Vernetztes und kooperatives Off-Street-Parken

Praxiseinsatz von Digitalisierungs- und Connectivity-Lösungen für das automatisierte Valet Parking im Förderprojekt SynCoPark.

Die Etablierung eines ganzheitlichen Ökosystems Mobilität erfordert eine Vernetzung von Fahrzeug und Infrastruktur durch übergreifende und leicht zu integrierende Software-Schnittstellen und Standards, um unterschiedliche nutzerzentrierte Lösungen umzusetzen. Am Beispiel des Off -Street-Parkens werden im Folgenden Praxiserfahrungen aufgezeigt, wie ein Smart-Parking-System verschiedene Stakeholder durch eine Software-Plattform für den Datenaustausch, Bezahlprozesse sowie den automotive Connectivity-Standard ITS-G5 (WLANp) verbindet.

Digitale Transformation von  Mobilitätsdienstleistungen durch die Kombination von Infrastruktur und Fahrzeug

Allein in Deutschland erzeugt der Parksuchverkehr Kosten in Höhe von 40 Mrd. EUR jährlich [1]. Ein Wunsch nach mehr nutzbarer Fläche und weniger Verkehr in Innenstädten wächst in der Bevölkerung stark. Gleichzeitig fahren viele Autofahrer ungern in Parkhäuser, da der Prozess wenig Kundenkomfort bietet und die Kostenstruktur meist nicht transparent ist. Parkhausbetreibern werden derzeit zudem wenige Möglichkeiten zur Lösung dieser Probleme von ihren klassischen Zulieferern angeboten. Die Daten- und Bezahlplattform trive.park vereinfacht dieses Dilemma durch Digitalisierung der Prozesse des Off -Street-Parkens. Nutzer können bereits vor Fahrtantritt per App ausgewählte Parktickets und spezielle Park-Angebote buchen. Die Angebote reichen dabei vom klassischen Kurzparker-Ticket mit minutengenauer Abrechnung über Tagestickets mit unterschiedlicher Dauer bis hin zu spezifischen Vergünstigungen wie einer Shopping-Pauschale mit hohen Rabatten. Die ebenfalls per App ablaufende Schrankenöffnung ermöglicht dynamische Szenarien. Damit kann trive.park kurzfristig mit geringem Aufwand für erste Meilensteine der Digitalisierung für Parkhausbetreiber sorgen und mittelfristig weitere Szenarien in der Mobilitätsbranche wie das Buchen von E-Ladesäulen, vernetzte Mobilitätsketten und automatisiertes Einparken ermöglichen.

Vernetztes und kooperatives Automated Valet Parking mit Cloud- und Connectivity-Lösungen

Automatisiertes Off -Street-Parking, auch Automated Valet Parking (AVP) genannt, ist nur durch ein vernetztes und kooperatives Zusammenwirken unterschiedlichster Partner möglich. Die Integration von Mobility-Service-Providern, den Fahrzeugentwicklern und der Vielzahl an Parkhausbetreibern erfordert ein solches digitales Management-System für die Abwicklung der Park-Prozesse. Zudem ist ein permanenter Austausch aller relevanter Daten durch innovative Car2X-Kommunikation und skalierbaren Backend-Systemen notwendig. Dabei hat trive.me die Verantwortung für alle Cloud- und Connectivity-Inhalte und adaptiert das Knowhow aus der trive. park-Plattform für den AVP-Prozess. Über ein Backend-System werden alle relevanten Partner verbunden, welches als zentrale Daten- und Bezahlplattform dient. Dort werden alle notwendigen Daten zur Abwicklung eines AVP-Prozesses gespeichert und über Car2X-Technologien dem Fahrzeug kommuniziert. Eine besondere Rolle dabei spielt die offline-fähige Kommunikation zwischen Fahrzeug und Parkhaus über den cITS-Standard ITS-G5.

