Autonome Systeme (Autonomie: altgriechisch Selbstbestimmtheit) werden die Welt in der wir leben maßgeblich verändern. Sie werden Einfluss auf unser Verständnis von Mobilität, unseren Arbeitsalltag aber auch auf unser Privatleben nehmen. Autonomie bedeutet in diesem Zusammenhang, dass wir einem System Freiheitsgrade ermöglichen, in deren Rahmen es auf Basis von Informationen – aus seiner Umwelt, aus bereitgestellten oder selbst erfassten Daten – Handlungspläne entwerfen, eigene Entscheidungen treffen und verfolgen kann. Damit stellen sie den logischen nächsten Schritt nach der Erfolgsgeschichte der Automatisierung dar.

Das Portfolio an Technologien, welches für dieses intelligente Verhalten benötigt wird, kann sein Potential bei Fahrzeugsystemen unterschiedlicher Couleur in besonderem Maße entfalten. Autonome Fahrzeugsysteme, ob an Land, zu Wasser oder in der Luft, werden zukünftig in der Lage sein, sich in dynamischen Umgebungen zu orientieren und definierte Aufgaben, ohne maßgebliche Einflussnahme durch Dritte, zu erfüllen. Durch ihre Anpassungs- und Lernfähigkeit können sie schnell eingesetzt werden und auf sich ändernde Bedingungen reagieren. Erstellte Handlungspläne und getroffene Entscheidungen basieren auf einer umfangreichen Datenlage, die für Menschen in vergleichbarer Zeit nicht zu verarbeiten wäre, was die Sicherheit und Effizienz der Fahrzeugsysteme deutlich erhöhen wird.  Doch heißt das, wir werden keine Interaktion mit diesen intelligenten Systemen benötigen?

Der Leitstand und seine Funktionen

Unter einem klassischen Leitstand, wie er noch heute bspw. in Kraftwerken zu finden ist, sind technische Einrichtungen zur Steuerung und Überwachung von (zumeist automatisierten) Prozessen zusammengefasst. Diese Einrichtungen basieren darauf, jeden Zustand und jeden Parameter, der relevant für den betrachteten Prozess oder eine Prozesskette ist, messen, regeln und steuern zu können. Damit ergibt sich ein komplexes Konstrukt, dass von hochqualifiziertem Personal betreut werden muss, um bei unerwünschten Abweichungen von Sollwerten angemessene Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Im Unterschied dazu sind autonome Systeme befähigt, bei bestimmten Problemstellungen selbst zu agieren. Ist bspw. die geplante Route eines Fahrzeugsystems blockiert, führt dies nicht zwangsläufig zu einer Fehlermeldung, die eine Interaktion mit einem Nutzer zur Folge haben muss. Das Fahrzeugsystem generiert eine neue Route und führt die begonnene Aufgabe fort. Nichtsdestotrotz gibt es Funktionen, die eine spannende und mitunter notwendige Erweiterung für autonome Fahrzeugsysteme sein können. Sie greifen den Grundgedanken eines Leitstandes auf, legen die inhaltlichen Schwerpunkte jedoch neu. 

Gleich bleibt das Ziel, einen bestimmten Vorgang zu überwachen und dem Operateur im Leitstand einen Überblick über relevante Parameter bereitzustellen. In unserem Verständnis ist dieser Vorgang, in Bezug auf autonome Fahrzeugsysteme, jedoch kein Prozess, sondern die Mission(en), welche das System erfüllen soll. Gleich bleibt auch die Notwendigkeit, bei Systemversagen eingreifen zu können. Ist ein Fahrzeugsystem selbst- oder fremdverschuldet havariert, braucht es Interaktionsmöglichkeiten aus der Ferne, die, angepasst an die Situation, zur Rückführung zum Normalzustand oder zumindest zur Überführung in einen sicheren Systemzustand beitragen. Eine Handlungsoption stellt in diesen Fällen beispielsweise die Übergabe der Kontrolle an den Operateur zur Teleoperation dar.

