On the Potential of a Weather-Related Road Surface Condition Sensor Using an Adaptive Generic Framework in the Context of Future Vehicle Technology

Mobility is one of the fundamental and essential elements in our modern globalized society. The European Commission (EC) has formulated five main challenges for current and future transport systems: Further development of the European transport area, rising resource costs, pollution, infrastructure congestion, and road traffic safety. In this context, the present thesis deals with the question to what extent future vehicle systems can be examined a priori regarding their potential effectiveness concerning the dimensions: safety, efficiency, and comfort.

For this purpose, a general research method is derived based on a status quo analysis, which in principle makes it possible to consider various perspectives and impact dimensions in the complex environment of modern and future mobility. Since often only models or, at best, initial prototypes of future vehicle systems exist in the early development phase, an approach is required that is primarily based on simulations. The thesis combines existing approaches and extends them by various dimensions. Subsequently, this methodology is applied to a novel sensor system for detecting weather-related road surface conditions, which has been prototypically developed within the framework of a joint research project. An extended potential analysis is carried out based on this sensor system, whereby the impact dimensions frequently mentioned in vehicle technology - safety, efficiency, and comfort - are considered both at the individual vehicle level and at the traffic level. Since this sensor system only exists as a prototype so far, several new simulation models from the areas of driver assistance, driver behavior, and the environment are developed and evaluated in addition to a digital sensor model as part of this thesis.

The thesis shows that the applied research method addresses both the general and various specific research questions. It turns out that knowledge of the weather-related road conditions has excellent potential for the safety dimension. For example, on the vehicle level, a braking distance reduction between 2 % and 11 % and a lateral stabilization during braking maneuvers in curves can be achieved by reducing the lateral deviation of up to 5 % through the optimization of corresponding vehicle systems. Furthermore, a reduction between 46 % and 53 % of potentially critical driving situations at high vehicle equipment rates is determined for the traffic level. Concerning efficiency, both positive and negative effects are shown in the sense of a traffic-stabilizing effect and adverse effects due to longer distances and the associated higher energy consumption. In terms of comfort, the results suggest that by increasing the availability of automated systems through knowledge of the dynamic driving limits, a reduction of manual driving times by up to 60 % is possible.

Mobilität ist eines der wesentlichen Bedürfnisse unserer modernen globalisierten Gesellschaft. Die Europäische Kommission hat fünf große Herausforderungen für die derzeitigen und zukünftigen Verkehrssysteme formuliert: Weiterentwicklung des europäischen Verkehrsraums, steigende Ressourcenkosten, Umweltverschmutzung, Überlastung der Infrastruktur und Sicherheit im Straßenverkehr. In diesem Zusammenhang beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Frage, inwieweit zukünftige Fahrzeugsysteme a priori auf ihre potentielle Wirksamkeit hinsichtlich der Dimensionen Sicherheit, Effizienz und Komfort untersucht werden können.

Dafür wird zunächst auf Basis einer Status quo Analyse eine allgemeine Vorgehensweise abgeleitet, welche es grundsätzlich ermöglicht alle möglichen Blickwinkel und Wirkdimensionen im komplexen Umfeld moderner und zukünftiger Mobilität zu berücksichtigen. Da von zukünftigen Fahrzeugsystemen in der frühen Entwicklungsphase häufig lediglich Modelle oder allenfalls erste Prototypen existieren, bedarf es eines Ansatzes, der im Schwerpunkt auf Simulationen basiert. Die Thesis verbindet hierfür existierende Ansätze und erweitert diese um diverse Dimensionen. Anschließend wird diese Methodik auf ein neuartiges Sensorsystem zur Erfassung des witterungsbedingten Fahrbahnoberflächenzustandes angewendet, welches prototypisch im Rahmen eines Verbundforschungsprojektes entwickelt wurde. Für dieses Sensorsystem wird eine erweiterte Potenzialanalyse bezüglich der oben genannten Dimensionen durchgeführt. Da dieses Sensorsystem bisher nur prototypisch existiert, werden im Rahmen dieser Thesis neben einem digitalen Sensormodell auch eine Reihe von neuen Simulationsmodellen aus den Bereichen Fahrerassistenz, Fahrerverhalten und Umwelt entwickelt.

Es wird gezeigt, dass es durch die vorgestellte Methodik möglich ist sowohl allgemeine als auch spezifische Forschungsfragen in diesem Kontext zu bearbeiten. Es stellt sich heraus, dass die Kenntnis des witterungsbedingten Fahrbahnzustandes ein großes Potenzial für die Wirkdimension Sicherheit besitzt. Auf der Fahrzeugebene kann durch die Optimierung entsprechender Systeme beispielsweise eine Bremswegverkürzung zwischen 2 % und 11 % sowie eine laterale Stabilisierung bei Bremsmanövern in der Kurve, angezeigt durch eine Reduktion der lateralen Ablage von bis zu 5 %, erreicht werden. Für die Verkehrsebene wird eine Reduktion von potenziell kritischen Fahrsituationen bei hohen Ausrüstungsraten in den Fahrzeugen zwischen 46 % und 53 % ermittelt. Bezüglich der Effizienz werden sowohl positive Effekte im Sinne einer verkehrsstabilisierenden Wirkung aufgezeigt, jedoch auch negative Effekte durch verlängerte Wegstrecken und damit verbundenen höherem Energieeinsatz. Im Sinne des Komforts wird gezeigt, dass durch eine Erhöhung der Verfügbarkeit von automatisierten Systemen durch die Kenntnis der fahrdynamischen Grenzen eine Reduzierung der manuellen Lenkzeiten um bis zu 60 % möglich ist.

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