend und 36 % schnell fahrend zu einem Hindernis wurden.

Wertet man die Hindernishäufigkeit auf den einzelnen Streckenabschnitten aus, erhält man das Diagramm in Abb. 5.13. Besonderes Augenmerk ist hier auf die Bereiche AB und C2 zu legen. Hier werden in Summe ca. 50 % aller Hindernisse gezählt. Die Ursache für diese Anhäufung ist die fehlende Trennung der einzelnen Verkehrsteilnehmer. Sowohl in der Innenstadt als auch in der Fußgängerzone erschweren Fußgänger, Lieferverkehr und parkende Fahrzeuge den reibungslosen autonomen Fahrbetrieb des Busses. Häufig wird der Bus auch vorsätzlich an der Weiterfahrt gehindert, wenn z. B. Fahrbahnmarkierungen ignoriert werden. Ohne Operatoren, die manuell eingreifen können, wäre in diesen Bereichen ein reibungsloser Betrieb nicht möglich.

Wie bereits in Abschn. 5.3.2.2 erwähnt, verfügt der Bus über mehrere Möglichkeiten anzuhalten. Man unterscheidet einerseits das automatisch gesteuerte Verhalten des Busses mit Hilfe von Sensoren (d. h. Not-Stopp durch Bus: NB, Soft-Stopp durch Bus: SB) und andererseits das Verhalten der Operatoren (d. h. Not-Stopp durch Operator: NO, Soft-Stopp durch Operator SO), sowie die Komfortsituation. Eine Übersicht der Häufigkeitsverteilung der einzelnen Auslösungen zeigt Abb. 5.14. Man erkennt, dass bereits 76 % aller Haltemanöver durch den Bus autonom erfolgen (NB und SB). Am häufigsten kam es im Bereich BC zu Not-Stopp-Situationen durch den Bus. Die häufigsten Soft-Stopp-Situationen des Busses wiederum gab es in den verkehrsreichen Gebieten AB und C2. Die Operatoren mussten in nur 16 % aller Fälle mithilfe des manuellen Soft-Stopps den Bus abbremsen (ebenfalls in den Bereichen AB und C2). Ob der Bus in diesen von Operatoren gesteuerten Fällen nicht selbstständig angehalten hätte, bleibt allerdings offen. Die Auswertung hat gezeigt, dass einige Operatoren im Schnitt fünfmal häufiger den Soft-Stopp betätigen als ihre Kollegen. Einen Not-Stopp durch den Operator gab es in den dokumentierten Situationen nicht. Es sollte jedoch versucht werden, den Anteil der Not-Stopps durch den Bus auf ein Minimum zu reduzieren. Bei steigender Geschwindigkeit sind gerade die Not-Stopp-Situationen besonders gefährlich, da die Sitze nicht alle in Fahrtrichtung positioniert sind und der Bus schlagartig abgebremst wird.

Neben den Ankreuzmöglichkeiten des Dokumentationsbogens beinhaltete er ein weiteres Freifeld, in welches die Operatoren Besonderheiten eintragen konnten. Diese Besonderheiten aus den Fragebögen und Interviews waren meist Einzelvorkommnisse, spielen aber eine entscheidende Rolle in der Entwicklung eines autonomen Fahrzeuges. Soll der Bus autonom fahren, also ohne das Eingreifen von Operatoren, müssen auch diese Spezialfälle durch die Technik des Fahrzeuges abgedeckt werden. Im Folgenden sind diese Besonderheiten und Einzelvorkommnisse zusammengefasst:

Zusammenfassend kann gezeigt werden, dass der Bus trotz der umfangreichen Sensorik noch nicht gegen alltägliche Probleme gewappnet ist.

Als weiteres Problemfeld sind Systemfehler des Busses anzusehen, welche in allen Bereichen der Fahrstrecke auftraten. Bei dieser Art von Fehlern verliert der Bus ohne ersichtlichen Grund seine Lokalisierung und ist nicht in der Lage, autonom weiterzufahren. In diesen Situationen müssen die Operatoren den Bus manuell bewegen und das System neu starten. 22 % aller dokumentierten Situationen waren mit einem Systemfehler verbunden, von denen 87 % ohne Hindernis auftraten.

Damit der Bus zukünftig alle Situationen autonom bewältigen kann, muss die Sensorik optimiert werden. Durch Versuche mit dem Shuttlebus im Fahrbetrieb sollen bisher nicht aufgetretene Problemfälle aufgedeckt werden. Hierfür wurden im weiteren Verlauf des Projektes Versuchskonfigurationen definiert.

