Verkehr : Wenn die Fußgängerampel intelligent mitdenkt

Die Technische Universität Graz hat nach einer dreijährigen Entwicklungsphase eine innovative Ampel entwickelt, die die Absicht von Fußgängern die Straße zu überqueren zu wollen automatisch erkennt. Dadurch sollen einerseits nicht nur unangenehme Wartezeiten für Fußgänger und Autofahrer reduziert, sondern auch Ungeduldige davon abgehalten werden, bei Rot über die Straße zu laufen. Ampelanlagen mit Druckknopf gibt es zum Beispiel in Wien zwar rund 200, doch das Zeitintervall, bis von Rot auf Grün umgeschalten wird, ist vielen lästig.

Für manche sind die Druckknopfampeln wiederum eine Einladung, die Grünphase im Vorbeigehen aus Spaß auszulösen und den motorisierten Verkehrsfluss auf der Straße zu stören. Was wiederum für Ärger und Frust bei den Autofahrern sorgt. Aus diesem Grund hat die Magistratsabteilung 33 der Stadt Wien - zuständig für die städtische Beleuchtung sowie für Ampeln, Uhren und öffentliche WLAN-Stationen - dem Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen der TU Graz den Auftrag erteilt, ein neues Ampelsystem zu entwickeln, mit dem die Druckknopfampeln auf lange Sicht ersetzt werden sollen.

Der Clou: Das innovative kamerabasierte System erkennt die Absicht von Fußgängern die Straße überqueren vollkommen automatisch und leitet umgehend die Grünphase ein. Darüber hinaus bereitet es die Straße für weitere Verkehrsoptimierungen vor, wie Horst Possegger vom Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen anhand zweier Beispiele erklärt: „Bei größeren Personengruppen kann die Grünphase automatisch verlängert werden, da diese mehr Zeit benötigen, um die Straße zu queren. Und wenn Personen den Wartebereich vorzeitig verlassen, wird das an die Ampel gemeldet. Diese leitet folglich keine Grünphase ein und es kommt zu keinen unnötigen Wartezeiten für den motorisierten Verkehr.“

Zentrales Element ist eine an der Ampel montierte Kamera. Nichts Unbekanntes. Doch während Standard-Industrielösungen nur ein zwei mal drei Meter großes Sichtfeld abdecken, nimmt dieses System alle Personen innerhalb eines acht mal fünf Meter großen Bereiches wahr. Dadurch erkennt es in Sekundenschnelle, wer die Straße queren möchte. „Für eine erste Intentionsschätzung benötigt das System eine Sekunde - verlässlich ist die Schätzung schon nach zwei Sekunden“, erklärt Possegger. Anschließend meldet das System den Kreuzungswunsch an den Ampel-Controller. Dieser entscheidet - genau wie beim herkömmlichen Drucktastersystem - wann die Ampelschaltung erfolgt. „Mit der derzeitigen Konfiguration meldet unser System den Kreuzungswunsch drei bis vier Sekunden bevor der Druckknopf betätigt wird“, so Possegger.

Horst Possegger weiß, dass das simpel klingt, doch „es waren zwei Jahre intensive Forschungsarbeit nötig, zumal die Anforderungen vielfältig waren“. Die Hardware musste groß genug sein für einen leistungsstarken lokalen Rechner, gleichzeitig aber so klein wie möglich gebaut werden, um im Schaltkasten der Ampel Platz zu haben. Bei der Software waren Genauigkeit und Effizienz gefragt. Außerdem wurde das Programm zusätzlich mit einer Systemüberwachung ausgestattet, die Ausfälle rechtzeitig meldet. „Das ist eine doppelte Absicherung. Das System wurde so entwickelt, dass es selbst in rauer Umgebung rund um die Uhr funktioniert und auch mit Spannungsspitzen und Spannungsabfällen fertig wird“, erklärt Possegger.

Anhand globaler Bewegungsmodelle und aufgezeichneter Daten entwickelte das Forschungsteam lernende Algorithmen, die den Querungswunsch von Fußgängern erkennen. Sorgen hinsichtlich des Datenschutzes kann Possegger entkräften. Die Bilddaten sind zwar zwingend notwendig, um Fußgängerinnen und Fußgänger - darunter auch Kinder, sowie Personen mit Regenschirmen oder Kinderwägen - detektieren zu können. Die Bilder werden hierfür aber direkt lokal analysiert und verlassen die Kamera nicht.