Anders als bei klassischen Leitstandsapplikationen muss eine auf den Anwendungsfall zugeschnittene Missionsplanung und -steuerung des Fahrzeugsystems ermöglicht werden. Neben der Festlegung des Missionsziels und der damit verbundenen Auswahl des geeigneten Systems, samt zusätzlicher Sensorik und Aktorik, die zur Erfüllung benötigt wird, müssen Einsatzgebiet und Zeitplanung hierbei Beachtung finden. Diese und weitere Eingaben führen wiederum zur Generierung einer Missionsübersicht, wodurch das Gesamtvorhaben mit allen wichtigen Informationen, wie der Routenplanung, der Missionsdauer oder Beschränkungen (z.B. aufgrund des Batteriestandes, hinterlegten geografischen Sperrbereichen, etc.) vorhergesagt werden kann. Für den zeitgleichen oder gar kooperativen Einsatz mehrerer Systeme, zum Beispiel bei Flotten oder Systemverbänden mit adaptivem Schwarmverhalten, gehört zu dieser Vorhersage auch die Kenntnis des Leitstandes über die jeweiligen Operationsmuster. Dazu bieten sich Simulationstools an, die einen umfassenden Einblick in die geplante Arbeitsweise des Systemverbundes erlauben und damit Vertrauen und Planungssicherheit beim Operateur erzeugen. 

Nach dem Start der Mission übernimmt der Leitstand vorrangig koordinative Aufgaben. Es bietet sich in bestimmten Anwendungsfällen an, Personen oder auch andere autonome Systeme, die sich im Operationsgebiet aufhalten, über Ziel, Route und Dauer der Mission zu informieren. Für Einsätze in der Luft oder auf Gewässern muss zudem ein Austausch mit den zuständigen Behörden bzw. relevanten Institutionen hergestellt werden. Für den Operateur sind eine Fortschrittskontrolle sowie die Übergabe von Systemparametern wertvoll, um sicherzustellen, dass Abweichungen vom Plan oder unvorhergesehenes Verhalten frühzeitig detektiert und etwaige Anpassungen vorgenommen werden können.

Bei komplexeren Einsatzszenarien nehmen zudem Infrastrukturkomponenten eine zentrale Rolle ein. Während beispielsweise die Kommunikationsinfrastruktur für Vehicle-to-Infrastructure Anwendungen für den Datentransfer, für komplexe Berechnungen (durch Edge Computing) oder für Lokalisierungsaufgaben eingesetzt wird, müssen physische Hürden, wie Schleusen, Brücken oder Tore, ohne menschliche Hilfe vor Ort überwunden werden können. Auch hieraus ergeben sich Aufgaben für einen Leitstand, da er in der Lage sein muss, zu erfassen, ob alle notwendigen Infrastrukturen ordnungsgemäß funktionieren. Im Fall der Hürden ist ggf. sogar ein Fernzugriff zu implementieren, um unterstützend eingreifen zu können. Denkt man dieses Szenario weiter, ergeben sich spannende Ansätze für die Verkehrsleitzentralen der Zukunft, wobei die Steuerung und Lenkung von Verkehrsflüssen um die bevorstehende Integration von autonom agierenden Teilnehmern erweitert werden muss. 

Bemerkenswert ist, dass die beschriebenen Funktionen des Leitstandes über alle Fahrzeugklassen hinweg gleichermaßen von Bedeutung sind, auch wenn sich ihre Umsetzung inhaltlich in Teilen unterscheidet. Das heißt, sowohl autonome über und unter Wasser operierende Schiffe, bodengebundene Fahrzeuge aber auch Drohnen benötigen eine Missionsplanung und -überwachung. Gleichwohl sind Havariemanagement, Integration von Infrastrukturen oder die Kommunikation mit beteiligten Stellen Querschnittsthemen, die immer mitzudenken und maßgeblich für einen sicheren Betrieb sind.

AVATUM beschäftigt sich in diesem Zusammenhang eingehend mit der Forschung und Entwicklung adäquater Funktionsmodule für autonome Fahrzeugsysteme. Wir sind davon überzeugt, dass zukünftig zahlreiche multimodale Anwendungen (u.a. autonome Logistikketten) entstehen, die von einer ganzheitlichen Steuerung und Überwachung, durch die Schaffung von Synergieeffekten, profitieren können. Aus diesem Grund arbeiten wir, über unsere Projekte hinweg, an einer modularen Plattform, die darauf ausgelegt ist, einzelne Funktionspakete jeder Fahrzeugklasse zu integrieren und zu einem multimodal arbeitendem Gesamtsystem zusammenzuführen.