V2X-Kommunikation im Kontext der Smart City

Eine intelligente, smarte Stadt ist das Resultat aus verschiedenen Aspekten der Digitalisierung. Dazu gehört insbesondere auch der Bereich der Mobilität. Die Verkehrsteilnehmer und die Straßeninfrastruktur werden schon heute teilweise über das Mobilfunknetz miteinander vernetzt.

Dadurch wird ein Zugewinn an Sicherheit, Verkehrseffizienz und Komfort für alle Beteiligten ermöglicht. Mit moderner Kommunikationstechnologie können z.B. zwei Fahrzeuge auch direkt miteinander kommunizieren – ohne den Weg über das existierende Mobilfunknetz zu gehen. Damit können zwischen den beteiligten Verkehrsteilnehmern lokal begrenzt und in Echtzeit Daten ausgetauscht werden.

Was verstehen wir unter einer Smart City?

Zum Sammelbegriff der Smart City gibt es verschiedene Definitionen. Wir orientieren uns an den sechs Aktionsfeldern nach Roland Berger („Smart city, smart strategy“, Roland Berger, 2017): Die administrative Verwaltung, der Gesundheitssektor, Bildung, Umwelt- und Energiebereich, Gebäude und die Mobilität.

Diese Handlungsfelder werden „smart“, wenn die zur Verfügung stehenden Daten gesammelt und intelligent ausgewertet werden und somit ein Mehrwert generiert werden kann. Wenn die genannten Handlungsfelder darüber hinaus miteinander vernetzt und ressortübergreifende Daten verknüpft werden, um daraus wiederum einen Mehrwert zu generieren, kommen wir in den Bereich einer intelligenten, vernetzten Stadt – einer Smart City. Die Anwendungsfelder sind vielfältig und je nach Schwerpunkt, Möglichkeiten und Herausforderungen auch sehr unterschiedlich in der Implementierung und im Umfeld. Die Bandbreite reicht von Angeboten wie z.B. eine Mobilfunkapplikation für den öffentlichen Personennahverkehr und somit einem B2C-Dienst der Smart City für den Bürger, bis hin zur Ausstattung von Müllcontainern mit Füllstandsensoren, um eine effiziente Routenplanung der Müllabfuhr zu gewährleisten.

Welche Rolle spielt der Mobilitätsaspekt?

Die urbane Mobilität im Kontext der stetig wachsenden Städte und dem damit verbundenen Zuwachs an Verkehr stellt eine besondere Herausforderung an die Städte und Kommunen von heute und morgen dar. Der begrenzte Raum und die limitierte Infrastruktur muss effizient genutzt werden, um dem motorisierten Individualverkehr, den Logistikdienstleistern, dem öffentlichen Personennahverkehr aber auch den Fußgängern und Radfahrern gerecht zu werden. Insbesondere Letztere sind im dichten innerstädtischen Gebiet gefährdet. Hier gilt es die Sicherheit zu gewährleisten und oftmals – aus der heutigen Sicht – signifikant zu verbessern. Um den Verkehrs-raum einer Stadt, insbesondere auch inklusive der Parkflächen, bestmöglich nutzen zu können, gilt es, die Nutzungseffizienz der gesamten Infrastruktur zu steuern. Mit einer Verknüpfung idealerweise aller Mobilitätsanbieter kann dem Bürger die nach Bedarf beste Verbindung zwischen Start und Ziel angeboten werden.

Die Kommunikationstechnologien für V2X-Kommunikation

Der Schlüssel zu alledem ist die Vernetzung der Fahrzeuge im Individualverkehr, dem öffentlichen Nahverkehr, den Logistikdienstleistern und der Fußgänger und Radfahrer. Über die direkte Vernetzung der Fahrzeuge mit anderen Fahrzeugen (Vehicle-to-Vehicle, V2V), mit der Infrastruktur (V2I), mit Fußgängern (engl. Pedestrian) (V2P) kann genau dies erreicht werden. In Summe reden wir von der Vehicle-to-Everything- der V2X-Kommunikation (siehe Abbildung 3). Die technische Möglichkeit dazu bietet zum einen die auf dem WLAN-Standard 802.11p basierende ITS-G5 (in den USA: DSRC-WAVE) Technologie und zum anderen der auf dem 3GPP-Standard basierende Cellular-V2X-Ansatz.

