SIEMENS

Ein rollender Computer ist unser Auto heute bereits. In Oberklasse-Fahrzeugen stecken bis zu 100 Steuergeräte und mehrere Dutzend Sensoren. Motor, Getriebe, Bremsen, Airbags, selbst elektrische Fensterheber sind mit einer ausgeklügelten Elektronik ausgerüstet, die sogar erkennt, wenn sich eine Kinderhand zwischen Scheibe und Dachrahmen befindet. Assistenzsysteme unterstützen den Fahrer bei der Spurhaltung, beim Einparken oder warnen ihn vor drohender Übermüdung. In sehr kritischen Situationen sind manche Autotypen bereits jetzt so ausgestattet, dass sie von alleine bremsen. Daran beteiligt sind dann nicht nur die Fahrdynamikregelung, sondern auch die „Kleinhirne“ des Getriebes, das automatisch zurückschaltet, und der Sicherheitseinrichtungen, die die Gurte straffziehen.

Für den Kommunikationsbus des Fahrzeugs, der den Datenaustausch zwischen den einzelnen Subsystemen ermöglicht, ist dies eine extreme Belastungssituation. Denn grundsätzlich herrscht an Bord moderner Fahrzeuge Anarchie, alle Steuergeräte sind gleichberechtigt. Je autonomer sich Fahrzeuge auf unseren Straßen bewegen, desto schwieriger wird es, dies mit der heute üblichen Form der dezentralen Intelligenz, also der verteilten Elektronik und Software-Module, zu leisten. Der Datenstau wird eines Tages auch durch immer noch schnellere Leitungen und Protokolle nicht mehr zu vermeiden sein.

„Es geht also darum, die Ursachen und nicht nur die Symptome zu bekämpfen“, erläutert Prof. Dr. Gernot Spiegelberg, der innerhalb der Siemens-Forschung Corporate Technology die Elektromobilitätskonzepte verantwortet. Spiegelbergs Lösungsvorschlag basiert auf der Funktionsweise des menschlichen Gehirns. So wie dort Areale für bestimmte Aufgaben wie das Sehen, das Ansteuern der Muskeln oder das Speichern von Erinnerungen zuständig sind – so soll eines Tages ein zentraler Rechner mit einer funktionsorientierten Software-Architektur das Auto steuern. Damit stiege die Verarbeitungsgeschwindigkeit in komplexen Verkehrssituationen, einzelne Funktionen wären jederzeit austauschbar oder nachrüstbar, und die komplette Software könnte mit geringerem Aufwand von einer Fahrzeugvariante auf die andere übertragen werden. So simpel das klingt, es wäre eine Revolution für die Autoindustrie, die ihre Elektroniklieferanten nach wie vor für Hardware-Komponenten bezahlt – die teure Software-Entwicklung wird momentan auf die Komponentenstückzahl umgelegt.

Evolution und Revolution. Wie eine Elektronik-Architektur für das Automobil der Zukunft aussehen kann, erforscht das von Siemens koordinierte Projekt RACE – das Akronym steht für „Robust and Reliant Automotive Computing Environment for Future eCars“, frei zu übersetzen mit „Robuste und zuverlässige Rechnerumgebung für zukünftige Elektroautos“. Beteiligt sind an dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie mit rund zehn Millionen Euro geförderten Projekt außer Siemens der Autozulieferer TRW, der Dienstleister AVL und fünf renommierte Hochschulinstitute. Bis Ende 2014 wollen die Partner nicht nur Hard- und Software, Systemaufbau und Sensorintegration theoretisch beschreiben, sondern auch zwei Fahrzeugprototypen aufbauen.

Der erste Prototyp, „Evolution“ genannt, dient vor allem dazu, den Übergang von den heutigen in künftige Architekturen zu demonstrieren. Die größte Herausforderung sind nämlich die hohen Kosten der Neuentwicklung der kompletten Software, wie Prof. Dr. Manfred Broy von der Technischen Universität München bestätigt: „Es ist offensichtlich, dass wir im Automobil auf lange Sicht andere Systemarchitekturen brauchen. Man muss sich aber klar machen, welchen Investitionswert die heutige Software in Fahrzeugen besitzt und wie aufwändig es ist, diese umzuschreiben und zum Teil neu zu konzipieren.“ In diesem Teilprojekt soll auch gezeigt werden, dass eine funktionsorientierte Architektur auf Dauer erhebliche Kosteneinsparungen ermöglicht. Ist eine Komponente einschließlich der Software beispielsweise nach der strengen Sicherheitsnorm ISO 26262 zertifiziert, dann soll sie ohne Modifikationen und weitere Tests auch in ein anderes Fahrzeug des gleichen Herstellers eingebaut werden können – so wird es bereits heute in der Luftfahrtindustrie gehandhabt.

