Modell-AV-Test

Aug 07, 2023

Zwei Fakultätsmitglieder der Washington University und ihre Forschungsteams bauen die „WashU Mini-City“ – eine neuartige und kostengünstige physische Umgebung –, um autonome Fahrzeuge zu untersuchen und letztendlich ihre Zuverlässigkeit und Sicherheit zu verbessern.

Auf einer dunklen Straße in Tempe, Arizona, überquerte Elaine Herzberg im März 2018 mit dem Fahrrad eine Straße. Ein Uber-SUV im autonomen Fahrmodus hat sie angefahren und getötet. Der Guardian berichtete, dass das Uber-Fahrzeug Hertzberg mehr als fünf Sekunden vor dem Unfall erkannte, sie jedoch nicht als Fußgängerin identifizieren konnte und der Ersatzfahrer nicht auf die Straße achtete. Es war der erste gemeldete Fall, dass ein Fußgänger von einem selbstfahrenden Fahrzeug getötet wurde.

Autonome Fahrzeuge (AVs), Autos, die ohne menschliche Kontrolle selbstständig fahren können, sind im ganzen Land immer häufiger auf Straßen und Autobahnen unterwegs. Das Beratungsunternehmen McKinsey & Company schätzt, dass Autos mit selbstfahrender Technologie bis 2030 20 % und bis 2035 57 % der Autoverkäufe ausmachen könnten, doch die Bilanz der neuen Technologie ist fraglich.

Seit Herzbergs Tod sorgen Unfälle durch autonom fahrende Fahrzeuge weiterhin für Schlagzeilen, und AAA berichtet, dass die Angst vor selbstfahrenden Autos im vergangenen Jahr deutlich zugenommen hat. Aufgrund der Methode, mit der die National Highway Traffic Safety Administration Statistiken über AV-Unfälle verwaltet, ist es schwierig, endgültige Zahlen zu erhalten. Im Juni berichtete die Washington Post jedoch, dass das selbstfahrende Autopilot-System von Tesla seitdem an 736 Unfällen und 17 Todesfällen beteiligt war 2019.

Befürworter argumentieren, dass ihre Daten zeigen, dass AVs insgesamt sicherer sind als menschliche Fahrer, aber eine kürzlich durchgeführte detaillierte Überprüfung von Ars Technica, einer Online-Publikation, die sich mit Technologie befasst, kommt zu dem Schluss, dass es noch zu früh ist, dies zu sagen. Es ist jedoch klar, dass die künstliche Intelligenz, die AVs antreibt, in neuartigen Situationen fehleranfällig sein kann. KI-Algorithmen mögen zwar in der Lage sein, Großmeister im Schach zu schlagen, aber ihnen mangelt es – in Ermangelung eines besseren Wortes – an gesundem Menschenverstand.

Während die Prüfung autonomer Fahrzeuge zunimmt, suchen Forscher der Washington University in St. Louis nach den besten Möglichkeiten, ihre Sicherheit zu verbessern. Was wäre, wenn, fragen der Computeringenieur Yevgeniy (Eugene) Vorobeychik und die Architektin Constance Vale, Sie ein maßstabsgetreues Modell eines Stadtviertels bauen könnten, um selbstfahrende Autos in einer Umgebung zu testen, die Sie anpassen könnten, um die Situationen nachzubilden, die Probleme verursachen autonome Fahrzeuge, alles ohne Gefährdung von Personen oder Sachwerten? Genau das tun die beiden und ihre Forschungsteams im Projekt Architectural Design of an Experimental Platform for Autonomous Driving – der Miniaturstadt der Washington University (WashU Mini-City), die in McKelvey Hall errichtet wurde.

Das Ziel von WashU Mini-City ist die Bereitstellung einer physischen autonomen Fahrplattform, die Informatik und Architektur kombiniert, um neuartige Experimente in einer sicheren Umgebung zu ermöglichen – und das zu geringen Kosten. Die Ministadt soll ein Labor für umfassendere Stresstests und Überwachung von AVs sein, um letztendlich deren Sicherheit und Zuverlässigkeit zu erhöhen. Das Projekt wird durch Startkapitalzuschüsse des WashU-Büros des Vizekanzlers für Forschung und des Provost-Büros sowie der National Science Foundation finanziert.

