Mensch und Fahrzeug

Bild 1-3 Gedächtnis nach Popper, K. und Eccles, J: Der Mensch und sein Gehirn

Was der Computer nicht hat, aber der Mensch (und wahrscheinlich auch höher entwickelte Tiere), ist das Bewusstsein. Wir haben es, aber wir wissen nicht, was es eigentlich ist, wie es arbeitet.

Karl Steinbuch meint, es sei wie ein Lichtstrahl, der über die neuronalen Prozesse huscht und für einen Augenblick verständlich macht, was da geschieht. Rupert Riedel liefert eine schauerliche Sichtweise: das Bewusstsein kann einen Blick in eines der wenigen zugänglichen Zimmer des Riesengebäudes werfen, das sein Zentralnervensystem darstellt.

– Wir wissen nicht, was Bewusstsein ist, wir haben es. Wir können aufsteigend unterscheiden, wenn wir einen Zusammenhang verstehen, wenn wir ihn vernünftig beurteilen können („Fünfe grad sein“ lassen können), wenn uns der Schauder des Transzendenten ergreift, bei ergreifender Musik (der dämonischsten Kunst) oder jeder ergreifenden Kunst (die wohl nur solches ist, wenn sie ergreift). Vieles Lesenswerte wurde über das Bewusstsein geschrieben:

ξKarl Jaspers: Der philosophische Glaube

ξKonrad Lorenz: Das so genannte Böse

ξKarl Popper: Die offene Gesellschaft und ihre Feinde

Gibt es einen Menschen, dem noch nie der heilige Schauder über den Rücken gelaufen ist, wenn er meint, die letzten Dinge zu spüren? Auch wenn Konrad Lorenz erklärt, dass das nur die Rückenhaare sind, die wir wie unsere Vorfahren aufstellen, um uns den Feinden größer erscheinen zu lassen, wenn wir in den heiligen Krieg zur Verteidigung unserer Familie ziehen: es ist eine Regung, die den Computer nie ergreifen wird.

Was der Computer nicht hat, ist das Bewusstsein, dessen Wirkungsweise wir nicht beschreiben können. Wir stellen aber verschiedene Stufen fest. Wir verstehen, wie die Erscheinungen um uns zusammenhängen, welche Konsequenzen eine Aktion voraussichtlich haben wird, was zweckmäßig ist und was nicht. Die Vernunft stellt das Verstandene in einen übergeordneten Zusammenhang, gleicht Widersprüche aus, ergänzt unvollständig Verstandenes.

Schließlich gibt es noch Erscheinungen, die wir wahrnehmen, aber nicht erklären können, z. B. die Schönheit eines Bildes oder Musikstückes. Jeder Mensch kann begreifen, hat Verstand, Vernunft und Transzendenz, wenn auch in unterschiedlicher Ausbildung und Tiefe. Der Computer hat nichts dergleichen.

Der menschliche Organismus kann eine viel größere Informationsleistung aufnehmen und abgeben, als er bewusst verarbeiten kann, Bild 1-1. Diese „Bewusstseinsenge“ wirft die Frage auf, wodurch die eingehenden Informationen gefiltert werden, und wodurch diejenigen ausgewählt werden, die bis ins Bewusstsein vordringen. Wie in einem großen Unternehmen werden an der Peripherie weit mehr Entscheidungen getroffen, als an der Spitze des Unternehmens. In diesem Fall entscheidet die Unternehmensorganisation, wahrscheinlich eher die Unternehmenskultur, welche Informationen weitergegeben und welche entschieden werden.

– In diesem Prozess wird auch klar, dass Information eine ganz andere Wesenheit als Materie und Energie hat. Information is information, no matter nor energy. >Norbert Wiehner, 1.11

Bei der Fahrzeugführung geht es um einfache Regelprozesse, freilich unter der verantwortlichen Aufsicht des Bewusstseins. Für das Führen eines Fahrzeuges stehen viele Informationen zur Verfügung, die der Fahrer nutzt. Manche nutzt er unbewusst in weniger als einer Zehntel Sekunde. Andere versucht er, bewusst zu erlernen und abrufbar abzuspeichern, um sie im Bedarfsfall rasch zur Verfügung zu haben („Fahrschule“). Manche kommen auf ihn zu, ohne dass er sie schon vorher einmal erlebt hatte. Dann dauert es viel länger, bis er reagiert und es ist ungewiss, ob er das Richtige tut. Verantwortlich für sein Tun ist er in jedem Fall. Er muss „seine Reflexe beherrschen“, sicherstellen, dass das, was er unbewusst tut, den Normen entspricht.

