Fahrerassistenzsysteme

Inhaltsverzeichnis

1 DIE VERKEHRSSITUATION IN DEUTSCHLAND UND DER STRAßENGÜTERVERKEHR ALS UMWELTBELASTUNG

2 DAS TECHNISCHE SYSTEM DER FAHRERASSISTENZ
2.1 Charakterisierung von Fahrerassistenzsystemen
2.2 Das System „Verkehr“ als Ansatzpunkt für die Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen

3 REALISIERUNG VON ENERGIEEINSPARPOTENZIALEN DURCH FAHRERASSISTENZSYSTEME IM STRAßENGÜTERVERKEHR
3.1 Fahrerassistenzsysteme mit Marktreife
3.2 Bewertung der Energieeinsparpotenziale

4 AKTUELLE ENTWICKLUNGEN IM BEREICH DER FAHRERASSISTENZSYSTEME MIT ENERGIEEINSPARPOTENZIALEN
4.1 Fahrerassistenzsysteme in der Entwicklung
4.2 Bewertung der Energieeinsparpotenziale

5 ENERGIEEINSPARUNGEN DURCH FAHRERASSISTENZSYSTEME SIND UNTER BESTIMMTEN BEDINGUNGEN REALISIERBAR

6 LITERATURVERZEICHNIS

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Wirkungsweise des adaptiven Geschwindigkeitsreglers

Abbildung 2: Die prinzipielle Funktionsweise der Satellitennavigation

Abbildung 3: Drei Schritte einer Kolonnenfahrt

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Die Verkehrssituation in Deutschland und der Straßengüter- verkehr als Umweltbelastung

Sowohl in Europa als auch in der Bundesrepublik Deutschland stieg das Verkehrsauf- kommen im Bereich des Straßengüterverkehrs in den letzten Jahrzehnten stark an. So spricht die Europäische Umweltagentur von einem Anstieg des Güterverkehrs um 30% innerhalb der europäischen Union über alle Transportarten von den frühen 90er Jahren bis zum Beginn des neuen Jahrtausends.¹ Ein noch größeres Wachstum wurde für den Straßengüterverkehr innerhalb Deutschlands im Zeitraum von 1991 bis 2005 durch das Umweltbundesamt ermittelt. Die Transportleistung in diesem Bereich erhöhte sich um 64,4%, während der Lastkraftwagenbestand um 57% auf 2,5 Mio. Stück anwuchs.²

Durch technische Neuerungen und verbesserte Kraftstoffzusammensetzungen konnte eine Verbrauchsminderung bezogen auf den einzelnen Lastkraftwagen erreicht wer- den. Dennoch stieg der Kraftstoffverbrauch des gesamten Straßengüterverkehrs um 32,2% im Zeitraum von 1991 bis 2005. Dieser Mehrverbrauch wird dem gestiegenen Transportaufkommen zugeschrieben, welches die technische Verbrauchsminderung überkompensiert.³

Die spezifischen Emissionen pro Verkehrsleistung (Tonnenkilometer) sanken im Betrachtungszeitraum durch die oben genannten Maßnahmen auf unter 1% bei den Schwefeldioxiden (SO2) und auf 77% bei Kohlenstoffdioxid (CO2). Trotzdem stiegen die CO2-Gesamtemissionen des Straßengüterverkehrs um 132% im Vergleich zu 1991. Auch hier kommt es zu einer Kompensation der technischen Maßnahmen durch ein gestiegenes Verkehrsaufkommen.⁴

Die Verkehrsprognose für 2015 des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohn- wesen bestätigt diesen Wachstumstrend für den Straßengüterverkehr. Die CO2 Emis- sionen durch Lastkraftwagen werden von 33,5 Mio. Tonnen im Jahre 1997 auf dann 9,1 Mio. Tonnen in 2015 steigen. Das gesamte CO2-Emissionsvolumen des Straßenverkehrs wird dann 178,4 Mio. Tonnen umfassen.⁵