Vorobeychik, Professor für Informatik und Ingenieurwesen an der McKelvey School of Engineering; und Vale, Lehrstuhlinhaber für Bachelor-Architektur und außerordentlicher Professor an der Sam Fox School of Design & Visual Arts, haben ein Wunderwerk eines bezaubernden Stadtzentrums im Maßstab 1:8 entworfen und geschaffen. WashU Mini-City – mit einer aktuellen Grundfläche von etwa 3000 Quadratmetern – bietet realistische Gebäudefassaden und Straßen mit präzisen Verkehrsmarkierungen, Straßenlaternen, Ampeln, Verkehrskegeln und Werbetafeln. Am wichtigsten ist, dass es maßstabsgetreue 3D-Fußgänger gibt, von denen einige von ihren treuen 3D-Welpen begleitet werden. Das Modell verfügt über eine Vielzahl von Räumen, die die Arten von Nachbarschaften nachahmen, die AV-Fahrzeuge zum Navigieren in Städten benötigen.

Fast alle Elemente von WashU Mini-City sind modular aufgebaut, sodass sie je nach Experiment leicht verschoben, ausgetauscht oder modifiziert werden können. Bemerkenswert sind die Sorgfalt bei der Gestaltung und Konstruktion sowie die von Vale und Vorobeychik erreichte Glaubwürdigkeit. Um beispielsweise Bäume zu schaffen, entwickelten Vale und ihre Schüler eine ausgeklügelte Herstellungstechnik, bei der sowohl digitale als auch handwerkliche Methoden zum Einsatz kamen. Die Bäume bestehen aus Pergament, bemalt mit durchscheinenden, mit Acryl bemalten Schnüren, die dann um lasergeschnittene Äste gewickelt und in 3D-gedruckte Baumstämme gesteckt wurden. „Sie sind wirklich unglaublich“, sagt Vorobeychik.

„Wenn Architekten physische Modelle erstellen, denken wir darüber nach, welche Art von Ausrichtung wir im Vergleich zur Realität erreichen müssen – wie real sie aussehen müssen.“

Das lebensechte Erscheinungsbild ist mehr als nur Show. Einer der schwierigsten Aspekte bei der Verbesserung der Sicherheit von AVs ist das Long-Tail-Problem – Situationen, die selten sind, aber die Kapazitäten der Algorithmen, die die Fahrzeuge steuern, herausfordern. Es ist zum Beispiel Routine, einem AV beizubringen, an einer Ampel anzuhalten, aber was wäre, wenn ein AV mitten auf der Straße mit etwas völlig Unerwartetem konfrontiert würde, etwa einer Giraffe, die aus dem Zoo entkommen war? Ein menschlicher Fahrer würde anhalten, das Auto anhalten und wahrscheinlich ein Video in den sozialen Medien veröffentlichen. KI ist angesichts ungewöhnlicher Umstände weniger vorhersehbar.

Mit WashU Mini-City konzentrieren sich Vorobeychik und Vale speziell auf genau diese Art von Wahrnehmungsschwachstellen, bei denen das Long-Tail-Problem auftritt. „Wenn Architekten physische Modelle erstellen, denken wir darüber nach, welches Register wir im Vergleich zur Realität erreichen müssen – wie real sie aussehen müssen“, sagt Vale. „In einer Miniaturstadt, in der AVs trainiert werden, muss man Farbe, Glanz und Reflexion berücksichtigen, Eigenschaften, die bei der maschinellen Wahrnehmung wichtig und im Fall der Reflexion eine Herausforderung darstellen.“

Es sind auch bösartige Hacks bekannt. Eine besteht darin, AV-Fahrzeuge auszutricksen, indem man Klebebandstücke an Geschwindigkeitsbegrenzungs- oder Stoppschildern anbringt, um die Sensoren eines AV-Fahrzeugs auszutricksen. „Was wäre, wenn Sie testen möchten, ob ein böswilliger Akteur einen Autounfall verursachen oder Fußgänger anfahren könnte, indem er etwas Kleines in der Umgebung verändert?“ fragt Vorobeychik. „Das ist genau die Art von Situation, die man mit diesem maßstabsgetreuen Modell und 3D-gedruckten Fußgängern in einer kontrollierten Umgebung testen könnte.“

„Vollständige Experimente mit AVs sind extrem teuer und die Zyklen sind langsam. In WashU Mini-City befinden wir uns in diesem Zwischenraum, in dem wir Experimente schnell und mit weniger Vorsichtsmaßnahmen durchführen können, da das Schlimmste, was passieren kann, nicht so schrecklich ist.“