Will man den Sachverhalt der menschlichen Reaktion mathematisch fixieren, so ist das mit der folgenden Gleichung möglich >1.4 , >1.8 :

xa = SUM (c(i) xe (i) EXP (To(i)) (1 + iw S1(i) + iw S2(i) + …) / (1 + iw T1(i) + iw T2n(i) + …)

Insgesamt treffen n Informationen bei ihm ein, die alle in unterschiedlichem Maß und unterschiedlicher Zeit seine Reaktion xa bestimmen.

Mit einer solchen Formel kann man jedes beliebige Verhalten des „human operators“ beschreiben. Man muss dem Ganzen noch eine Streuung überlagern, denn bei jedem Versuch fällt die Reaktion jedes Mal ein bisschen anders aus.

Die Formel ist so kompliziert, dass sie unbrauchbar ist. Es geht aber auch viel einfacher:

1.Für jede Situation ist eine Informationsquelle die maßgebende. Die optische Information ist maßgebend, wenn der Fahrer einem vorgegebenen Kurs ohne Störungen folgen soll.

2.Die Verzugszeit To erschwert die mathematische Bearbeitbarkeit, weil sie zu keinem Phasenminimumsystem führt. Man ersetzt näherungsweise To durch die T(i).

3.Eine sehr genaue Anpassung verliert ihren Charme durch die überlagerten zufälligen Störungen.

Bild 1-4 Antwort xa auf ein Eingangssignal xe, das innerhalb von 0.2 Sekunden aufgebaut wird (dxe/dt). Das System antwortet mit einer Kennfrequenz von w0 = 7 und einem Dämpfungsmaß von D = 0.7. Je nach Vorhaltezeit S1 erfolgt die Antwort rascher oder langsamer. – Dieser Fall tritt z. B. ein, wenn eine Versuchsperson den Zeigefinger auf eine bestimmte Stelle legen soll. Wenn sie sich anstrengt, diese Ziel rasch zu erreichen (S1 > 0), dann kommt es zu einem verstärkten Überschwingen. Wenn sie sich betont Zeit lässt (w0 und D größer), dann dauert die Zielerreichung länger, schwingt aber ab D = 1 nicht mehr über.

Bild 1-5 Antwort xa auf ein Eingangssignal xe, das innerhalb von 0.2 Sekunden aufgebaut wird (dxe/dt) in einem System 1. Ordnung. Je nach Verzugszeit T1 wird der Zielwert in rascher oder langsamer erreicht. Für viele Fälle genügt diese Näherung.

1.2 Experimente zur Erforschung des Human Operators

Um herauszufinden, wie der Regler Human Operator reagiert, beobachten wir den Fahrer in verschiedenen Situationen. Nehmen wir z. B. an, wir beobachten als Beifahrer den Fahrer, wenn er auf einer schmalen Landstraße entlang fährt. Solange kein besonderes Hindernis in Sicht ist, blickt er weit voraus, vielleicht zwei Sekunden. Wohin er schaut, dorthin lenkt er das Fahrzeug. Dieses folgt dem Blickpunkt auf einer Traktrix, einer Schleppkurve. Dabei werden alle kurzwelligen Störungen geglättet, die Kurven „geschnitten“. Umso mehr, je weiter der Blick voraus gerichtet ist. Das Lenkrad wird nur ganz wenig und langsam (niederfrequent) bewegt.

Nähert sich der Fahrer einem Hindernis, zum Beispiel einer Engstelle, hervorgerufen durch ein am Straßenrand parkendes Fahrzeug, dann wird er den Blick auf diese Engstelle richten, die er passieren muss. Er kann nicht mehr so weit vorausschauen. Seine Lenkradbewegungen werden damit rascher (hochfrequenter), denn er muss sein Fahrzeug durch die Engstelle bringen, die nicht viel breiter als sein Fahrzeug ist. Wie im Kapitel 3 beschrieben, erhöht sich die Frequenz der Lenkbewegung und verringert sich ihre Dämpfung. Gleichzeitig wird er vielleicht die Geschwindigkeit zurücknehmen, um rechtzeitig anhalten zu können, wenn sich die Engstelle als zu eng erweist oder jemand hinter dem Fahrzeug hervortritt oder sich eine Tür öffnet. Sobald er glaubt die Engstelle sicher passieren zu können und mit weiteren Störungen nicht mehr rechnen zu müssen, richtet er den Blick wieder weiter nach vorn. Seine Lenkbewegungen werden langsamer und besser gedämpft.