Die Ampelsysteme arbeitet ausschließlich mit geometrischer Information, aus der es den Kreuzungswunsch ableitet. Das gesammelte Wissen geben die Forschenden des Instituts für Maschinelles Sehen und Darstellen der TU Graz an die Firma Günther Pichler weiter. Das Unternehmen ist für die Installation im Wiener Stadtgebiet verantwortlich und wird einige Druckknopfampeln zur Evaluierung durch das neue Kamerasystem bis Ende 2020 ersetzen.

In Deutschland führt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) derzeit entlang der Autobahn 39 östlich von Braunschweig ein Projekt durch, bei dem gesammelte Realdaten aus dem Verkehr künftig das Mobilitätsverhalten verbessern sollen. Damit dies Wirklichkeit werden kann, müssen sowohl die Forschung an den Technologien für Fahrzeuge und Verkehrsraum vorangetrieben werden als auch eine Überprüfung sämtlicher Konzepte auf ihre Machbarkeit und Sicherheit hin erfolgen.

Die Forschungsplattform Testfeld Niedersachsen ist ein Werkzeug für diesen Zweck. Dafür muss das Testfeld zunächst einmal auf die zweite Phase vorbereitet werden. Zunächst beseitigt die niedersächsische Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr für die Dauer von fünf Monaten zwischen Cremlingen und Scheppau Böschungsrutschungen. Gleichzeitig installiert sie die technische Infrastruktur für das Testfeld Niedersachsen: Sie legen die Kabeltrassen und errichten 71 Masten für die Erfassungstechnik sowie Stationen für die Komponenten zur lokalen Datenverarbeitung in Echtzeit. Der Startschuss fiel am 2. Mai dieses Jahres.

Nach Fertigstellung dieser Phase des Testfelds Niedersachsen werden Daten zu Verkehrsaufkommen und Bewegungsdynamik auf dem Streckenabschnitt hauptsächlich mit Kameras erhoben. Sie werden den Verkehr aus der "Vogelperspektive" von den Masten aus beobachten. Damit dies datenschutzkonform geschieht, wird das Verkehrsgeschehen anonymisiert erfasst, Bilder werden nicht gespeichert. Mit der Plattform werden Informationen aus realen Verkehrssituationen im großen Maßstab gewonnen, miteinander verknüpft und ausgewertet. Eine wichtige Verwendungsform dieser Realdaten nennen Wissenschaftler „Ground-Truth“. Dabei werden die Daten als Referenz für Überprüfungs- und Bewertungsaufgaben genutzt. Die hieraus gewonnen Kenntnisse dienen dazu, Fahrerassistenzfunktionen und die Verkehrssicherheit mit neuen technischen Ansätzen zu verbessern.

Realdaten dienen auch dazu, hochwertige Simulationen zu entwickeln, die zukünftig so realitätsgetreu werden sollen, dass sie Messungen und Testfahrten im realen Verkehr zum Teil ersetzen können. Für den Aufbau dieser Funktionalitäten werden zielgerichtet Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) verwendet und in die automatisierten Werkzeugketten eingebaut. Das Testfeld Niedersachsen erstreckt sich nach seinem vollständigen Aufbau über rund 280 Kilometer auf den Autobahnen A2, A39, A391 sowie mehrere Bundes- und Landstraßen. Es ist die Weiterentwicklung von AIM (Anwendungsplattform Intelligente Mobilität).

Seit der Fertigstellung 2014 betreibt das DLR im Zusammenhang mit AIM unter anderem eine Forschungskreuzung in Braunschweig, eine Teststrecke auf dem Innenstadtring sowie verschiedene Simulatoren und spezielle Laboreinrichtungen. Mit der sukzessiven Erweiterung um Autobahnen, Bundes- und Landstraßen knüpfen die Mobilitätsforscher an die bestehende Testinfrastruktur für automatisierte und vernetzte Fahrzeugtechnologien an. Als offene Forschungsplattform ist das Testfeld Niedersachsen für wissenschaftliche Einrichtungen und weitere industrielle Partner nutzbar.

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