Wie bei der Erstellung und Auswertung der Dokumentationsbögen wurden die Versuchskonfigurationen in Einzelbereiche untergliedert, um eine systematische Durchführung der Tests zu ermöglichen. Hierfür wurden drei Teilbereiche mit den entsprechenden Konfigurationen gebildet:

In diesem Bereich sollen die Angaben von Sicherheitsabständen für den Not- bzw. Soft-Stopp des Busses evaluiert, Angaben und Einstellungen der Sensoren überprüft sowie Einbauhöhe und Öffnungswinkel verifiziert werden. Durch Versuche mit Hindernissen, die größer bzw. kleiner als 30 cm sind, soll die Notwendigkeit einer Sensorfusion deutlich gemacht werden.

Die größte Erfahrung mit auftretenden Problemen während des Betriebes haben die Operatoren bei ihren täglichen Fahrten gesammelt, in den Dokumentationsbögen niedergeschrieben und in Interviews geschildert. Diese Probleme sollen in der Versuchsdurchführung möglichst äquivalent nachgestellt und Ursachen für beschriebene Fehler definiert werden. Dazu zählen die bereits im Abschn. 5.3.2.3 erwähnten unterschiedlichen Verhaltensweisen des Busses bei starker Reflektion von Leitzylindern im Bereich C, parkenden Fahrzeugen am Straßenrand in unterschiedlichen Abständen und im Straßenbereich BC bei zu schnell entgegenkommenden Fahrzeugen. Weiterhin sollen Einflüsse der Umwelt wie Regen und Nebel nachgestellt werden. Aufgespannte (>30 cm) bzw. aufgestellte (<30 cm) Hindernisse sollen die realen Gegebenheiten nachstellen. Fahrzeuge sollen mit einem Fahrzeugtarget (4activesystems 2017) simuliert werden. Um Fahrzeugbewegungen (z. B. Gegenverkehr) zu simulieren, soll eine überfahrbare Roboter Plattform (DSD o. J.) verwendet werden.

Spezielle Vorkommnisse, welche nur vereinzelt aufgetreten sind, scheinen aufgrund der geringen Häufigkeit nicht relevant. Dennoch muss auf diese Fälle besonderes Augenmerk gelegt werden, um unfallfreies autonomes Fahren zu ermöglichen. Zu diesen vereinzelten Vorkommnissen zählen Hindernisse (siehe Abschn. 5.3.2.3), welche jahreszeitbedingt auftreten. Verwirbeltes Laub im Herbst oder hohes Gras im Frühling sind als solche temporären Hindernisse einzuordnen und sollen in der Versuchsdurchführung nachgestellt und evaluiert werden. Die Auswertung der Dokumentationsbögen hat außerdem gezeigt, dass Spezialfälle, wie ein seitlich zum Bus schlendernder Fußgänger oder eine kreuzende Katze, den Bus an seine technischen Grenzen bringen und zu unkomfortablen Situationen führen. Diese speziellen, alltäglichen Gegebenheiten gilt es bestmöglich (z. B. ein Ball simuliert eine Katze) nachzustellen.

Alle Versuche wurden mit dem Bus Gen1 2.0 durchgeführt. Der laufende Betrieb an den Versuchstagen wurde für die Versuchsdurchführung zeitweise unterbrochen. Um die Unterbrechungen möglichst kurz zu halten, stand der Bus inklusive Operator zeitlich begrenzt zur Verfügung.

Die angegebenen Abstände zur Busfahrspur beziehen sich auf die Außenkante des Vorderrades. Die Herstellerangaben hinsichtlich der Sicherheitsabstände beziehen sich auf die Verkleidung der Sensorik, die 22 cm weiter nach außen ragt. Dieser Abstand wird in der Auswertung von den gemessenen Werten abgezogen.

In der ersten Versuchsreihe wurde geprüft, wie sensibel das System auf Hindernisse, die direkt im Fahrschlauch des Busses platziert sind, reagiert. Aufgrund der großzügigen Platzverhältnisse wurde Abschnitt C3 zum Durchführen der Tests gewählt. Die Testobjekte wurden in einem ausreichenden Abstand zur Startposition des Busses in der Mitte der Fahrbahn platziert, sodass der Bus seine Geschwindigkeit von 12 km/h, wie für diesen Streckenabschnitt vorgesehen, bei jedem Versuch erreichen konnte. Dadurch wurde sichergestellt, dass alle Versuche reproduzierbar durchgeführt werden konnten. Nach jedem Test wurde der Bus durch den Operator manuell zurück zur Startposition gefahren. Um den nächsten Versuch zu starten, leitete der Busoperator den autonomen Fahrbetrieb ein.