Natürlich kann man bestimmte Situationen im Experiment herbeiführen und die Reaktionen messen und auswerten.

Untersuchungen ins Labor zu holen, wo sie weniger aufwendig aber natürlich nur mit einem Abstrich an Realität durchführbar sind. Bild 1-7 zeigt die Ergebnisse eines solchen Simulatorversuches, der anlässlich der Deutschen Industrieausstellung 1968 in Berlin durchgeführt wurde. Dabei haben sich beliebig viele Versuchspersonen angeboten, die eine breite Datenbasis geliefert haben. Sie wurde bezüglich Alter, Geschlecht, Fahrpraxis, usw. ausgewertet >1.6 .

Das grundsätzliche Verhalten des Fahrers kann aber schon an sehr einfachen Simulatoren untersucht werden, >1.10 . In Bild 1-8 ist das Ergebnis einer Untersuchung angegeben, bei der die Versuchsperson einer sich sprungartig ändernden Fahrspur folgen sollte. Mit einer bestimmten Verzögerung und einem Überschwingen nach dem Sprung kann die Versuchsperson die Aufgabe lösen. Aber auch wenn die Krümmung konstant ist, onduliert der Lenkwinkel. Störungen aus dem Nervensystem und eine unzureichende Dämpfung sind die Ursache. Nun war es interessant, die dabei auftretende Frequenz und die Amplitudenverteilung kennen zu kernen: die Frequenz liegt zwischen 0,5 und 1 Hz, die Amplituden sind annähernd normal verteilt.

Bild 1-7

Kursfolgen an einem Simulator: dem im Maßstab 1 : 250 dargestellten Kurs von real 1,75 km Länge und einer Fahrbahnbreite von 7,5 m soll mit einem Fahrsimulator gefolgt werden >1-6 . Oben die dabei tatsächlich gefahrene Krümmung im Vergleich mit der Sollkrümmung dargestellt. Darunter die tatsächlich gefahrene und die mögliche Fahrgeschwindigkeit bei Einhalten der Mittellinie, bzw. Nutzen der Fahrbahnbreite.

Bild 1-8 Sollund Istspur an einem einfachen Fahrsimulator aus >1-10 . Bei allen diesen Versuchen zeigt sich, dass die Versuchspersonen mit einer Frequenz von 0.5–1 Hz folgen. In dieser Arbeit wird auch nachgewiesen, dass die Störungen etwa normal verteilt sind.

1.2.3 Folgeaufgaben

Man kann sich natürlich von Fahrzeugmodellen ganz freimachen und einfach danach fragen, wie der human operator eine Folgeaufgabe löst. Bild 1-9 veranschaulicht eine solche Untersuchung. Die Versuchsperson sieht nicht nur den Sollwert, sondern auch die Zukunft desselben. Die gezackte Kurve rechts stellt diesen Verlauf dar. Diese Kurve bewegt sich nach unten, gewissermaßen auf die Versuchsperson zu. Sie kann einen Vorhalt bilden. Nun kann man versuchen durch die Wahl der Parameter eines human operator-Modells eines zu finden, dass einer bestimmten Versuchsperson entspricht. Oder man kann die Vorausinformation verkürzen, was etwa einer Fahrt im Nebel entspricht. Man kann aber auch untersuchen, welche Werte des human operator-Modells zur besten Anpassung führen. Im vorliegende Fall führt eine Vorhaltezeit von S = 0.46 s bei einer Verzugszeit von T = 2 s zu einer Abweichung (xe-xa)eff von 0.01.