ITS-G5 als Möglichkeit für die V2X-Kommunikation

ITS-G5 ist ein Standard für die Fahrzeugvernetzung, der auf dem WLAN Standard IEEE 802.11p, oder auch WLANp genannt, beruht. WLANp ist seit 2010 eine vom Normungsinstitut IEEE genehmigte Änderung des klassischen WLAN IEEE 802.11. Es definiert Verbesserungen, die benötigt werden, um Intelligent Transport Systems (ITS) Anwendungen zu unterstützen [4]. Dadurch können Fahrzeuge sowohl untereinander, als auch mit ihrer Umwelt vernetzt werden, um miteinander kommunizieren zu können. Über einige hundert Meter Entfernung können somit Fahrzeuginformationen wie Position, Geschwindigkeit oder Fahrtroute ausgetauscht werden, um zum Beispiel die Fahrer frühzeitig über potenzielle Gefahrensituationen im Straßenverkehr zu informieren. Dazu wird das 5,9-GHz-Frequenzband verwendet, das speziell für die Car-to-X-Kommunikation reserviert wurde.

Car2X-Kommunikation im Parkhaus

Nicht nur im Straßenverkehr sondern auch im Parkhaus kann die Car2X-Kommunikation eine wichtige Rolle einnehmen. Im bearbeiteten Use Case AVP müssen Connectivity-Funktionen möglichst für Parkhausbetreiber und Fahrzeughersteller unabhängig ausführbar sein. Dafür muss der genutzte Standard für diese Kommunikation jedoch einige Voraussetzungen erfüllen, um in diesem Anwendungsgebiet relevant zu sein, siehe auch Bild 1. Neben der Voraussetzung einer großen Reichweite zur effizienten Nutzung des Standards spielen geringe Latenzen und hohe Zuverlässigkeit eine wichtige Rolle. Besonders für Fahrzeuge in Parkhäusern ist es wichtig, dass die cloudbasierenden Services ohne Internetverbindung funktionieren. Das ist mit den ITS-G5 gegeben, welcher sich daher besonders für diesen Use Case eignet.

Bild1: Kommunikationsaufbau zum Backend über Ethernet-Anschluss der RSU

Kommunikation zwischen zwei ITS-Stationen

Die Kommunikation erfordert, dass jedes Fahrzeug eine sogenannte On-Board-Unit (OBU) besitzt und in der Infrastruktur Road-Side-Units integriert sind. OBUs und RSUs sind von ihren Spezifikationen nahezu identisch, die RSU besitzt zusätzlich einen Ethernet Anschluss, um backendbasierende Services realisieren zu können. Die grundlegende Kommunikation erfolgt automatisch durch Broadcasting von bestimmten Nachrichten, wie:

  •  Cooperative Awareness Messages (CAM), die permanent z. B. Position, Geschwindigkeit und Fahrtrichtung teilt.
  • Service Announcement Extended Messages (SAEM), die zusätzlich von der RSU verwendet werden können, um auf spezielle Infrastruktur Services hinzuweisen. Beispiel: Smart Car Park in Nähe

Anhand dieser CAMs kann außerdem die Entfernung zwischen den ITS-Stationen berechnet werden. Fällt diese unter ein definiertes Limit, dass für eine stabile Verbindung nötig ist, kann die OBU im Fahrzeug auf die SAEM der RSU reagieren. Somit kann ein Verbindungsaufbau ermöglicht werden, um über diese Verbindung Nachrichten und Daten auszutauschen. Diese wird beispielsweise benötigt, um Funktionen des beschriebenen Smart Parking Use Case, wie das Ticket-Ziehen oder Schranke-Öffnen, zu realisieren. Der initiale Verbindungsaufbau ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Kommunikation zwischen den ITS-Stations (OBU und RSU)

Neu an diesem Verfahren:  Peer-to-Peer-Verbindung für verschlüsselten Nachrichtenaustausch

