Forschungsprojekte

SAFEGUARD - Verbundprojekt: Nutzfahrzeug-Assistenzsystem zur Steigerung des Sicherheitsniveaus auf Basis von Augmented Reality

Projektbeschreibung

In zahlreichen Wirtschaftsbereichen werden zur Steigerung der Arbeitseffizienz heute Nutzfahrzeuge  eingesetzt.
So kommen z.B. in der Bauwirtschaft, in der Agrar- und Forstwirtschaft oder dem Transportwesen unterschiedlichste Fahrzeugtypen zum Einsatz, die ihre jeweiligen Aufgaben mit hoher Wirtschaftlichkeit durchführen.
Den deutlichen wirtschaftlichen Vorteilen, die der Einsatz von schweren Nutzfahrzeugen mit sich bringt, steht jedoch eine vergleichsweise hohe Anzahl von schweren Unfällen gegenüber, die durch Aufmerksamkeitsdefizite, konstruktiv bedingte Sichteinschränkungen und weitere Faktoren verursacht werden. Zu den Unfallursachen gehören insbesondere die Sichteinschränkungen des Maschinenführers, welche durch den Sichtbereich einschränkende Maschinenkomponenten oder große Bereiche toter Sichtwinkel entstehen. Als Beispiel kann die Verteilung der Baggerunfälle dienen, die deutlich aufzeigt, dass die verminderte Sicht hinter der Maschine am häufigsten zu schweren oder gar tödlichen Unfällen führt.

Einer Studie der Bundesanstalt für Arbeitssicherheit und Arbeitsmedizin (baua) zufolge, stand im Jahr 2011 mehr als die Hälfte der tödlichen Arbeitsunfälle mit Baumaschinen (Bagger, Krane und Baufahrzeuge), einer Untergruppe der Nutzfahrzeuge, in Zusammenhang. Wenngleich der Einfluss des Alters der Maschinenführer oder individueller Sinnesbeeinträchtigungen auf die Unfallhäufigkeit bisher nicht Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen war, ist davon auszugehen, dass diesbezüglich ein Zusammenhang besteht.
Obwohl die Maschinenhersteller bereits zahlreiche Ansätze verfolgen, um das Gefahrenpotential der  Maschinen möglichst gering zu halten, konnten die Hauptursachen der Unfälle – ein unübersichtliches  Arbeitsumfeld und kurzzeitige Ablenkungen der Maschinenführer – bisher nicht behoben werden. Dies ist  insbesondere dadurch zu erklären, dass die Einsatzszenarien von den Maschinenherstellern kaum beeinflusst  werden können. Auch Ablenkungen der Maschinenführer können durch die Vielzahl und die Komplexität der  Anwendungsfelder nicht vollständig beseitigt werden. Vor diesem Hintergrund bietet sich der Einsatz eines  intelligenten Assistenzsystems an, welches den Maschinenführer in seinem Arbeitsprozess unterstützt (und  ihn nicht von seiner Tätigkeit ablenkt) und zusätzliche Informationen zum Arbeitsumfeld bereitstellt.

Das Ziel des Projektes SAFEGUARD besteht daher in der Entwicklung eines Assistenzsystems für  Nutzfahrzeuge, welches auftretende Gefahrensituationen frühzeitig erkennt, den Maschinenführer auf die Gefahr aufmerksam macht und in letzter Instanz aktiv in die Steuerung der Maschine eingreift, um z.B. einen Nothalt einzuleiten. Das SAFEGUARD–System wird im Rahmen des Vorhabens zunächst am Beispiel von Mobilkranen entwickelt und evaluiert, da diese Maschinenkategorie alleine für ca. 12% der von der baua  ausgewerteten Todesfälle im Jahr 2011 verantwortlich war. Das System wird hierbei von Grund auf modular und flexibel gestaltet, so dass eine Übertragung des Systems auf weitere Baumaschinen und auch andere Nutzfahrzeuggruppen ohne größere Anpassungsarbeiten möglich ist. Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten wird dabei das Konzept des „Design for all“ angewendet. Auf diese Weise vereinfacht das System  grundsätzlich für alle Nutzer das effiziente und sichere Führen von Nutzfahrzeugen. Insbesondere ermöglicht  es älteren Mitarbeitern, typische sensomotorische Einschränkungen auszugleichen und stellt somit einen  Ansatz dar, Maschinenführerarbeitsplätze den Anforderungen des demographischen Wandels anzupassen. Zur erfolgreichen Umsetzung eines solchen Assistenzsystems sind Entwicklungsarbeiten in verschiedenen  Themenfeldern notwendig: Die Umgebung der Maschine muss erfasst, eine Situationsanalyse in Echtzeit  durchgeführt und anschließend eine Informationsvermittlung an den Bediener erfolgen. Die  Arbeitsweise des SAFEGUARD –Assistenzsystems, ist wie folgt:

  1.  Die Aufnahme der Arbeitssituation erfolgt durch verschiedene Sensortechnologien (Ultraschall, Kameras, Laserscanner, GPS, Radar, Motion-Tracker, etc.), die sich hinsichtlich ihrer spezifischen Fähigkeiten ergänzen. Aufdiese Weise kann eine zuverlässige und redundante Datenerfassung auch in der rauen und schmutzigen Arbeitsumgebung von Baumaschinen erfolgen.
  2. Die unterschiedlichen Sensordaten werden anschließend fusioniert und zu einem virtuellen Lagebild der Arbeitssituation zusammengefügt. Dieses wird wiederum automatisch analysiert, um potentiell gefährliche Situationen automatisch zu erkennen und insbesondere Personen in der Arbeitsumgebung zu lokalisieren, klassifizieren und ihre voraussichtlichen Bewegungspfade zu berechnen.
  3. Sofern sich mehrere Nutzfahrzeuge in räumlicher Nähe zueinander befinden, erfolgt optional ein drahtloser Austausch von relevanten Daten. Dies ermöglicht es, das „Sichtfeld“ des Systems zu vergrößern und mögliche Fehlerquellen zu eliminieren. Dies ermöglicht es, die Daten des Systems durch eine redundante Informationsbereitstellung abzusichern.
  4. Abschließend werden alle relevanten Informationen mittels Augmented-Reality-Technologien (AR) auf geeigneten Sinneskanälen an den Bediener vermittelt. Der Nutzer erhält hierbei die Möglichkeit,  Präferenzen hinsichtlich der Übermittlung von Informationen auf unterschiedlichen Sinneskanälen zu  hinterlegen, so dass das System optimal auf die jeweiligen Vorlieben (und ggf. Einschränkungen) des Nutzers reagieren kann.

Die Nutzung von AR-Technologien erlaubt es dabei, die Sinneswahrnehmungen der Maschinenführer zu erweitern, ohne dass hierbei ihre unmittelbare Realitätswahrnehmung eingeschränkt wird. Alle diese Schritte  müssen in Echtzeit erfolgen, um eine Unterstützung der Maschinenführer in ihrer realen Arbeitsumgebung zu erreichen. Dies stellt hohe Anforderungen sowohl an die hardwaretechnische Vernetzung der verschiedenen Komponenten als auch an die verwendeten softwareseitigen Algorithmen.

Durch die Umsetzung der beschriebenen Projektinhalte wird die Sicherheit von Nutzfahrzeugen deutlich erhöht werden. Gleichzeitig werden die Maschinenführer durch die gezielte Informationsvermittlung in die Lage versetzt, Arbeiten schneller und effizienter durchzuführen. Zusammenfassend lassen sich die gesamtgesellschaftlich bedeutenden Ziele des Projektes SAFEGU AR D wie folgt darstellen:

  •  Erhöhung des Sicherheitsniveaus von Nutzfahrzeugen (insb. Reduzierung von Unfällen mit Personenschäden) bei gleichzeitiger Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit
  • Verbesserung der Bedienbarkeit von Baumaschinen für Personen aller Altersgruppen und auch mit teilweise eingeschränkten Sinneswahrnehmungen

Zur Erreichung der genannten gesellschaftsrelevanten Aspekte ist es notwendig, die nachfolgenden technischen Ziele umzusetzen:

  •  Weiterentwicklung existierender AR- und Sensortechnologien hinsichtlich der zuverlässigen und redundanten Funktionsfähigkeit in rauen Umgebungen.
  • Integration von AR-Technologien in industrielle Steuerungssysteme
  • Echtzeitfähige Fusion einer Vielzahl von Sensorkomponenten
  • Kognitive Auswertung und Vermittlung eines virtuellen Lagebildes

Projektpartner

  • craniMAX GmbH
  • Trivisio Prototyping GmbH
  • Motec GmbH
  • BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik GmbH

Assoziierte Partner:

  • Commercial Vehicle Cluster - Nutzfahrzeuge GmbH
  • Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.V.
  • Virtual Dimension Center Fellbach - Kompetenzzentrum für virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V.