Anhand dieser Zahlen wird deutlich, dass der Straßengüterverkehr einen großen Anteil an den ausgestoßenen Schadstoffen hat. Handlungsbedarf besteht sowohl zum Schutz der Umwelt als auch zur Einhaltung der von der Bundesregierung aufgestellten Klima- schutzziele. Ein Ansatzpunkt für diese Herausforderung wäre eine technische Assis- tenz des Fahrers zur Energieeinsparung durch eine umweltschonenden Fahrweise. Im Folgenden wird als erstes das technische System der Fahrerassistenz definiert und seine Rahmenbedingungen beschrieben. Anschließend werden die Möglichkeiten be- reits existierender und in der Entwicklung stehender Fahrerassistenzsystemen (FAS) zur Minderung von Umweltbelastungen durch den Straßengüterverkehr vorgestellt und bewertet. Abschließend wird die Frage beantwortet, ob und unter welchen Bedingun- gen Energieeinsparpotenziale durch FAS im Straßengüterverkehr realisiert werden können.

2 Das technische System der Fahrerassistenz

FAS sind aus modernen Fahrzeugen, seien es nun Personen- oder Lastkraftwagen, nicht mehr wegzudenken. Im Laufe der letzten Jahrzehnte hat die Elektronik im Kraft- wagen immer mehr an Bedeutung gewonnen und „Drive by Wire“ ist kein reines Schlagwort mehr. Siemens VDO schätzt, dass der Anteil der Elektronik an der Wert- schöpfung beim PKW von jetzt 25% auf über 30% im Jahr 2015 steigen wird. Der Markt für FAS wächst jährlich um 20% und soll in zwei Jahren eine Größe von mehr als 1 Milliarde Euro haben.⁶ Für FAS im Straßengüterverkehr dürfen geringere Zahlen angenommen werden, wobei auch hier ein Marktwachstum zu erwarten ist. Diese Zahlen belegen die Bedeutung von FAS auch in Nutzfahrzeugen. Bevor ausgewählte FAS vorgestellt und bewertet werden können, muss eine Abgrenzung des Begriffs „Fahrerassistenzsystem“ erfolgen und darauf aufbauend die Rahmenbedingungen für deren Gestaltung beschrieben werden.

2.1 Charakterisierung von Fahrerassistenzsystemen

Für den Begriff der Fahrerassistenzsysteme besteht eine Vielzahl von unterschiedli- chen Definitionen. So sprechen Wallentowitz und Reif von FAS als unterstützende und entlastende Systeme, die automatisch Funktionen aktivieren.⁷ Färber definiert FAS als Systeme, die in unmittelbarer Beziehung zur Fahraufgabe stehen.⁸ Kernpunkt bei der Definition von FAS ist die Frage, ob die Eingriffe durch das technische System über- steuerbar bleiben oder nicht. Der folgenden Arbeit wurde die Definition der Initiative Bester Beifahrer zu Grunde gelegt. Sie beschreibt FAS als einen Überbegriff für alle Komponenten, die den Fahrer unterstützen, grenzt diesen Begriff aber weiter ein. So zählen technische Systeme nur dann zu den FAS, wenn die Verantwortung beim Fah- rer verbleibt und er jeder Zeit aktiv in das Fahrgeschehen eingreifen kann. Das FAS bleibt übersteuerbar.⁹ Ist diese Übersteuerung nicht möglich, so wird von Fahrassis- tenzsystemen gesprochen. Ein Beispiel hierfür wäre das Antiblockiersystem (ABS).

Dieser Logik folgt auch die Definition von Happe bzw. des Verbands deutscher Ingenieure e.V., der FAS „als technische Einrichtung im Fahrzeug, die den Fahrer bei der Durchführung der Fahraufgabe unterstützt“ beschreibt.¹⁰ Ein drittes Konzept sind die Fahrerinformationssysteme, welche nur in einem mittelbaren Zusammenhang zur Fahraufgabe stehen. Sie übernehmen ausschließlich die Aufgabe der Fahrerinformation, greifen aber nicht in den Bewegungsablauf des Fahrzeugs ein.¹¹