Konkrete Fahraufgaben, wie z. B. ein genormtes Spurwechselmanöver, können eingeübt werden: nach einigen Versuchen bleibt die rhythmische Abfolge der Lenkeinschläge haften, der Fahrer ruft sie ab und versucht sie von einem Mal auf das andere Mal zu verbessern. Solche in sich geschlossenen Regelprozesse gibt es an vielen Stellen der Straße. Sie werden dort eingeübt, wo man sie täglich passiert. Aber abgesehen davon ist jeder Fahrer in der Lage, eine nie zuvor befahrene Strecke zu befahren.

Bild 1-9 Folgesimulation.

Rechts In diesem Fall hat die Versuchsperson die Aufgabe, den Istpunkt (xa) dem Sollpunkt (xe) nachzuführen, rechts. Dabei sieht sie nicht nur die augenblickliche Reglerabweichung sondern auch den zukünftigen Verlauf der Sollwerte.

Links ist ein Ergebnis dargestellt (Kreise entsprechen dem Istpunkt).

Bild 1-10 Fahrzeugführung.

1.3 Signalflussbilder

Auch der akustische Regelkreis ist von Bedeutung: Seitenwindböen und Pfützen werden akustisch wahrgenommen, auch Steinchen, die mit größerer Häufigkeit gegen den Fahrzeugboden prasseln, wenn das Fahrzeug die normale Fahrspur verlässt. Mancher Autofahrer wurde dadurch schon aus dem Schlaf gerissen. Im Straßenbau sind Riffelungen der Fahrbahnbegrenzung von Vorteil, weil sie die Aufmerksamkeit wecken. In Tunnel mit Gegenverkehr werden sie z. T. angewendet.

Der Fahrer steuert das Fahrzeug durch Eingabe von Lenkwinkel, Gaspedalstellung und Bremsbetätigung. Das Fahrzeug wird außerdem von Störungen beeinflusst (Seitenwind, Unebenheiten der Fahrbahn, unterschiedliche Haftbeiwerte links und rechts). Daraus ergibt sich die Bewegung des Fahrzeugs, seine Position auf der Straße und im Verkehr. Diese sieht der Fahrer und schließt damit den Regelkreis. – Im Regelkreis gibt es außerdem noch Kurzschlüsse, die besonders für rasche Reaktionen wichtig sind: Querbeschleunigung und Lenkmoment informieren über die Krümmung der Fahrspur, also über den zukünftigen Verlauf der Fahrspur. Das Lenkmoment liefert außerdem noch Informationen über die Straßenbeschaffenheit (Welligkeit, Haftbeiwert). Akustisch wird der Fahrer durch Motor-, Luftund Reifengeräusch über Geschwindigkeit, Luftbewegung, Längsund Querbeschleunigung informiert.

1.4 Fahrhilfen

Fahrhilfen unterstützen den Fahrer bei seiner Aufgabe, ohne ihm die Verantwortung dafür zu nehmen, Bild 1-11. Die Eingriffsmöglichkeiten in die Leistungsregelung („elektronisches Gaspedal“), in die Bremsfunktion (ABS) und in die Lenkung (Servolenkung, Aktivlenkung) ermöglichen eine ganze Reihe von Funktionen, die dem Fahrer helfen, bestimmte Situationen, besser zu meistern, Tabelle 1-1.

Tabelle 1-1 Fahrhilfen (Fahrerassistenzsysteme): Eingriffe

X bedeutet den wesentlichen Eingriff

?einen möglichen Eingriff

–unwesentlicher Zusammenhang

Anfahrschlupf- Übersteigt die Beschleunigung der Raddrehzahl ein bestimmtes Maß regelung: („durchdrehende Räder“), wird die Leistung zurückgenommen.

Geschwindigkeits- Durch Leistungseingriff wird die vom Fahrer eingestellte Geschwindigkeit regelung: eingeregelt. Wird zusätzlich der Abstand zum Vorausfahrenden ermittelt, dann kann über den Leistungseingriff (und Bremseingriff) eine Abstandsregelung erfolgen. Dynamik und Modifikation der Sensierung durch das

Navigationsprogramm.

Differentialsperre: Übersteigt die Beschleunigung der Raddrehzahl ein bestimmtes Maß („durchdrehende Räder“), dann wird es gebremst, um das Reibungspotential des anderen Rades der Achse auszunutzen.

Entsprechendes gilt für die Räder eines Fahrzeugs mit Mehrachsantrieb.