21 Neli Ovcharova Methodik zur Nutzenanalyse und Optimierung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme Neli Ovcharova Methodik zur Nutzenanalyse und Optimierung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme Karlsruher Schriftenreihe Fahrzeugsystemtechnik Band 21 Herausgeber FAST Institut für Fahrzeugsystemtechnik Prof. Dr. rer. nat. Frank Gauterin Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer Prof. Dr.-Ing. Peter Gratzfeld Prof. Dr.-Ing. Frank Henning Das Institut für Fahrzeugsystemtechnik besteht aus den eigen- ständigen Lehrstühlen für Bahnsystemtechnik, Fahrzeugtechnik, Leichtbautechnologie und Mobile Arbeitsmaschinen Eine Übersicht über alle bisher in dieser Schriftenreihe erschienenen Bände finden Sie am Ende des Buchs. Methodik zur Nutzenanalyse und Optimierung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme von Neli Ovcharova Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Fakultät für Maschinenbau, 2013 Print on Demand 2014 ISSN 1869-6058 ISBN 978-3-7315-0176-3 DOI: 10.5445/KSP/1000038455 This document – excluding the cover – is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 DE License (CC BY-SA 3.0 DE): http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/ The cover page is licensed under the Creative Commons Attribution-No Derivatives 3.0 DE License (CC BY-ND 3.0 DE): http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/de/ Impressum Karlsruher Institut für Technologie (KIT) KIT Scientific Publishing Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe KIT Scientific Publishing is a registered trademark of Karlsruhe Institute of Technology. Reprint using the book cover is not allowed. www.ksp.kit.edu Vorwort des Herausgebers Die Fahrzeugtechnik ist gegenwärtig großen Veränderungen unterworfen. Klimawandel, die Verknappung einiger für Fahrzeugbau und – betrieb be- nötigter Rohstoffe, globaler Wettbewerb und das rapide Wachstum großer Städte erfordern neue Mobilitätslösungen, die vielfach eine Neudefinition des Fahrzeugs erforderlich machen. Die Forderungen nach Steigerung der Energieeffizienz, Emissionsreduktion, erhöhter Fahr- und Arbeitssicher- heit, Benutzerfreundlichkeit und angemessenen Kosten finden ihre Antwor- ten nicht aus der singulären Verbesserung einzelner technischer Elemente, sondern benötigen Systemverständnis und eine domänenübergreifende Optimierung der Lösungen. Hierzu will die Karlsruher Schriftenreihe für Fahrzeugsystemtechnik einen Beitrag leisten. Für die Fahrzeuggattungen Pkw, Nfz, Mobile Arbeitsma- schinen und Bahnfahrzeuge werden Forschungsarbeiten vorgestellt, die Fahrzeugsystemtechnik auf vier Ebenen beleuchten: das Fahrzeug als kom- plexes mechatronisches System, die Fahrer-Fahrzeug-Interaktion, das Fahrzeug in Verkehr und Infrastruktur sowie das Fahrzeug in Gesellschaft und Umwelt. Fahrerassistenzsysteme unterstützen den Fahrer bei der Durchführung seiner Fahraufgabe und sind besonders wertvoll in sicherheitskritischen Situationen. Sie bieten das Potenzial einer erheblichen Reduzierung von Verkehrsunfällen. Wie bei allen Sicherheitssystemen in Fahrzeugen ist der Nachweis der Steigerung der Fahrsicherheit nicht einfach zu führen, da sich Realversuche verbieten und die Auswertung von Unfalldaten bei einer anfänglich nur geringen Marktdurchdringung keine signifikanten Resultate liefert. Es besteht demnach ein Bedarf an effizienten und qualitativ hoch- wertigen Methoden, um repräsentative Aussagen über den Sicherheitsge- winn durch Assistenzsysteme treffen zu können. Vorwort des Herausgebers Der vorliegende Band stellt hierzu eine Vorgehensweise vor, die auf Re- konstruktion realer Unfallhergänge basierende Simulation und Probanden- versuche im dynamischen Fahrsimulator zur Verbesserung der in der Simu- lation verwendeten Menschmodelle kombiniert. Die Methodik erlaubt den Nachweis des Nutzens und die Verbesserung von Fahrerassistenzsystemen hinsichtlich ihrer Einzel- und Gesamtfunktionen. Sie wird am Beispiel eines Bremsassistenten ausführlich dargestellt. Karlsruhe, Frank Gauterin im Dezember 2013 Methodik zur Nutzenanalyse und Optimierung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme Zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften der Fakultät für Maschinenbau Karlsruher Institut für Technologie (KIT) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Neli Ovcharova Tag der mündlichen Prüfung: 16.12.13 Hauptreferent: Prof. Dr. rer. nat. Frank Gauterin Korreferent: Prof. Dr.