Smart Traffic: Lidar-Sensoren erkennen frühzeitig den Stau

Dank der Lidar-Technik ist es möglich, in urbanen Gebieten den Stau frühzeitig zu erkennen. Lidar-Sensoren lassen sich nicht nur in Fahrzeuge verbauen, sondern in die Infrastruktur wie einer Ampel.

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Rushhour in einer Großstadt kostet Zeit und Nerven. Denn zur Hauptgeschäftszeit herrscht Stau. Das lässt sich auch mit Zahlen belegen: Im Durchschnitt standen die Deutschen im Jahr 2018 ganze 120 Stunden im Stau. Das ist nicht nur für die Autofahrer ärgerlich und beeinträchtigt die Lebensqualität, sondern wirkt sich auf die Wirtschaft aus. Deutschland gehen durch Stau im Jahr mehrere Milliarden Euro verloren – Mitarbeiter stehen im Stau, statt zu arbeiten, Lieferungen kommen zu spät, es wird mehr Benzin verbraucht. Hinzu kommt die Belastung der Umwelt durch den vermehrten CO₂-Ausstoß.

Es stellt sich schnell die Frage, wie ein Stau entsteht und wie sich dieser bekämpfen lässt. Stau ist ein verteiltes Problem, das dadurch entsteht, dass jeder Verkehrsteilnehmer für sich optimiert sein Fahrzeug steuert. Er schließt beispielsweise zum vorausfahrenden Auto auf oder wechselt die Spur – was immer ihm als Möglichkeit erscheint, schneller an sein Ziel zu kommen. Wie er damit den Verkehr um ihn herum beeinflusst, nimmt der einzelne Verkehrsteilnehmer nicht wahr, da er nur seine eigenen Handlungen überblicken kann. Dass ein auf-die-Bremse-steigen auf der Autobahn drei Kilometer hinter dem bremsenden Fahrzeug einen Stau auslösen kann, kann der Autofahrer selber gar nicht registrieren.

Radar oder Lidar-Sensoren erfassen die Umgebung

An diesem Punkt muss angesetzt werden: Was die Einzelperson nicht überblicken kann, muss in der Verkehrsplanung und -steuerung angepasst werden, um den Verkehrsfluss zu optimieren. Die Lösung liegt darin, präemptiv und verteilt, also vorausschauend und über den einzelnen Teilnehmer hinaus, den Verkehr zu regeln. Dafür ist ein Gesamtüberblick über die Verkehrssituation nötig. Mit Mit GPS lassen sich die Bewegungsdaten der Verkehrsteilnehmer sammeln und über Algorithmen auswerten. Somit ist es möglich, recht zuverlässig einen Stau zu melden. Ihn zu antizipieren oder Fußgänger und Radfahrer zu berücksichtigen, übersteigt allerdings die Möglichkeiten von GPS. Eine Alternative ist daher die Infrastruktur mit Radar- oder Lidar-Sensoren und Kameras auszustatten, statt, wie im Fall von GPS, Verkehrsinformationen mithilfe der Verkehrsteilnehmer zu sammeln. Damit die Infrastruktur erfasst werden kann, werden die Geräte in Ampeln, Straßenlaternen oder Verkehrsschilder eingebaut und erfassen von dort aus ihr Umfeld.

Kameras haben dabei jedoch den Nachteil, dass sie die erfassten Daten lediglich in 2D zur Verfügung stellen und sie zudem bei der Aufzeichnung und Speicherung von personenbezogenen Daten schnell in eine datenschutzrechtliche Grauzone kommen. Eine zweite mögliche Methode wäre die Überwachung durch Radar. Mit Radar wird bisher hauptsächlich die Geschwindigkeit der Fahrzeuge überwacht. Die Radar-Technik lässt sich aber auch dazu verwenden, den Verkehr zu überwachen. Jedoch liefert Radar nur ein sehr ungenaues Bild und keine tiefergehenden Informationen über die Verkehrsteilnehmer an sich: Radar identifiziert zwar Objekte, ist aber aufgrund der fehlenden Detailtiefe nicht in der Lage, diese zu klassifizieren. Mit Radar-Daten lässt sich also beispielsweise nicht zuverlässig zwischen Fußgänger und Radfahrer unterscheiden.