Auch bei der Gruppierung von FAS existieren unterschiedliche Konzepte. Bei Wallen- towitz und Reif erfolgt die Einteilung von FAS über die Reichweite der eingesetzten Sensoren. In den Vorausschaubereich fallen sowohl die Fahrerinformationssysteme als auch ein Teil der prädikativen FAS. Sie erfassen Objekte in der Fahrzeugumgebung. Fahrzeugkommunikationssysteme, z.B. die Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation, sind in den Kommunikationsbereich einzuordnen. Die dritte Gruppe agiert im sensierbaren Bereich. Hier ist der zweite Teil der prädikativen FAS anzusiedeln. Der letzte Bereich umfasst FAS, die ihren Input vom oder im Fahrzeug selbst bekommen. Hierzu zählen Systeme zur Fahrzeugstabilisierung und zur Fahrerzustandserkennung.¹² Wesentlich gebräuchlicher ist die Einteilung der verschiedenen FAS nach dem 3-Ebenen Modell von Rasmussen. Diese Ebenen basieren auf den Aufgaben des Fahrers, bestehend aus Navigations- bzw. Planungsebene, Manöverebene und Handlingebene. Das Mo- dell wird bei Färber und Ebersbach beschrieben.^{13 14} Für die letzen beiden Ebenen sind auch die Begriffe Führungsebene und Stabilisierungsebene gebräuchlich.¹⁵ Zu erwähnen ist, dass die dritte Ebene Systeme umfasst, die schneller als der Fahrer rea- gieren und oft nicht mehr übersteuerbar sind. Sie stimmen also nicht mit der weiter oben im Text gewählten Definition überein. Ein Beispiel hierfür wäre das Antiblockier- system. Eine dritte häufig gewählte Einteilung liegt der Grad der Fahrerunterstützung zu Grunde. So gibt es Systeme, die den Fahrer warnen und informieren, verbindliche Anweisungen geben, Korrekturen vornehmen oder ganz die Fahraufgabe überneh men.¹⁶ Auch hier wird eine kritische Überprüfung anhand der gewählten Definition nö- tig.

Offensichtlich gibt es eine ganze Reihe von Definitionen und Gliederungsmöglichkeiten für FAS, wobei die oben beschriebenen lediglich eine kleine Übersicht über die verschiedenen Meinungen widerspiegeln. Der nächste Schritt beinhaltet eine Beschreibung der Modellierungsumgebung für FAS.

2.2 Das System „Verkehr“ als Ansatzpunkt für die Entwicklung von Fah- rerassistenzsystemen

Um eine dauerhafte Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zu erreichen, darf das Fahr- zeug nicht gesondert betrachtet, sondern muss in einem Gesamtsystem bestehend aus Fahrzeug, Fahrer und Verkehrsumgebung gesehen werden. In den letzten Jahr- zehnten stand vor allem das Fahrzeug im Fokus von Verbesserungen. Hier wurden neue Antriebskonzepte und Methoden zur Minimierung des Energieverbrauchs, z.B. durch einen geringeren Laufwiderstand der Räder, entwickelt.¹⁷ Allerdings scheinen die Möglichkeiten, die durch rein mechanisch-technische Verbesserungen erreicht werden können, beschränkt. Da die Verkehrsumgebung zum einen die Fahrweise stark beein- flusst und zum anderen nur schwer in kurzer Zeit verändert werden kann, erscheint der Fahrer mit den größten Energieeinsparpotenzialen. Hier müssen Systeme ansetzen, um eine dauerhafte Emissionsreduzierung des Straßengüterverkehrs zu erzielen. Die- ser Überlegung folgt auch die Vorstellung von Dilling zitiert bei Ebersbach, die den Verkehr als Regelkreis Fahrer-Fahrzeug-Straße mit dem Regler Fahrer sieht. Der Fah- rer erfüllt die Fahraufgabe, bestehend aus den Teilaufgaben Navigation, Stabilisierung des Fahrzeugs und Wahl der Führungsgrößen (hier: Wahl der Fahrweise), basierend auf seinen Wahrnehmungen. Somit ist der Fahrer die wichtigste Komponente im Re- gelkreis. Er ist es, der die anderen zwei Komponenten steuern und beeinflussen kann.¹⁸