ITS-G5: Ein kompletter Protocol-Stack stellt hier alle notwendigen Mittel zu Verfügung, damit in Mobilitätsszenarien direkt miteinander kommuniziert werden kann. Insbesondere Cooperative Awareness Messages (CAM), die die Position und verwandte Daten über ein Fahrzeug übertragen, als auch Decentralised Environmental Notification Messages (DENM), die über vordefinierte Situationen informieren, sind hier zu erwähnen. Somit können Informationen über akute Gefahrensituationen (z.B.: Straßenarbeiten oder ein sich nähernder Rettungswagen) verzögerungsarm übertragen werden. Die Kommunikation findet im lizenzfreien Spektrum um die 5.9Ghz statt und erlaubt eine Kommunikationsreichweite von ca. 400-800m bei guten Bedingungen. Geräte sind bereits am Markt verfügbar.

Cellular-V2X: Bei der Cellular-V2X (C-V2X) Technologie werden drei Möglichkeiten der Kommunikation beschrieben:

1) Der Weg über das Mobilfunknetz, so wie wir es heute von der Smartphone-Nutzung kennen: Zwischen den Kommunikationspartnern wird das Radio Access Network (RAN) und das Core-Network genutzt. Dies kann je nach Lastsituation zu Verzögerungen führen.

2) Der Weg nur über das RAN: Sofern es um lokal begrenzte Kommunikation geht, kann die Information vom Sender in der empfangenen Basisstation verarbeitet wer-den und auch wieder im direkten Umfeld, z.B. der Funkzelle, weitergesendet werden. Vorteile sind hier die lokale Verarbeitung und Kapselung der Daten und Information sowie die dadurch minimierte Latenz, die Verzögerung bei der Kommunikation. Diese Technologie wird Mobile Edge Computing (MEC) genannt.

3) Die direkte Kommunikation zwischen zwei Partnern, genannt PC5: Im Gegensatz zu den ersten beiden genannten Ansätzen wird hier auch im lizenzfreien Spektrum gearbeitet, der 5.9 GHz-Bereich ist hier präferiert. Die Kommunikation findet de facto in Echtzeit statt und kann dadurch auch für sicherheitskritische Anwendungen genutzt werden. Es wird ohne jegliche Mobilfunkinfrastruktur kommuniziert. Wie bei ITS-G5 stellt auch der C-V2X-Protocol-Stack alle Mittel zur Verfügung, um die Use-Cases darauf abzubilden. Noch sind allerdings keine Geräte in Serienreife am Markt verfügbar.

Welche konkreten Anwendungsfälle gibt es?

Mit den beschriebenen Technologien können zahlreiche Use-Cases abgebildet wer-den, die im Kontext einer Smart City einen Beitrag leisten. Exemplarisch beschreiben wir hier folgende Anwendungsbereiche:

1) Erhöhung der Sicherheit für Fußgänger und Radfahrer: Hier wird Verkehrssicherheit Safety) adressiert. Gerade im dichten Berufsverkehr, aber auch in Randgebieten mit schlecht einsehbaren Kurven sind die schwächeren Verkehrsteilnehmer, Radfahrer und Fußgänger im Besonderen, gefährdet und werden oft übersehen. Fehler beim Abbiegen sind die mit Abstand häufigste Unfallursache bei Unfällen mit Radfahrern. Gefährliche Situationen und Unfälle können vermieden werden, wenn Radfahrer und Fußgänger direkt mit anderen Verkehrsteilnehmern kommunizieren. Hierbei würde das Smartphone der Fußgänger und Radfahrer über eine Applikation deren Standort an Fahrzeuge übermitteln und über die entsprechende Anwendung im Fahrzeug den Fahrer über die Anwesenheit eines „Vulnerable Road Users“ (VRU) informieren, im Kollisionsfall warnen und in weiteren Stufen der Automatisierung der Fahrzeuge auch automatisch ausweichen oder abbremsen. Ebenso würde der VRU beispielsweise akustisch vor einer kritischen Situation mit einem Fahrzeug gewarnt. Im Gegensatz zu Radar-, Ultraschall und Kamera-Sensorik kann mit Hilfe von intelligenten Algorithmen bereits eine kritische Situation vorausgesagt werden, bevor die potentiellen Unfallpartner sich in der unmittelbaren Gefahrensituation befinden. Die Kombination aller verfügbaren Sensoren und Kommunikationstechniken erhöht den Detailgrad an Information zur Unfallprävention mit Hilfe von Sensorfusion erheblich.

2) Parkraummanagement und Dienste: Ein Komfortdienst für Autofahrer. Eine zunehmende Herausforderung, sowohl für die Städte, als auch für die Autofahrer sind die Limitierungen der urbanen Parkflächen. Oftmals ist es mühsam und umständlich, einen freien Parkplatz zu finden oder vom gefunden Parkplatz zum gewünschten Zielort zu gelangen. Die Vernetzung der Fahrzeuge mit den Betreibern der Parkflächen, die wiederum über Sensorik und vernetzte Datenauswertung und Prognosen eine Information über freie Parkplätze direkt im Auto verfügbar machen, erhöht zum einen den Komfort für den Autofahrer und zum anderen die Effizienz für den Parkraumbewirtschafter. Über eine entsprechende Vernetzung sind auch bargeldlose automatisierte Bezahlvorgänge abbildbar. „Automated Valet Parking“ basiert auf einer hohen Automatisierungsstufe im Fahrzeug selbst und einem vernetzten Parkhaus mit umfangreicher Sensorik. Hier kann der Fahrer sein Auto an vordefinierten Punkten verlassen und wieder abholen. Die Parkplatzsuche, Fahrt zum Parkplatz und Rückfahrt zum Abholungsort wird automatisch zurückgelegt.

3) Effiziente Routensteuerung: Hier wird Verkehrseffizienz adressiert. Die Ampeln im innerstädtischen Verkehr führen bei hoher Verkehrslast zu Stop & Go und Rückstau: Dienste, wie z.B. Green Light Optimal Speed Advisory (GLOSA) können die Situation verbessern (siehe Abbildung 4). Über die Kommunikation zwischen Ampel und Fahrzeug erhält der Fahrer (und später das automatisierte Fahrzeug) die Information über die optimale Geschwindigkeit, um bei einer der nächsten Grünphasen an der Ampel einzutreffen. Damit wird eine Optimierung des Verkehrsflusses erreicht, die auch die Nutzungseffizienz im urbanen Raum verbessert. Auch gibt es viele Verkehrswege, die genutzt werden können, um von A nach B zu kommen. Mit verfügbaren Informationen über die Verkehrsdichte an bestimmten Orten können die Verkehrsflüsse über dynamische Routenführung in einer Verkehrsleitzentrale effizient gesteuert werden. Dies ist zwar heute schon möglich, erfordert aber die Nutzung einer umfangreichen Straßeninfrastruktur zur Verkehrsdetektion. Mit den über die V2X-Kommunikation verfügbaren Echtzeitinformationen der Fahrzeuge wie Geschwindigkeitsvektor, Ort und ggf. das Ziel ergeben sich sehr viel detailliertere Möglichkeiten der Steuerung, als es mit einer Sensorik wie Induktionsschleifen und Schwarmdiensten aktuell der Fall ist. Denkbar ist damit sogar eine individuelle Beleuchtungssteuerung der Straßenbeleuchtung abhängig von der Befahrung der Straße. Wenn wir nun an die individuelle Routenplanung denken, kann eine Vernetzung aller Transport- und Parkmöglichkeiten zusammen eine intermodale Routenführung ermöglichen, die die verfügbaren Transportmittel bestmöglich nutzt, um das Ziel zu erreichen.