Lidar liefert zuverlässige 3D-Informationen

Lidar ist hingegen in der Lage, sehr präzise zwischen allen Verkehrsteilnehmern zu unterscheiden. Die Lidar-Sensoren liefern detaillierte und zuverlässige 3D-Informationen, die es ermöglichen, etwa zwischen Auto, Motorrad, Fahrrad und Fußgänger zu unterscheiden. Dabei kann zwar erkannt werden, ob es sich bei der 3D-Punktwolke um einen Fußgänger oder Radfahrer handelt, allerdings ist die individuelle Identifizierung von einzelnen Personen nicht möglich, was die Privatsphäre der Verkehrsteilnehmer im Vergleich zur Kamera schützt. Zudem können Lidar-Sensoren bei allen Wetterbedingungen und Lichtverhältnissen zuverlässig eingesetzt werden. Dunkelheit, Staub oder Nebel machen der Technik nichts aus. Neben Positions- und Objektinformationen können die Sensoren zudem auch Geschwindigkeiten ermitteln, was bei der Analyse des Verkehrsflusses oder bei den Gründen eines Staus hilfreich sein kann.

Aktuell sind die High-Tech-Sensoren vor allem aus dem autonomen Fahren bekannt. Bei einem Einsatz in der Infrastruktur können sie aber vielen Verkehrsteilnehmern, statt alleinig den Fahrern der autonomen Fahrzeuge, zu Gute kommen. Dabei gibt es bisher nur ein Hindernis: Heute verfügbare Lidar-Sensoren sind teuer und störanfällig. Diese Probleme lassen sich mit der Solid-State-Technik lösen. Bei dieser Art von Lidar werden die beweglichen Bauteile, die den Laser ablenken, um die Umgebung abzutasten, durch wartungsfreie Komponenten ersetzt. Die Sensoren sind deutlich robuster und günstiger – und somit für den breit gefächerten Einsatz in der Infrastruktur bestens geeignet.

Aktuelle Verkehrssituation in Echtzeit

Die in der Infrastruktur verbauten Lidar-Sensoren liefern Informationen über die aktuelle Verkehrssituation in Echtzeit: Fließt oder stockt der Verkehr? Gibt es einen Unfall oder eine Baustelle? Stehen viele Fußgänger an der Ampel oder am Zebrastreifen? Diese Informationen werden genutzt, um Ampelphasen oder Geschwindigkeitsbegrenzungen dem Verkehr entsprechend anzupassen oder um Hinweise, wie Stauwarnungen, Umleitungsempfehlungen oder Baustellenankündigungen auszuspielen. Diese Maßnahmen können in Echtzeit auf den Verkehr angepasst vorgenommen werden und haben somit erheblichen Einfluss auf den Verkehrsfluss. Zudem können durch Langzeitbeobachtungen Gefahrenstellen identifiziert werden, die besonders anfällig für Unfälle sind, um diese neu zu gestalten und sicherer zu gestalten.

In vielen Städten sind heute noch deutlich die Einflüsse des Paradigmas der autogerechten Stadt zu erkennen: Die Stadtplanung wird nach dem Ziel des ungehinderten Verkehrsflusses des Autos ausgerichtet. Auch wenn sich dieses Modell schon seit einigen Jahrzehnten starker Kritik gegenübersieht, sind viele Verkehrskonzepte in den Städten noch am motorisierten Individualverkehr orientiert.

Mobilität sicher und unkompliziert gestalten

Dieser Ansatz wird in den letzten Jahren zunehmend von der Forderung nach autofreien Zonen oder sogar ganzen Innenstädten verdrängt. Diese Forderungen zeigen deutlich: Die Städte- und Verkehrsplanung muss sich wieder mehr um den Menschen drehen. Die Bedürfnisse der Bewohner, Pendler und aller weiteren Verkehrsteilnehmer müssen in den Mittelpunkt rücken und das bedeutet, Mobilität so sicher und unkompliziert wie möglich zu gestalten. Fußgängerübergänge müssen sicher gestaltet werden, Abbiegeunfälle vermieden werden, ausreichend Platz für Radfahrer geschaffen werden – die Liste der Maßnahmen ist lang. Die intelligente Steuerung des Verkehrs mit Hilfe einer smarten Infrastruktur ermöglicht genau das – und die Lidar-Technik steht in ihrem Mittelpunkt.

* Florian Petit ist Robotiker und Gründer von Blickfeld. Vor der Gründung des Start-ups beschäftigte er sich mit der Steuerung von Robotern im Rahmen wissenschaftlicher Arbeiten an der TU München, der Stanford University, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der ETH Zürich. Er promovierte auf dem Gebiet der Mensch-Maschine-Kollaboration.

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