Begonnen wurde mit Holzelementen, deren Höhe schrittweise vergrößert wurde. Der Bus überfuhr ohne Reaktion das Holzelement mit einer Höhe von 1,6 cm und einer Breite von 150 cm (Versuch 1.1). Im zweiten Versuch wurde das Holzelement aufgestellt, sodass das Hindernis eine Höhe von 15 cm und eine Breite von 150 cm hatte. Der Bus überrollte ohne Reaktion das Brett, das durch den Reifenkontakt umgestoßen wurde, und führte die Fahrt wie gewohnt weiter (Versuch 1.2). Mehrere, übereinander platzierte Holzelemente mit einer Höhe von 18 cm wurden durch den Bus nicht erkannt. Erst als die Holzelemente von den Rädern erfasst wurden, kam es durch die Erschütterungen zu einem automatischen Not-Stopp (Versuch 1.6). Bei einer Hindernishöhe von 27 cm hielt der Bus kurz an, wartete einige Sekunden und beschleunigte anschließend wieder, sodass es zu einer Kollision mit dem Hindernis kam. Es wird vermutet, dass die Holzelemente kurzzeitig in den Sichtbereich der Umfeldsensorik gerieten, was auf Bodenunebenheiten und Fahrwerksbewegungen des Busses zurückzuführen sein könnte (Versuch 1.15). Bei der Wiederholung des Versuchs erkannte der Bus das Hindernis nicht und kollidierte ohne vorheriges Anhalten mit den aufgestellten Elementen (Versuch 1.16). Die Höhe des Hindernisses wurde um weitere 1,6 cm auf 28,6 cm erhöht. Es wurde jedoch keine Änderung im Verhalten des Busses festgestellt. Nach einem Soft-Stopp beschleunigte der Bus wieder automatisch und kollidierte mit dem Hindernis (Versuch 1.17). Zwei übereinander platzierte Holzelemente mit einer Gesamthöhe von 30 cm führten zu einem Soft-Stopp des Busses 2 m vor dem Hindernis (Versuch 1.3). Das gleiche Ergebnis ergab der Versuch mit einem 40 cm hohen, schwarzen Hindernis (Versuch 1.19). Zum Schluss der ersten Versuchsreihe wurden zwei Extremfälle nachgebildet. Im ersten Fall wurde ein Fußgängerdummy in der Fahrspur des Busses liegend platziert. Der Dummy wurde 2016 an der Technischen Hochschule Ingolstadt entwickelt. Seine Abmessungen repräsentieren die eines durchschnittlichen Erwachsenen (Doric 2017). Durch die geringe Höhe des Dummys konnte der Bus das Objekt nicht detektieren und folglich wurde kein automatischer Soft-Stopp eingeleitet. Zur Vermeidung einer Kollision musste der Operator den Not-Stopp manuell einleiten (Abb. 5.15, Versuch 1.21).

Im zweiten Extremfall wurde ein weißes Tuch auf dem Boden platziert, welches ein stark reflektierendes, flaches Hindernis darstellt. Das Objekt wurde auch in diesem Versuch vom Bus ohne Reaktion überrollt (Versuch 1.20).

In der zweiten Versuchsreihe wurde der Einfluss des seitlichen Abstands eines Hindernisses zum vorbeifahrenden Bus untersucht. Gleichzeitig wurden die Auswirkungen des Reflexionsverhaltens betrachtet. In den einzelnen Versuchen wurde die Pylone teilweise mit Reflektor getestet, deren Reflektor auf Sensorhöhe ausgerichtet wurde. Zum Vergleich wurde eine Pylone verwendet, deren Reflektor mit schwarzem Tape überklebt wurde. Bei 0,9 m seitlichem Abstand der stark reflektierenden Pylone zur Fahrspur des Busses verzögerte der Bus auf 2 km/h und nahm im Nachgang wieder Fahrt auf (Abb. 5.16, Versuch 2.6). Die abgeklebte, schwächer reflektierende Pylone rief ein Abbremsen auf nur 9 km/h hervor (Versuch 2.7). Bei einem Abstand von 0,7 m verzögerte der Bus an der unveränderten Pylone auf weniger als 1 km/h und benötigte einige Zeit, bis die Vorbeifahrt beendet war. Anschließend beschleunigte der Bus auf die vorgegebene Geschwindigkeit (Versuch 2.10). Bei der schwächer reflektierenden Pylone bremste der Bus lediglich auf 6 km/h ab (Versuch 2.11). Eine weitere Verringerung des Abstandes auf 0,6 m führte bei dem reflektierenden Objekt zu einem kurzen Anhalten, gefolgt von herantastenden Anfahrversuchen. Zum Schluss blieb der Bus mittels Soft-Stopp stehen (Versuch 2.14). Die verklebte Pylone führte von anfänglichen Brems- und Beschleunigungsvorgängen zu einem automatischen Not-Stopp (Versuch 2.15). Verkürzt man den seitlichen Abstand erneut, auf diesmal 0,5 m, löste der Bus bei der reflektierenden Pylone einen Soft-Stopp in einem Abstand von 2 m aus (Versuch 2.12). Bei der abgeklebten Pylone tastete sich der Bus bis auf 45 cm heran, um dann einen Not-Stopp auszulösen (Versuch 2.13).