Herausforderungen & Fazit

Die Vernetzung der urbanen Mobilität mit der V2X-Technologie kann in der modernen Stadt zu einem erheblichen Zugewinn an Sicherheit, an Komfort für den einzelnen Bürger und zu einer Entlastung der Stadt als Verkehrsraum führen. Hierbei gibt es folgende Herausforderungen:

1) Nutzung von Standards bei allen Verkehrsteilnehmern: Ein Standard muss sich durchsetzen und zukunftssicher sein. Da wir einerseits von Fahrzeugen, dem ÖPNV und andererseits von Fußgängern und Radfahrern sprechen, muss eine Kommunikationslösung auf dem Smartphone und im Fahrzeug gleichermaßen anwendbar sein. Eine solche Standardisierung kann als Defacto-Standard aus der Industrie erfolgen oder von der Politik mandatiert werden. Über Pilotprojekte können schon früh Vor- und Nachteile bestimmter Technologien evaluiert werden.

2) Datenverfügbarkeit: Die gewonnen Daten werden erst dann vollumfänglich für die Smart City nutzbar, wenn sie hinreichend miteinander verknüpft werden. Das Zusammenführen der Daten und das anwendungsbezogene Auswerten der Daten ist damit eine zentrale Anforderung. Beispielweise müssen Parkraumbewirtschafter ihre Daten über freie Parkplätze ebenso zur Verfügung stellen, wie die öffentlichen Transportmittel ihre Fahrpläne sowie aktuelle Anpassungen an diese. Zudem muss die Verkehrsleitzentrale die Information über die Verkehrsflüsse bereitstellen. Mit verfügbaren Informationen über Veranstaltungen und andere Rahmenparameter können auch Prognosen über den Verkehr erstellt und mittels Vernetzung intelligent analysiert werden. Künstliche Intelligenz und Deep Learning werden eine entscheidende Rolle dabei spielen. Daraus abgeleitet kann dann ein optimaler Verkehrsfluss gesteuert werden.

3) Interoperabilität: Je mehr Information zur Verfügung stehen, desto größer kann der Mehrwert bei intelligenten Analysemethoden sein. Wir haben also ein heterogenes Szenario aus vielen Stakeholdern mit unterschiedlichen Sensoren, Datenprotokollen und Analysetools und Auswerteplattformen. Auf der Sensorebene müssen alle Systeme untereinander kompatibel sein. Es darf nicht vorkommen, dass zwei Fahrzeuge zwar Daten austauschen, diese aber vom potentiellen Kommunikationspartner nicht interpretiert werden können. Die gesammelten und somit verfügbaren Daten wiederum müssen auf allen Plattformen interpretierbar sein und die Plattformen ihrerseits müssen offen sein für zusätzliche Anwendungen und Analyseanforderungen.

mm1 unterstützt seine Kunden bei den genannten Herausforderungen von der Konnektivität der Sensorebene über die Fragen der Datenhaltung- und Auswertung bis hin zur Monetarisierung und der Generierung von Mehrwert mit den gewonnen Daten: mm1 bringt Erfahrung in Hinsicht auf die agile Entwicklung möglicher Use-Cases ein, um daraus optimale Customer Experience und einen hohen Nutzen für die Bürger zu generieren. Darüber hinaus ist mm1 bei allen Fragen bezüglich der Konnektivität verschiedener Technologien sowie der Verknüpfung und Auswertung großer Datenmengen ein erfahrener
Partner.

Autor: Jörn Edlich ist Senior Manager bei mm1, der Unternehmensberatung für Connected Business in Stuttgart. Er berät Klienten im Kontext der digitalen Transformation des Unternehmens. Jörn Edlich hat langjährige Erfahrung und einen umfassenden Hintergrund im Bereich der vernetzten Fahrzeuge und in IoT-Technologien.

www.mm1.de

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