Die (re-)konfigurierbare Fahrzeugarchitektur

Die Lebenszyklen von Fahrzeugen und die Innovationszyklen zugrundeliegender Technologien laufen auseinander, sehr zum Nachteil der Fahrzeughersteller.
Besonders betroffen sind dabei Bereiche, die geringe Stückzahlen mit hoher Variabilität und langen Garantiezeiträumen kombinieren, zum Beispiel Busse.

Dadurch ergibt sich eine Anzahl an Herausforderungen an die Hersteller, die im Rahmen dieser Dissertation herausgearbeitet werden.

Anschließend erfolgt eine Betrachtung des Standes der Wissenschaft und Technik, insbesondere mit Hinblick auf die Fragestellung, wie denn dieser die Herausforderungen adressiert. ... mehrDabei werden neben technischer auch rechtliche Aspekte beleuchtet, die ihrerseits neue Herausforderungen hinzufügen.

Gezeigt wird, dass klassische Fahrzeugarchitekturen mit ihren unflexiblen signalbasieren Elektrik-/Elektronik-Architekturen nicht mehr geeignet sind, diesen Herausforderungen zu begegnen.
Flexiblere serviceorientierte Architekturen eignen sich weitaus besser, um neue Trends wie das automatisierte Fahren oder fortschrittlichere, kamerabasierte Fahrerassistenzsysteme zu integrieren.
Dabei werden verschiedene Ansätze wie die bereits in der Automobilindustrie verbreitete AUTOSAR Adaptive Platform und das bisher hauptsächlich in der Forschung eingesetzte Robot Operating System 2 (ROS2) vorgestellt und miteinander verglichen.

Als Konsequenz wird in dieser Dissertation eine (re-)konfigurierbare Fahrzeugarchitektur entwickelt, die Synergien aus einer Verknüpfung verschiedener Domänen wie Nutzfahrzeuge und PKW, aber auch Informationstechnik nutzt.
Dies sind zum einen geringere Stückpreise durch Nutzung von Komponenten aus Domänen mit höheren Stückzahlen, zum anderen durch ein Ersetzen von beispielsweise Sensoren durch günstigere beziehungsweise überhaupt noch verfügbare Exemplare während des Lebenszyklus eines Fahrzeuges.

Basierend auf einer serviceorientierten Architektur in ROS2 und vorher definierter Anforderungen an eine solche Fahrzeugarchitektur, wird ein Konzept entworfen und anschließend prototypisch umgesetzt, um Use-Cases darzustellen, die besonders von dieser neuartigen Architektur profitieren.
Ein Beispiel hierfür ist das Austauschen von Steuergeräten, entweder aus den oben angesprochenen Gründen der Verfügbarkeit oder Kosten von Komponenten oder aber zur Erweiterung der Funktionalität. Zur Senkung von Betriebskosten und Verbesserung der Energiebilanz des Fahrzeuges und der Flotte können außerdem Funktionalitäten beziehungsweise Services in das Backend ausgelagert werden.

Die Evaluation dieser prototypisch umgesetzten Architektur und der Use-Cases zeigt, dass der Ansatz grundsätzlich funktioniert und außerdem eine nutzbare Performanz erreicht. Neue Chancen ergeben sich durch eine mögliche Steigerung der Ressourcenauslastung und dynamischer Redundanz, die ausgefallene Komponenten zur Laufzeit des Fahrzeuges ausgleichen kann.

The life cycles of vehicles and the innovation cycles of the underlying technology are clearly diverging, much to the detriment of vehicle manufacturers.
Particularly affected are areas that combine low volumes with high variability and long warranty periods, for example buses.

For manufacturers, this results in a number of challenges, which are elaborated in this dissertation.

This is followed by an examination of the state of the art, particularly with regard to the question of how it addresses these challenges. In addition to technical aspects, legal ones are also examined, which in turn add new challenges.
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It is shown that classic vehicle architectures with their inflexible signal-based electrical/electronic architectures are no longer suitable for meeting these challenges.
More flexible service-oriented architectures are far better suited to integrate new trends, like automated driving or camera-based advanced driver assistance systems.
Different approaches such as the AUTOSAR Adaptive Platform, which is already widely used in the automotive industry, and the Robot Operating System 2 (ROS2), which has so far mainly been used in research, will be presented and compared.

As a consequence, this dissertation develops a (re-)configurable vehicle architecture that exploits synergies from linking different domains such as commercial vehicles and passenger cars, but also information technology.
On the one hand, this means lower unit prices through the use of components from domains with higher quantities, and on the other hand, through the replacement of components like sensors with cheaper ones or alternatives with better availability during the life cycle of a vehicle.

Based on a service-oriented architecture in ROS2 and previously defined requirements for such a vehicle architecture, a concept is designed and then prototypically implemented to demonstrate use cases that particularly benefit from this novel architecture.
Examples include the replacement of ECUs, either for the reasons of component availability or cost discussed above, or to extend functionality. In addition, functionalities or services can be outsourced to the backend to reduce operating costs and improve the energy balance of the vehicle and the fleet.

The evaluation of this prototypically implemented architecture and the use cases shows that the approach basically works and achieves usable performance. New opportunities arise from an increase in resource utilization and dynamic redundancy, which can compensate for failed components at vehicle runtime and is made possible by this architecture.