-Ing. habil. Peter M. Knoll i Kurzfassung Die vorliegende Arbeit stellt einen neuartigen Ansatz zur Nutzenbewertung und -optimierung von sicherheitsrelevanten Fahrerassistenzsystemen vor. Zunächst werden allgemeine Anforderungen der Methodik hergeleitet, dementsprechend existierende Bewertungsvorgehensweisen analysiert und die Notwendigkeit einer neuen Methode begründet. Basierend auf diesen Anforderungen wird das Konzept der neuen Nutzenbewertungsmethodik entwickelt. Die neuentwickelte Methodik verbindet nutzerorientierte Ver- suche und Analysen von realen Unfällen in ihrer Gesamtheit. Durch detail- lierte, reale Daten aus einer Unfalldatenbank kann das Unfallgeschehen nachgebildet werden. Anhand nutzerorientierter Versuchsdaten kann die Fahrerinteraktion mit dem System in einem hohen Detaillierungsgrad un- tersucht und die daraus resultierenden Zusammenhänge zum Fahrerreakti- onsverhalten in Form eines Fahrermodells extrahiert werden. Durch die Kombination von Unfalldaten und nutzerorientierten Versuchen kann eine hohe interne und externe Validität erzielt werden. Mit überschaubaren Kosten und Aufwand kann eine umfangreiche, detaillierte und aussagekräf- tige Nutzenanalyse durchgeführt werden. Ein weiterer Aspekt der neuen Methodik ist die Nutzensteigerung. Die vorliegende Arbeit leitet eine Vorgehensweise zur Ermittlung des Optimie- rungspotenzials eines Systems anhand einer Detailnutzenanalyse ab. Mit- hilfe der vorgestellten Vorgehensweise zur Systemverbesserung anhand nutzerorientierten Untersuchungen können neue Erkenntnisse zur Fahrerin- teraktion gewonnen werden, die zur Erweiterung des abgeleiteten Fahrer- modell verwendet werden können. Die neuentwickelte Methode wird am Beispiel eines Notbremsassisten- ten angewendet, sein Nutzen ermittelt und Vorschläge zu seiner Nutzen- steigerung abgeleitet. Vorwort des Herausgebers Abstract iii Abstract This dissertation introduces a new approach for benefit investigation and improvement of safety relevant driver assistance systems. Through the derivation of general requirements for the methodology existing benefit investigation methods are analyzed and respectively the necessity of a new approach is established. The concept of the new methodology for benefit investigation is developed based on the derived requirements. The new methodology combines user-based test with the accident analysis of real road accident data. Detailed real road accident data from accident database are used for the simulation of the collision evolution. By means of user- based test data the driver interaction with the system can be evaluated and in a driver model their relation to the driver reaction can be extracted. The combination of accident data and user-based tests leads to a high internal and external validity. A detailed, extensive and meaningful benefit investi- gation can be performed for manageable cost and effort. The second aspect of the new methodology is the benefit improvement. This work introduces an approach for the determination of the optimization potential of the system with a detail benefit investigation. A method for system optimization through user-based experiments can provide new findings regarding the driver reaction, which can be used for upgrading the derived driver model. The new developed methodology is applied on an advanced emergency braking system. Its benefit is determined and proposal for its benefit in- creasing is derived. Abstract v Danksagung Diese Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als Doktorandin bei der Robert Bosch GmbH in Leonberg. Mein herzlicher Dank gilt Herrn Prof. Dr. rer. nat. Frank Gauterin, Lei- ter des Lehrstuhls für Fahrzeugtechnik am Institut für Fahrzeugsystemtech- nik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) für die wertvollen Anre- gungen, kritischen Rückfragen und die sorgfältige Durchsicht der Arbeit sowie für die Übernahme des Hauptreferats. Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Peter M. Knoll danke ich für die übernommene Durchführung des Korrefe- rats und für sein Interesse an dieser Arbeit. Frau Prof. Dr.-Ing. Barbara Deml möchte ich für die übernahme des Prüfungsvorsitzes danken. Ein besonderer Dank geht an Herrn Dr. Stefan Benz, Herrn Dr. Werner Uhler und Herrn Dr. Michael Fausten für die zahlreichen Diskussionen und Hinweise, die mich zum Weiterdenken motivierten und mir Unterstützung für Entscheidungen in komplexen Situationen gaben. Diese Arbeit wäre ohne das Mitwirken zahlreicher Abschlussarbeiter und Praktikanten nicht möglich gewesen. Vielen Dank für Eure Unterstüt- zung. Meinen Eltern und meinem Bruder danke ich für die Begleitung durch meine Ausbildung und die Unterstützung meines Berufsweges. Meinem Mann Simon danke ich für den Beistand, die Geduld und den Rückhalt in schwierigen Zeiten. Stuttgart, Neli Ovcharova im November 2013 Danksagung Inhaltsverzeichnis vii Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung ..........................................................................................1 2. Stand der Forschung und Technik ..................................................5 2.1 Der Mensch im Fahrzeug ............................................................5 2.2 Einführung in die Fahrerassistenzsysteme ..................................8 2.2.1 Sensoren für Fahrerassistenzsysteme zur Umfelderkennung .............................................................10 2.2.2 Der Notbremsassistent Predictive Emergency Braking System (PEBS) .................................................................13 2.3 Fahrer-Fahrzeug-Interaktion in kritischen Situationen.............15 2.3.1 Fahrerinteraktion mit Kollisionswarnsystemen ...............16 2.3.2 Fahrerinteraktion mit automatischen Systemeingriffen ...23 2.4 Grundlagen der Fahrermodelle .................................................27 2.4.1 Deskriptive Modelle ........................................................28 2.4.2 Motivationsbasierte Modelle ...........................................29 2.4.3 Anwendungsorientierte Modelle .....................................34 2.5 Grundlagen zur Nutzenbewertung von Assistenzsystemen ........37 2.5.1 Nutzendefinition ..............................................................38 2.5.2 Bewertungsmethoden durch Datenanalyse von Unfalldatenbanken ............................................................39 2.5.3 Bewertungsmethoden mit Versuchen im realen Straßenverkehr ..................................................................49 2.5.4 Bewertungsmethoden mit Versuchen auf Testgeländen ..51 2.5.5 Bewertungsmethoden mit Versuchen im Fahrsimulator ..54 2.5.6 Zusammenfassung und Begründung der Notwendigkeit einer neuen Methodik zur Nutzenuntersuchung und -Optimierung ............................56 Inhaltsverzeichnis viii 3. Konzeption einer Methodik zur Nutzenanalyse und Optimierung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme ...... 61 3.1 Anforderung an die Methodik .................................................... 61 3.2 Bewertung existierender Methoden ........................................... 63 3.2.1 Bewertung der Methode von Busch ................................ 63 3.2.2 Bewertung der Methode von Khanafer et al.................... 64 3.2.3 Bewertung der Methode von Georgi et al. ...................... 64 3.2.4 Bewertung der Methode von Kopischke ......................... 65 3.2.5 Bewertung der Methode von Hoffmann .......................... 65 3.2.6 Bewertung der Methode von Fach & Breuer .................. 66 3.2.7 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ....................... 67 3.3 Konzeption der neuen Methodik ................................................ 67 4. Nutzenuntersuchung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme mit der neuentwickelten Methodik ...... 71 4.1 Analysen realer Unfälle............................................................. 71 4.1.1 Theoretische Betrachtung ................................................ 71 4.1.2 Unfalldatenanalyse am Beispiel von PEBS ..................... 74 4.1.3 Zusammenfassung ........................................................... 88 4.2 Nutzerorientierte Untersuchungen ............................................ 