Der zweite Prototyp soll hingegen zeigen, wie eine „Revolution“ aussehen könnte. In diesem Fahrzeug soll die komplett neu entwickelte Systemarchitektur vollständig umgesetzt werden – und zwar so, dass Elektroantrieb, Bremssystem und alle anderen fahrrelevanten Funktionen so gut funktionieren, dass das Auto für den öffentlichen Straßenverkehr zugelassen werden könnte. Spiegelberg: „Wir werden sehen, dass auch hier Kosteneinsparungen möglich sind, indem wir die gesamte Fahrzeugarchitektur massiv anders gestalten als in heutigen Fahrzeugen.“ Gleichzeitig sollen völlig neue Fahrzeugkonzepte einfacher umzusetzen sein.

Beispielsweise wird der Prototyp mit Radnabenantrieben an der Hinterachse versehen. Sie sollen das Fahrzeug nicht nur flott voranbringen, sondern auch so große Bremskräfte erzeugen können, dass eine Betriebsbremse mit verschleißanfälligen Reibbelägen nur mehr an den Vorderrädern notwendig ist. Das spart Kosten, außerdem müssen sich nicht zwei Steuergeräte – eines für die Funktion Bremsen, eines für den Antrieb – um die Steuerung der Längsdynamik kümmern. In diesem Fahrzeug wird sogar die Lenkung „by Wire“ gesteuert, das heißt, die Lenksäule als mechanische Verbindung vom Lenkrad zur Vorderachse entfällt. Die genaue Struktur der Software wird erst im Lauf des Anfang 2012 gestarteten Projektes festgelegt. Software-Experte Broy geht davon aus, dass Client-Server-Strukturen, Service-orientierte Architekturen (SOA) und auch Schichtenarchitekturen eine größere Rolle spielen werden. Alle drei Arten, komplexe Software zu strukturieren, laufen auf die Einführung einer straffen Hierarchie hinaus: In einer Schichtenarchitektur sind die Komponenten nicht mehr gleichberechtigt, höhere Schichten dürfen die Bestandteile der niedrigen nutzen, aber nicht umgekehrt. Bei einer Client-Server-Struktur ist die Software zwar auf verschiedene Hardware-Komponenten verteilt, allerdings ist klar definiert, wer was zu sagen hat. Bei Service-orientierte Architekturen (SOA) wird die Software nach fachlichen Zuständigkeiten strukturiert.

Analog gilt das auch für die Hardware, wobei immer häufiger intelligente Sensoren eingesetzt werden. Denn heutige und künftige Assistenzsysteme sind darauf angewiesen, dass das Auto die Umwelt wahrnimmt. Stereokameras, Laser und Radarsensoren sowie (für den Nahfeldbereich) Ultraschallsensoren werden nicht nur einen vollständigen Rund-um-Blick ermöglichen, sondern sind künftig auch mit einer dezentralen Intelligenz ausgestattet. Diese Knoten im vegetativem Nervensystem des Autos übernehmen die Signalaufbereitung für das Zentralgehirn, das für die Lageerkennung und falls nötig für das Handeln zuständig ist.

Eine spannende, bei RACE ebenfalls untersuchte Frage ist, in welchen Regelkreisen intelligente Sensoren direkt mit intelligenten Aktoren gekoppelt werden können, so dass das Zentralgehirn gar nicht mehr eingreift, sondern nur überwacht. Ein denkbarer Einsatzfall wäre etwa die Bremskraftregelung.

Updates jederzeit. Und der Autofahrer? Er dürfte von neuen Software-Strukturen vor allem profitieren, wenn es leichter wird, Funktionen nachträglich zu integrieren. Updates für das Infotainmentsystem sind schon heute Standard, aber wenn ein Premiumhersteller ein neues Assistenzsystem zur Unfallvermeidung auf den Markt bringt, gibt es das nur in neuen Fahrzeugen. Dagegen könnte künftig mit der neuen Informationsarchitektur von Siemens die Nachrüstung einfach aufgespielt werden. Damit derart offene Systeme nicht Opfer von Hackerangriffen werden, untersucht RACE auch die Sicherheit der neuen Architektur. Grundsätzliche Probleme sieht Broy jedoch nicht: „Wie man Software-Updates sicher gestaltet, ist im Prinzip bekannt. Das bedeutet den Einbau von Firewalls, die Einführung klarer Sicherheitsanforderungen und ein generelles Security-Konzept für die Systeme im Auto.“ „The race is on“, sagen britische Kommentatoren nach dem Start eines Formel-1-Rennens. Das gilt auch für das Rennen um eine zukunftsfähige Elektronikstruktur im Auto.