Die Besonderheit an dem im Förderprojekt entwickelten Prozess besteht darin, dass eine direkte Peer-to-Peer-Verbindung über IPv6 zwischen der On-Board-Unit und der Road-Side-Unit aufgebaut wird. Ohne diese Verbindung, bei einer standardmäßigen Nutzung von Broadcast-Nachrichten, wären auch nutzerbezogene und sensible Daten für alle Car2X-Teilnehmer in der Umgebung sichtbar gewesen. In Bild 1 ist die Funktion „Überprüfung der Zugangsberechtigung zum Parkhaus und Schrankenöffnung“ exemplarisch für eine Kommunikation mit dem Backend dargestellt. Nach erfolgreichem Verbindungsaufbau wird im weiteren die MAC-Adresse der OnBoard-Unit and die Road-Side-Unit geschickt. Darüber ist das System in der Lage, das Fahrzeug zu identifizieren, um z. B. eine Zugangsberechtigung an der Einfahrt im Backend prüfen zu können. Dazu sendet die RSU http-requests an das Backend, welches im vorliegenden System nach erfolgreicher Prüfung ein Signal zur Öffnung an die ebenfalls digitalisierte Schranke sendet. Nachdem der beschriebene Use Case des vernetzten AVP umgesetzt wurde, wird er nun im weiteren Verlauf des Förderprojektes auf die Tiefgarage der Elbphilharmonie in Hamburg übertragen. Das Projekt dient dort dann als eines der Anker-Projekte des ITS-Weltkongresses 2021 in Hamburg.

Potentiale für die weitere  Entwicklung

Volkswagen hat bereits die nötige Kerntechnologie zur Unterstützung dieses Standards serienmäßig im Golf 8 integriert. Die serientaugliche Umsetzung der entwickelten Funktionen erfordert jedoch weitere Entwicklungen im Bereich der Standardisierung zur Verbreitung von cITS-Applikationen. Innerhalb des Projekts konnte die standardkonforme Anwendbarkeit nachgewiesen werden, jedoch benötigen verschiedene Funktionen eine spezifische cITS-Applikation, um die vorgegebenen Kommunikations-Nachrichten anwendungsfall-spezifisch zu erweitern. Denkbar ist daher ein eigener cITSAppstore, auf dem Entwickler ihre Anwendung veröffentlichen können.

Infrastrukturbetreiber sowie Fahrzeughersteller können diesen dann nutzen, um cITS-Apps zu installieren und auf die Anwendbarkeit der Funktionen transparent hinzuweisen. Dadurch kann eine schnelle Verbreitung von Infrastruktur-Services erreicht werden. Bei einer größeren Verbreitung von Mobilitätsdienstleistungen über den cITSStandard ist ein weiterer wichtiger Faktor die nutzerorientierte Identifikation zwischen OBU und RSU. Während im beschriebenen Projekt die MAC-Adresse dazu dient, das Fahrzeug zu identifizieren, wird im Kontext der Shared Mobility ein neues Verfahren benötigt. Ein Ansatz dazu ist, mit Unterstützung von Distributed LedgerTechnologien wie IOTA eine anonymisierte Nutzung über einen dezentralisierten Account und verifiable Credentials zu ermöglichen. Die zuletzt beschriebenen Entwicklungspotentiale zielen darauf ab, dass unterschiedlichste Märkte möglichst einfach und transparent vernetzte und kooperative Mobilitätsdienstleistungen im Internet of Things abbilden können.

Quellen:

[1] Graham Cookson. Smart Parking – A Silver Bullet for Parking Pain. Juli 2017. url: http://inrix.com/blog/2017/07/parkingsurvey/ (besucht am 07. 11. 2019)

[2] https://www.internationales-verkehrswesen.de/forschungsparkhaus-fuer-autonomes-parken/ Abruf 28.07.2020

[3] https://www.syncopark.de/

[4]  https://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/2407231.htm