In einer weiteren Versuchsreihe wurde die Reaktion des Busses auf Pylonen mit größerem seitlichen Abstand untersucht. Bei einem seitlichen Abstand von 160 cm zwischen der Busfahrspur und der stark reflektierenden Pylone bremste der Bus von 12 km/h auf 9 km/h ab und passierte das seitlich stehende Hindernis (Versuch 8.1). Bei der abgeklebten Pylone bremste der Bus lediglich auf 11 km/h ab (Versuch 8.2). Eine Vergrößerung des seitlichen Abstandes auf 170 cm führte bei der reflektierenden Pylone zu einer Verringerung der Geschwindigkeit auf 11 km/h beim Passieren (Versuch 8.4). Bei der abgeklebten Pylone zeigte der Bus keine Reaktion auf das Hindernis (Versuch 8.3). Der Abstand von 180 cm führte bei keiner der Pylonen zu einem Abbremsvorgang des Busses (Versuch 8.5, Versuch 8.6).

Das 4activeC2-Fahrzeugtarget wurde innerhalb der nächsten Versuchsreihe in verschiedenen seitlichen Abständen zur Fahrspur des Busses platziert. An der getesteten Stelle erreichte der Bus ohne Hindernis eine Endgeschwindigkeit von 9 km/h. Die seitliche Außenkante des Fahrzeugtargets wurde im ersten Versuch in einem Abstand von 20 cm parallel zur Busfahrspur platziert. Der Bus hielt 2 m vor dem Target mittels Soft-Stopp an (Versuch 6.1). Das gleiche Verhalten zeigte sich bei Abständen von 30 cm und 40 cm (Versuch 6.2, Versuch 6.3). Bei 50 cm Abstand zur Fahrspur kam ein zögerliches Verhalten des Busses zustande, das während des Herantastens in einem Soft-Stopp in der Nähe des Targets endete (Versuch 6.4). Beim Platzieren des Targets mit einem Abstand von 60 cm tastete sich der Bus ebenfalls heran und passierte das Target mit einer Geschwindigkeit von 1 km/h (Versuch 6.5).

In der darauffolgenden Versuchsreihe wurde das 4activeC2-Fahrzeugtarget an einer Stelle platziert, an welcher der Bus ohne Hindernis 12 km/h erreicht. Bei 160 cm Abstand der Target-Außenkante zur Busfahrspur bremste der Bus auf 9 km/h ab und passierte das Target (Versuch 7.5). Bei einem eingestellten Abstand von 170 cm verlangsamte der Bus auf 11 km/h (Versuch 7.7). Die 180 cm Abstand führten dazu, dass der Bus ohne bemerkbare Reaktion mit 12 km/h am Target vorbeifuhr (Abb. 5.17, Versuch 7.6).

Die nächste Versuchsreihe beinhaltete Hindernisse, die nicht direkt auf dem Boden stehen. Sie wurden mittels einer Schnur, die über die Fahrbahn gespannt wurde, befestigt. Damit befanden sich die Elemente in 115 cm Höhe schwebend über der Fahrspur des Busses. Sowohl die schwebende Pylone als auch das in einem separaten Versuch aufgehängte weiße Tuch wurden durch den Bus nicht erkannt, sodass es zu einer Kollision kam (Versuch 3.1, Versuch 3.2).

Die Umwelteinflüsse konnten ebenfalls validiert werden. Am ersten Testtag konnte der reguläre Busbetrieb erst verspätet starten, da Nebel keine autonome Fahrt zuließ und der Betrieb währenddessen laut Zulassungsunterlagen untersagt ist.