89 4.2.1 Theoretische Betrachtung ................................................ 89 4.2.2 Nutzerorientierte Untersuchung am Beispiel von PEBS . 97 4.2.3 Zusammenfassung ......................................................... 118 4.3 Nutzenbewertung von Fahrerassistenzsystemen durch Datenfusion ............................................................................ 119 4.3.1 Theoretische Betrachtung .............................................. 119 4.3.2 Anwendung der neuentwickelten Vorgehensweise am Beispiel von PEBS ......................................................... 123 4.3.3 Zusammenfassung ......................................................... 132 5. Nutzenoptimierung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsystemen mithilfe der neuentwickelten Methodik ....................................................................................... 135 Inhaltsverzeichnis ix 5.1 Identifikation des Verbesserungspotenzials von sicherheitskritischen FAS .......................................................135 5.1.1 Vorgehensweise zur Ermittlung des Optimierungspotenzials anhand empirischer Untersuchungen ..............................................................136 5.1.2 Ermittlung des Optimierungspotenzials von PEBS .......139 5.1.3 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ......................152 5.2 Maßnahmen zur Verbesserung von Fahrerassistenzsystemen .154 5.2.1 Vorgehensweise zur Optimierung von FAS ..................154 5.2.2 Untersuchung des Verbesserungspotenzials der Kollisionswarnung von PEBS durch Anpassung an die Fahreraufmerksamkeit ....................................................156 5.3 Nutzenbestimmung eines Fahrerassistenzsystems mit optimiertem Fahrermodell ......................................................228 5.3.1 Vorgehensweise zur Verbesserung des Fahrermodells und Bestimmung des Nutzens eines Fahrerassistenzsystems ...................................................228 5.3.2 Ableitung eines allgemeinen Fahrermodells ..................229 5.3.3 Erweiterungs- und Optimierungsmöglichkeiten des Fahrermodells für PEBS anhand des Fahrerzustands .....240 5.3.4 Nutzenbestimmung von PEBS unter Anwendung des erweiterten Fahrermodells ..............................................251 5.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ................................263 6. Zusammenfassung ........................................................................265 7. Ausblick .........................................................................................269 A Abbildungsverzeichnis .................................................................271 B Tabellenverzeichnis ......................................................................283 C Literaturverzeichnis .....................................................................285 D Anhang ..........................................................................................315 D.1 Skala für die Bewertung der Methoden zur Nutzenuntersuchung ...............................................................315 Inhaltsverzeichnis x D.2 Gewichtung der Fahrerreaktionen nach den Georgi et al. Fahrermodell ......................................................................... 316 D.3 Fragebögen der Probandenstudie im DLR-Fahrsimulator ..... 317 D.4 Fragebögen der Voruntersuchungen in Leonberger Simulator ................................................................................ 323 D.5 HMI-Vergleich der Voruntersuchungen im Leonberger Simulator ................................................................................ 327 D.6 Fragebögen der Probandenstudie in dynamischen Simulator des WIVW ............................................................................... 329 D.7 Bewertungsskala Fahrermodell-Bewertung ............................ 331 D.8 Weibull-Verteilung .................................................................. 331 D.9 Bremsverlauf WIVW-Studie ..................................................... 349 D.10 Verteilung Unfallschwere bei den unterschiedlichen Warnkonzepten ....................................................................... 354