Manövergestütztes Testen für das durchgängige Erstellen, Auswählen und Ausführen von Testszenarien von Hochautomatisierten Fahrfunktionen

Automatisierte Fahrfunktionen haben das Potenzial, den Verkehr durch verbesserte Sicherheit, erhöhten Komfort, neue Mobilitätskonzepte und wirtschaftliche Vorteile im Güterverkehr grundlegend zu verändern.
Aber insbesondere bei Interaktionen zwischen Verkehrsteilnehmern im urbanen Raum sind Verifikations- und Validierungsstrategien noch in der Entwicklung. Aktuelle Forschungsprojekte und die Industrie fokussieren dafür das szenariobasierte Testen. Dabei werden die Fahrszenarien in (un-)bekannte und (un-)sichere Szenarien eingeteilt. Für die Sicherheitsargumentation wird dann nachgewiesen, dass die Zahl an unsicheren und unbekannten Szenarien ausreichend klein ist.
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Bisherige Arbeiten befassen sich aber entweder mit dem Gesamtprozess auf einer abstrakten Ebene oder fokussieren sich auf einzelne Problemstellungen ohne Berücksichtigung der übrigen Prozessschritte. Dies führt zu einer Vielzahl von Insellösungen, die nicht miteinander verknüpft sind und eine nahtlose Integration in den Entwicklungsprozess erschweren.

Eine wesentliche Lücke besteht in der uneinheitlichen Szenariobeschreibung, die die Effizienz der Methode beeinträchtigt. Diese Variation resultiert aus der isolierten Betrachtung der Problemstellungen, die jeweils unterschiedliche Arten der Szenariobeschreibung verwenden. Die Motivation dieser Arbeit ist die Entwicklung einer durchgängigen Methode, die eine einheitliche Form der Szenarien im gesamten Prozess unterstützt. Dazu wird spezifisch untersucht, wie Verkehrsszenarien formalisiert beschrieben werden können, um unbekannte Szenarien zu finden, repräsentative Testszenarien auszuwählen und diese auszuführen.

Ausgehend von der Betrachtung des Standes der Wissenschaft und Technik wird eine Liste von acht Anforderungen an eine Szenariobeschreibung hergeleitet. Darauf aufbauend wird das Konzept des manövergestützen Testens ausgearbeitet. Die Szenariobeschreibung, welche das zentrale Element in dieser Methode darstellt, wird dabei auf Basis von Manövern aufgebaut, welche das Verhalten der Verkehrsteilnehmer im Szenario abstrahiert und formalisiert beschreibt. Grundsatz im manövergestützten Testen ist, dass die einzelnen Prozessschritte des Testprozesses (Erstellen der Szenarien sowie Ableiten, Ausführen und Evaluieren der Testfälle) so umgesetzt werden, dass sie alle mit dieser manöverbasierten Beschreibungsform arbeiten. Für das Erstellen der Szenarien wird dazu eine Manöver-Erkennung durchgeführt, die Auswahl der Testfälle erfolgt durch ein dafür entwickeltes Ähnlichkeitsmaß als Basis für einen Clusteralgorithmus und die Ausführung wird durch eine teilautomatisierte Resimulation realisiert.

Das entwickelte Konzept wird prototypisch für alle diese Prozessschritte umgesetzt. Für eine datenbasierte Evaluation wird eine mehrwöchige Verkehrsaufzeichnung einer Kreuzung in Mannheim genutzt. Dabei wird erläutert, wie das manövergestützte Testen die zuvor erstellten Anforderungen erfüllt. Somit wird gezeigt, dass der durchgängige Einsatz einer manöverbasierten Szenariobeschreibung grundsätzlich funktioniert und die Effizienz des gesamten Testprozesses steigert.

Diese Dissertation leistet somit einen Beitrag zum durchgängigen Testen von Automatisierten Fahrfunktionen, indem sie eine systematische und effiziente Validierung ermöglicht, um die Potenziale der Fahrfunktionen im Straßenverkehr zeitnah auszuschöpfen.

Automated driving functions have the potential to fundamentally change traffic through improved safety, increased comfort, new mobility concepts and economic benefits in freight transport.
However, verification and validation strategies are still being developed, particularly for interactions between road users in urban areas. Current research projects and the industry are focusing on scenario-based testing. This approach classifies driving scenarios into (un)known and (un)safe scenarios. For the safety argumentation, it is then demonstrated that the number of unsafe and unknown scenarios is sufficiently small.
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However, previous work either deals with the overall process at an abstract level or focuses on individual problems without taking the other process steps into account. This leads to numerous isolated solutions that are not linked to each other and make seamless integration into the development process more difficult.

A significant gap is the inconsistent scenario description, which impairs the efficiency of the method. This variation results from the isolated consideration of the problems, each of which uses different types of scenario description. The motivation of this work is to develop a consistent method that supports a uniform form of scenarios throughout the process. For this purpose, it is specifically investigated how traffic scenarios can be described in a formalized way in order to find unknown scenarios, select representative test scenarios and execute them.

Based on the state of the art in science and technology, a list of eight requirements for a scenario description is derived. Based on this, the concept of maneuver-guided testing is developed. The scenario description, which is the central element of this method, is based on maneuvers that describe the behavior of road users in the scenario in an abstract and formalized way. The basic principle of maneuver-guided testing is that the individual process steps of the test process (creating the scenarios and deriving, executing and evaluating the test cases) are implemented in such a way that they all work with this maneuver-guided form of description. For the creation of the scenarios, a maneuver identification is carried out, the test cases are selected using a similarity measure developed for this purpose as the basis for a cluster algorithm and the execution is realized using a partially automated resimulation.

The developed concept will be implemented as a prototype for all of these process steps. A traffic recording of an intersection in Mannheim over several weeks is used for a data-based evaluation. It is explained how the maneuver-guided testing fulfills the previously created requirements. This demonstrates that the consistent use of a maneuver-based scenario description works in principle and increases the efficiency of the entire test process.

This dissertation thus makes a contribution to the seamless testing of automated driving functions by enabling systematic and efficient validation in order to exploit the potential of driving functions in road traffic in a timely manner.