Als der reguläre Fahrbetrieb möglich war, wurde Laub vor den fahrenden Bus geblasen. Nach zögerlicher Bremsung auf 8 km/h folgte ein automatischer Not-Stopp des Busses (Versuch 4.1). In einem weiteren Versuch wurde der rechte, vordere Lidarsensor vor Fahrtantritt mit Wasser besprüht. Die Benetzung mit Wasser führte dazu, dass sich der Bus nicht in den autonomen Fahrbetrieb überführen ließ (Versuch 12.1).

In einem neuen Versuch wurde ein Schild, das der Bus für die Lokalisierung benötigt, mit einem schwarzen Tuch verdeckt. Der Bus zeigte keine Reaktion und passierte das Schild anstandslos (Versuch 9.1).

Der Einfluss dynamischer Targets wurde in den nachfolgenden Versuchsreihen untersucht.

Ein elastischer Kunststoffball wurde seitlich in Richtung des fahrenden Busses gerollt. Der Ball näherte sich in den Versuchen schnell dem Bus an und berührte ihn jeweils seitlich vorne, seitlich mittig und seitlich hinten. Bei allen Versuchen erfolgte ein automatischer Not-Stopp (Versuch 10.1, Versuch 10.2, Versuch 10.3). Bei einem weiteren Versuch wurde der Ball von hinten an die Rückseite des Busses gerollt. Hierbei zeigte der Bus keine Reaktion (Versuch 10.5).

Das 4activeC2-Target wurde auf einer überfahrbaren Roboterplattform befestigt. Im ersten Versuch fuhr die Plattform vor dem Bus her und bremste an verschiedenen Stellen. Der Bus näherte sich mit 12 km/h an und verringerte die Geschwindigkeit bei Bedarf, damit ein Mindestabstand von 2 m eingehalten wurde (Versuch 5.1). Als die Plattform bis zum Stillstand bremste und rückwärts auf den Bus zufuhr, löste der Bus einen Not-Stopp aus (Versuch 5.4). Im folgenden Versuch wurde das Verhalten eines sich von hinten annähernden Fahrzeuges nachgestellt. Das Fahrzeugtarget fuhr bis auf wenige Zentimeter auf den Bus auf, ohne dass der Bus eine Reaktion zeigte (Versuch 5.6).

In den darauffolgenden Versuchen sollten Situationen mit Gegenverkehr nachgestellt werden. Hierfür wurden wieder die Plattform und das 4activeC2-Target eingesetzt. Als Versuchsstrecke diente der Abschnitt C1. Der Bus bewegte sich an der getesteten Stelle mit 9 km/h ohne Gegenverkehr. Im Abstand von 65 cm zum Sensor fuhr die Plattform inklusive Fahrzeugtarget mit jeweils 5 km/h, 10 km/h, 15 km/h entgegen der Busfahrrichtung. Bei allen drei Geschwindigkeiten verlangsamte der Bus seine Fahrt auf 3 km/h. Mit steigender Target-Geschwindigkeit erfolgte der Bremsvorgang spürbar schneller (Versuch 13.2, Versuch 13.3, Versuch 13.4).

In der letzten Versuchsreihe wurde der Einfluss des Verhaltens von Fußgängern auf den Fahrbetrieb untersucht. Eine Versuchsperson lief beim ersten Versuch längs der Straße mittig auf der Busfahrspur vor dem Bus mit variierenden Geschwindigkeiten. Der Bus hielt einen Mindestabstand von 2 m ein. Als der Fußgänger auf der Fahrbahn stehen blieb, hielt der Bus ebenfalls an (Versuch 11.1). Beim zweiten Versuch lief die Versuchsperson links neben der Busfahrspur mit einem Abstand von über 1 m längs der Fahrtrichtung. Der Bus wurde beim Annähern an den Fußgänger langsamer. Als der Fußgänger stehen blieb, passierte der Bus diesen mit einer Geschwindigkeit von 1 km/h (Versuch 12.2). Bei einer weiteren Versuchskonfiguration bewegte sich der Fußgänger erneut längs zur Busfahrspur und schlenderte dabei in Querrichtung. Dadurch änderte sich der Abstand zwischen Fußgänger und Bus fortlaufend. Der Bus variierte die Geschwindigkeit je nach Abstand des Fußgängers. Als sich der Fußgänger, der weiter vorne als der Bus war, schnell in die Fahrspur des Busses bewegte, kam bei zu geringem Abstand ein Not-Stopp zu Stande. Als der Bus am Fußgänger langsam vorbeifuhr und der Fußgänger sich dem Seitenteil des Busses bis auf Körperkontakt näherte, wurde in der Regel ein Not-Stopp ausgelöst. Lediglich ein Versuch ergab ein anderes Ergebnis (Versuch 11.3). Es konnte aber nicht geklärt werden, worin die Ursache für dieses Verhalten lag.