Darüber hinaus ermöglicht WashU Mini-City das, was Vorobeychik Stresstests nennt, d. h. speziell technische Fehlfunktionen in AVs, um Ergebnisse zu untersuchen und Wege zur Behebung von Problemen zu finden. All dies könnte zu Kosten durchgeführt werden, die um Größenordnungen niedriger sind als bei ähnlichen Experimenten im Originalmaßstab. „Voll angelegte Experimente mit AVs sind extrem teuer und die Zyklen sind langsam“, sagt Vorobeychik. „In WashU Mini-City befinden wir uns in diesem Zwischenraum, in dem wir Experimente schnell und mit weniger Vorsichtsmaßnahmen durchführen können, da das Schlimmste, was passieren kann, nicht so schrecklich ist.“

Ein weiterer Hauptvorteil der WashU Mini-City in der Forschung besteht darin, dass es sich um einen physischen Raum handelt – ein echtes autonomes Fahrzeug, wenn auch ein kleines, das in einer Modellstadt fährt. Wie Vorobeychik erklärt, sind Daten aus Live-Tests insbesondere in der AV-Forschung ein wesentliches Forschungsdefizit. „Es gibt ein bekanntes Problem namens Real-Sim-Lücke. Simulation ist der effizienteste Weg, Dinge zu testen, aber sie ist digital und nicht physisch. Es ist einfach eine andere Art von Tier, und ihm wird immer etwas fehlen, weil es nicht der Realität entspricht“, sagt Vorobeychik.

Ein physikalisches Merkmal, das in Simulationen schwer zu modellieren ist, ist die Schattierung. Das Team befindet sich derzeit in den letzten Phasen der Verkabelung der Plattform, um das Fahren unter verschiedenen Lichtverhältnissen und mit funktionierenden Verkehrssignalen zu simulieren. Darüber hinaus bietet WashU Mini-City Forschern die Möglichkeit, auf einfache Weise mit verschiedenen Architektur-, Gebäude- und Infrastrukturmerkmalen zu experimentieren, um festzustellen, wie diese von AV-Sensorgeräten „gesehen“ werden. Durch den Austausch von Fenstern, Fassaden und Straßenelementen sowie die Veränderung der Atmosphäre können Vale und Vorobeychik eine breite Palette von Fahrbedingungen und Umgebungen nachbilden. Vale kann sich vorstellen, der Mischung Schnee hinzuzufügen und dabei auf Techniken der darstellenden Künste zurückzugreifen. „Wir könnten Schnee leicht mit Salz simulieren, was die Standardstrategie an Theater- und Filmsets ist“, sagt sie.

Während WashU Mini-City noch in den Kinderschuhen steckt, blicken Vale und Vorobeychik über den Horizont auf Experimente mit Lieferdrohnen, die bald ein Merkmal von Stadtstraßen sein könnten und die AV-Navigation komplexer machen werden. Vale denkt auch über neue architektonische Merkmale intelligenter Städte nach, in denen Nahverkehrs-, Energie- und andere Infrastrukturfunktionen stärker miteinander verbunden sind, um Nachhaltigkeits- und Gleichstellungsfragen anzugehen.

„Wie könnten wir autonome Fahrzeuge mit bestehenden Verkehrssystemen verbinden, um den Individualverkehr in Städten zu reduzieren?“ Vale fragt. „Autonome Fahrzeuge haben das unglaubliche Potenzial, die Funktionsweise unserer Städte zu verbessern, aber gleichzeitig bergen sie auch viele Möglichkeiten, die Dinge noch viel, viel schlimmer zu machen.“

„Es könnte bedeuten, dass mehr Autos auf der Straße unterwegs sind und die Leute tatsächlich länger zur Arbeit pendeln müssen, weil sie beim Fahren nicht beschäftigt sein müssen“, sagt Vale. „Ich bin ein großer Verfechter des interdisziplinären Denkens. Ich hoffe, dass Architekten und Stadtplaner in Zusammenarbeit mit Ingenieuren wie Eugene einen Weg für die Zukunft autonomer Fahrzeuge finden können, der zur Bewältigung von Gleichberechtigung, Klimawandel und anderen Herausforderungen beitragen kann.“

Während WashU Mini-City wächst, hofft das Duo, mit akademischen und industriellen Partnern zusammenzuarbeiten, um die Initiative und Forschungskapazitäten des Projekts zu erweitern. „Wir haben das Zentrum für vertrauenswürdige KI in Cyber-physischen Systemen gegründet“, sagt Vorobeychik. „Die Vision besteht darin, unseren Wirkungsbereich zu erweitern und über WashU hinauszugehen, aber im Moment fangen wir gerade erst an.“

Merkmale

Die Architektur

Wissenschaft und Technologie