Eine Anpassung der Fahrweise an die Verkehrsgegebenheiten erscheint als die er- folgsversprechendste Maßnahme zur Reduzierung der Belastungen durch den Ver- kehr. Einige Studien im Personenkraftverkehr bestätigen diese Vermutung. Der Verbrauchsunterschied kann bei bis zu 50% zwischen einem sehr dynamischen und einem sehr vorausschauenden Fahrer liegen.¹⁹ Neunziger führt Studien der Audi AG und der Adam Opel AG auf, bei denen durch eine vorausschauende Fahrweise der Treibstoffverbrauch um bis zu 37% im Überlandverkehr verringert werden konnte.²⁰ Dies ist vor allem in dem Zusammenhang interessant, da es sich beim Straßengüter- verkehr nur in seltenen Fällen um innerstädtischen Verkehr handelt.

Bevor FAS zur Unterstützung des Fahrers bei einer umweltschonenden Fahrweise entwickelt werden können, muss als erstes eine solche Fahrweise für Nutzfahrzeuge identifiziert werden. Diese unterscheidet sich in einigen Punkten von der Fahrweise eines Personenkraftwagens. Z.B. gibt es für Lastkraftwagen bereits einheitliche Ge- schwindigkeitsbeschränkungen und auch das Ausschalten des Motors bei Stopps von mehr als 15 Sekunden erscheint wegen der wenigen Stadtfahrten als nicht zielführend. Ein Ansatz könnte die Vermeidung von häufigem und starkem Abbremsen und Anfah- ren sein, da hierbei kinetische Energie sofort wieder in Wärme umgewandelt wird und so der Verbrauch steigt.²¹ In diesem Zusammenhang führt Neunziger auch noch das Fahren in einem niedrigen Drehzahlbereich und das zügige Hochschalten der Gänge auf, um den Verbrauch an Kraftstoffen zu reduzieren.²² Spezielle Verhaltensweisen für Nutzfahrzeuge wurden von der Zeitschrift „natur+kosmos“ zusammengestellt. Zu nen- nen wären die Ausnutzung des Schubs und der Masse bei Anstiegen so wie das „Rol- len“ bergab. Außerdem wird zusätzlich das Überspringen von Gängen und das zügige Erreichen der Reisegeschwindigkeit aufgeführt.²³

An der Unterstützung dieser Verhaltensweisen müssen FAS ansetzen, um den Fahrer bei einer vorausschauenden und verbrauchsmindernden Fahrweise zu unterstützen.

[...]

¹ vgl. Europäische Umweltagentur (2004), S. 1

² vgl. Umweltbundesamt (2007)

³ vgl. Umweltbundesamt (2007)

⁴ vgl. Umweltbundesamt (2007)

⁵ vgl. Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnwesen (2001), S. 340

⁶ vgl. Siemens VDO (2005)

⁷ vgl. Wallentowitz und Reif (2006), S. 405

⁸ vgl. Färber (2005), S. 141

⁹ vgl. Initiative Bester Beifahrer (o.J.)

¹⁰ VDI e.V. (2004), S. 132

¹¹ vgl. Färber (2005), S. 1

¹² vgl. Wallentowitz und Reif (2006), S. 1-2

¹³ vgl. Färber (2005), S. 1

¹⁴ vgl. Ebersbach (2006), S. 9

¹⁵ vgl. Malek (2001), S .3

¹⁶ vgl. Malek (2001), S. 3

¹⁷ vgl. Neunziger (2003), S. 19-20

¹⁸ vgl. Ebersbach (2006), S. 4

¹⁹ vgl. Studie von Kraxner (1997) zitiert bei Neunziger (2003), S. 20

²⁰ vgl. Neunziger (2002), S. 5-6

²¹ vgl. DEKRA (o.J.)

²² vgl. Neunziger (2002), S. 5

²³ vgl. Natur + Kosmos (2008), S. 2-3