An drei aufeinanderfolgenden Testtagen wurden 84 Einzelversuche durchgeführt. Die Versuchsanordnungen entsprechen den in Abschn. 5.3.2.4 festgelegten Versuchskonfigurationen. Die zu Beginn der Versuche durchgeführten Referenzmessungen auf der Teststrecke ohne Hindernisse ergeben, dass die gewählte Teststrecke keinen Einfluss auf die Versuchsergebnisse hat. Die Überprüfung der Sensorfunktionen durch Abdeckung der Sensoren zeigte, dass die Wirksamkeit selbiger den Herstellerangaben für den Bus Gen1 2.0 entspricht.

Die Überprüfung der Herstellerangaben der seitlich geltenden Sicherheitsabstände sowie die Ermittlung des Perimeters d1 an der Front des Busses zeigen, dass unbewegliche Objekte, die auf dem Boden stehen und eine Ausdehnung in der Höhe von >30 cm haben, zuverlässig erkannt werden. Die Geschwindigkeitsreduktion bei stehenden Objekten im Frontbereich sowie seitlich zum Bus im Abstand zwischen Perimeter d1 und d2 erfolgt zuverlässig. Beim Erreichen des Perimeters d1 stoppt der Bus wie vorgegeben.

Bei Objekten vor dem Shuttlebus verringert dieser den Abstand mit abnehmender Geschwindigkeit bis auf einen Abstand von 2 m, wo ein Soft-Stopp ausgelöst wird. Der Wert von 2 m wurde in mehreren Versuchen mit unterschiedlichen Hindernissen ermittelt und entspricht somit dem Perimeter d1 im Frontbereich. Der geschwindigkeitsabhängige Perimeter d2 konnte innerhalb der durchgeführten Versuchsreihen nicht ermittelt werden. Wie die Auswertung der Dokumentationsbögen vermuten lässt, zeigen die Versuche, dass auf gängige Objekte im Fahrschlauch mit ausreichender Sicherheit reagiert und ein Unfall verhindert wird.

Die Versuche mit stehenden Objekten im Seitenbereich des Shuttles bestätigen ebenfalls die Herstellerangaben und die Zuverlässigkeit der Sicherheitsvorschriften. Sowohl aufgestellte Pylonen als auch Fahrzeuge werden zuverlässig erkannt und reduzieren die Geschwindigkeit des Busses, sobald diese mit einem Abstand von <150 cm zum Bus stehen. Objekte mit einer Positionierung <30 cm seitlich zum Shuttle lösen einen Soft-Stopp aus.

Die Versuche mit bewegten Objekten bestätigten ebenfalls die angegebenen Abstände und deren Richtigkeit für den zugelassenen Geschwindigkeitsbereich. Sie zeigen zusätzlich, dass die Funktion des Soft-Stopps funktioniert und gut umgesetzt ist, da der Bus bei den entsprechenden Voraussetzungen eigenständig wieder anfährt. Ebenfalls wird die Funktion des Not-Stopps validiert.

Fahrzeuge und Fußgänger, die sich vor dem Shuttlebus bewegen, rufen die festgelegten Reaktionen hervor. Ab Unterschreitung des Perimeters d2, dessen Wert nicht ermittelt werden konnte, verringert der Shuttlebus seine Geschwindigkeit. Sobald der Abstand von 2 m erreicht wird, löst der Bus einen Soft-Stopp aus. Vergrößert sich der Abstand durch die Bewegung des Fahrzeuges oder Fußgängers wieder, setzt der Bus seine Fahrt fort.

Versuche im Heckbereich des Busses zeigen, dass es dort, wie angegeben, keinen Sicherheitsabstand gibt. Bei den Versuchen mit dem Fahrzeug-Target, das mittels Plattform auf den Bus auffährt, erfolgt bis zu dem getesteten Abstand von 1 m keine Reaktion. Selbst bei der Unterschreitung des Abstandes bis hin zum Kontakt, hervorgerufen durch einen Ball, ist keine Reaktion erkennbar. Die Reaktion entspricht dem Verhalten eines „echten“ Fahrers der einen drohenden Auffahrunfall nicht erkennt.

Die Überprüfung der seitlichen Sicherheitszonen zeigt, dass die Perimeter d1 (= 30 cm) und d2 (= 150 cm) korrekt angegeben sind. Beim Passieren eines Fußgängers, der sich seitlich zum Fahrzeug bewegt, reduziert der Shuttlebus zuverlässig die Geschwindigkeit, sofern der Abstand zwischen den Perimetern d2 und d1 liegt. Schwankt der Abstand, reagiert der Bus entsprechend. Der ständige Geschwindigkeitswechsel wird nach eigenem Empfinden und Aussagen von Passagieren allerdings als störend empfunden. Nach Passieren des Fußgängers wird wieder auf die vorgegebene Geschwindigkeit beschleunigt. Gleiches gilt für entgegenkommende Fahrzeuge, selbst wenn diese mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorbeifahren. Sollte der Abstand den Perimeter d1 unterschreiten, in den Versuchen durch einen Fußgänger, der an den Bus springt, abgebildet, vollzieht der Bus einen Not-Stopp.

Die Überprüfung der Herstellerangaben zeigt allerdings einige Schwachstellen auf. Bei Objekten, die sich von vorne auf das Fahrzeug zubewegen, reagiert der Bus wie beabsichtigt. Bei einem Abstand von 2 m wird die Fahrt gestoppt. Die weitere Verringerung des Abstandes, also das Unterschreiten des Perimeters d1, durch die Bewegung des gegnerischen Objektes, löst einen Not-Stopp aus. Sofern das nahende Objekt seine Bewegung nicht unterbricht, kommt es zur Kollision. Die Parallele zu dem einzigen Unfall des Shuttles, der bis Dezember 2018 erfolgte, bei dem ein ausparkendes Fahrzeug vorne an den Bus fuhr, ist hier deutlich zu erkennen (Passauer Neue Presse 2018). Zu einem Kontakt mit dem Bus kommt es ebenfalls bei Objekten, die sich von der Seite oder von hinten dem Bus nähern. Der klassische Seitenaufprall und Auffahrunfall kann, ähnlich wie bei Fahrzeugen mit „echten“ Fahrern, nicht verhindert werden. Dass dies für den Einsatz des Busses kein K.O.-Kriterium darstellt, könnte an der Schuldfrage liegen. Schuld hätte in diesem Fall der Unfallgegner und nicht der Shuttlebus.

Sicherheitslücken, bei denen es zu einem Unfall mit Verschulden des Busses kommt, können bei den Versuchen mit stehenden Objekten, mit einer Höhe von unter 30 cm, und auf über 30 cm „schwebenden“ Objekten festgestellt werden.

Objekte, die deutlich kleiner als 30 cm sind und sich im Fahrschlauch des Shuttlebusses befinden, werden durch den einstrahligen Lidarsensor nicht erkannt und lösen somit keine Reaktion aus. Im besten Fall wird dadurch lediglich der Bus beschädigt. Wobei es vorstellbar ist, dass sich die Insassen durch die ruckartige Bewegung des Busses verletzen. Der Versuch mit dem auf der Straße liegenden Dummy zeigt aber, dass es bei dieser Sicherheitslücke auch außerhalb des Busses zu Personenschäden kommen kann.

Bei einem Objekt, das sich über dem Abtastbereich des einstrahligen Sensors und dessen „Halterung“ sich außerhalb der Sicherheitsabstände befindet, kommt es zum Unfall. Dies wäre der Fall, wenn eine Ladung nach hinten über das Fahrzeugende hinaussteht (Abb. 5.18). Laut Straßenverkehrsordnung (BfJ 2013) darf der Überstand bis zu 3 m lang sein. Der Abstand des Perimeters d2 (= 2 m) würde damit nicht ausreichen, um vor dem Ende der Ladung zu stoppen.

Gleiches gilt für Fahrzeuge, bei denen der Fahrzeugboden mehr als 30 cm über der Straße liegt und sich die Räder mehr als 2 m vor dem Fahrzeugende befinden. Deutlich wird dies anhand eines Reisebusses mit rückseitig angebrachter Transportkiste (Abb. 5.19).

Aus den Ergebnissen der durchgeführten Versuche lässt sich schlussfolgern, dass die über die Dokumentationsbögen erfasste Situation eines offenen Kanaldeckels ebenso wenig durch die Sensoren des Busses erfasst wird.

Die aufgezeigten Sicherheitslücken der Technik des Shuttlebusses Gen1 2.0 bedingen, dass ein Operator an Bord für den unfallfreien Betrieb notwendig ist. Es ist davon auszugehen, dass bei dem Betrieb des Busses der Gen1 2.3, bei dem ein zusätzlicher Multi-Lidarsensor im Front- und Heckbereich zum Einsatz kommt, die meisten der aufgezeigten Sicherheitslücken geschlossen sind und der Shuttlebus auch ohne Eingreifen des Operators keinen Unfall verursacht.

Neben den Herstellerangaben werden dokumentierte Einzelfälle und Einschätzungen der Operatoren überprüft. Sofern möglich, wurden diese mittels Versuchen nachgestellt. Teilweise mussten diese den örtlichen Versuchsmöglichkeiten angepasst werden.

Eine der Aussagen besagt, dass die Geschwindigkeit des entgegenkommenden Fahrzeuges Ursache für einen Not-Stopp war. Bei den durchgeführten Versuchen, die lediglich mit einer Geschwindigkeit bis 15 km/h erfolgten, konnte kein Einfluss der Geschwindigkeit des Gegenverkehrs nachgewiesen werden.

Der Einfluss der Umwelt wird hingegen deutlich. Die Versuche mit Wasser auf der Sensorabdeckung zeigen deutlich, dass Regen oder, wie dokumentiert, Wasser von Beregnungsanlagen die Fahrt unterbrechen oder das Anfahren des Busses verhindern. Hierdurch entsteht keine Reduzierung der Sicherheit, da das Stoppen des Shuttlebusses nicht zwangsläufig eine Gefahrensituation auslöst. Allerdings wird deutlich, dass hierdurch kein durchgängiger und geregelter Betrieb im ÖPNV gewährleistet ist. Es ist davon auszugehen, dass eine andere Einstellung der Sensibilität der Sensorik leichten Regen und Verschmutzungen beherrschen könnte. Allerdings würde dies die gesamte Objekterkennung reduzieren, was wiederum zu einer Erhöhung der Unfallwahrscheinlichkeit führen würde. Daher ist die Vorgabe der Zulassungsauflagen, den Busbetrieb bei Regen und Schnee einzustellen, nachvollziehbar.

Zu den dokumentierten Auswirkungen von Nebel oder aus der Kanalisation aufsteigendem Dampf konnten keine Versuche durchgeführt werden. Bijelic et al. (2018) und Hasirlioglu und Riener (2017) zeigen allerdings auf, dass Nebel den Sichtbereich von Lidarsensoren einschränkt. Dies erklärt die Einschränkung durch die Zulassungsauflagen. Im Gegensatz zu Lidar- sind Radarsensoren weit weniger anfällig in Bezug auf Nebel (Hasirlioglu et al. 2017). Ein gleichzeitiger Einsatz von zwei Sensorprinzipien und die Fusion derer Signale liegt nahe und wird in diversen Veröffentlichungen empfohlen (z. B. Kutila et al. 2016).

Weitere Einflüsse durch die Umwelt werden an den Versuchen mit dem Laubbläser gezeigt. Da der Bus Objekte erkennt, aber keine Klassifizierung vornimmt, wird auf jedes Objekt gleich reagiert. Auch wenn von diesem keine Gefahr ausgeht. Dadurch wird der reguläre Betrieb des Busses behindert. Es ist anzunehmen, dass eine Objektklassifizierung die gezeigten Situationen erkennt und die Fahrt unbeeinflusst fortgesetzt würde.

Die Aussage eines Operators, dass neu aufgestellte Leitzylinder mit Reflektoren im Streckenabschnitt C die Fahrt beeinflussen, konnte nicht abschließend bewiesen oder entkräftet werden. Die Versuche mit seitlich stehenden Pylonen zeigen deutlich, dass die Reflektion von Gegenständen einen Einfluss auf die Abstandsmessung hat. Aufgrund der Ergebnisse wird ersichtlich, dass sich matte schwarze Oberflächen negativ auf die Erkennung von Gegenständen auswirken.

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die ausgewiesenen Funktionalitäten des Busses erfüllt werden. Allerdings decken diese nicht alle Verkehrssituationen ab, um ein unfallfreies Fahren zu gewährleisten. Daher ist der vorgeschriebene Einsatz eines Operators aus Sicherheitsgründen notwendig. Ebenfalls wird ersichtlich, dass eine erweiterte Sensorik sowohl bei der Sensortechnik als auch der Auswertesystematik große Teile der Sicherheitslücken des Busses Gen1 2.0 schließen kann. Zusätzlich würde dies unnötige Fahrtunterbrechungen verringern und den Fahrkomfort erhöhen, was den Einsatz im ÖPNV und die Akzeptanz des People Movers begünstigen würde.