Schaltungsanordnung zum Steuern eines Fahrwerks- oder Antriebssystems in einem Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. In der Kraftfahrzeugtechnik nehmen neuerdings adaptive Systemkomponenten in den Bereichen Fahrwerks- und Sicherheitstechnik sowie Antriebsmanagement an Bedeutung zu. Die Einstellung bestimmter Einrichtungen oder Systeme im Fahrzeug - wie z.B. Au- tomatikgetriebe, aktive Dämpfung und Niveauregulierung, oder Lenkkraftverstärkung - soll dabei an die jeweilige Fahrsituation angepaßt werden.

Ein bekanntes Steuersystem zum Schalten eines automatischen Getriebes unter Ver¬ wendung von Fuzzy-Logik-Methoden berücksichtigt bei der Auslegung von Schaltstrate- gien die Fahrleistung, den Verbrauch und den Aufwand und reagiert auch auf die Fahr¬ weise und den Fahrzustand (WO 93/23 689). Es benötigt dazu eine größere Anzahl un¬ terschiedlicher Regelsätze von Fuzzy-Produktionsregeln, die das Wissen eines mensch¬ lichen Experten wiedergeben und die somit alle von dem Entwickler des Steuersystems vorgegeben werden müssen. Dazu ist ein erheblicher Arbeitsaufwand erforderlich. Au- ßerdem ist das menschliche Expertenwissen auch hier mit Unsicherheiten behaftet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Erkennung der jeweils aktuel¬ len Fahrsituation eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, das in der Lage ist, maschinell zu lernen und damit auch nichtlineare Steuervorschriften selbsttätig zu erarbeiten und zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen nie¬ dergelegt.

Ein Vorteil der Erfindung ist, daß sie ein System zur Erkennung der aktuellen Fahrsitua¬ tion in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stellt. Das Klassifikationssystem liefert anhand verschiedener, im Kraftfahrzeug laufend gemessener Sensordaten, Aussagen über den aktuellen Fahrzustand in Bezug auf Fahrdynamik, Fahrmanöver und Fahrerverhalten. Diese Informationen ermöglichen eine intelligente, zeitlich adaptive, fahrsituationsab¬ hängige Steuerung verschiedener Systeme im Kraftfahrzeug. Der zunehmende Einsatz solcher adaptiven Komponenten in den Bereichen Fahrwerks- und Antriebssysteme

zeichnet sich schon derzeit ab und wird eine noch größere Bedeutung in zukünftigen Fahrzeuggenerationen erhalten, da sich damit eine Erhöhung von Fahrsicherheit, -Öko¬ nomie und -komfort erzielen läßt.

Weitere Beispiele für adaptive Fahrzeugsysteme, für die eine fahrsituationsabhängige Steuerung vorteilhafterweise angewendet werden kann, sind Allradlenkungen, Hybrid¬ antriebe, sog. intelligente Geschwindigkeitsregelanlagen und Antischlupfregelungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläu- tert. Es zeigen:

Figur 1: eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung im Überblick, Figur 2: eine zur Erläuterung einer in der Schaltungsanordnung nach Figur 1 durchge¬ führten Fusion von Sensorsignalen dienende räumliche Darstellung eines Kraft- fahrzeugs,

Figur 3: eine Darstellung von bei der Verarbeitung von Sensorsignalen verwendeter

Zeitfenster, Figur 4: Eingangszugehörigkeitsfunktionen eines Fuzzy-Systems in Figur 1 , Figur 5: Ausgangszugehörigkeitsfunktionen des Fuzzy-Systems in Figur 1, Figur 6: eine in der Schaltungsanordnung nach Figur 1 verwendete Fuzzy-Regelbasis, Figur 7: eine grafische Darstellung einer in Figur 1 durchgeführten Fuzzifizierung, Figur 8: ein Regelneuron eines neuronalen Netzes in Figur 1 , und Figur 9: eine Darstellung einer Fuzzy-Neuro-Topologie der Schaltungsanordnung von Figur 1.

Eine Schaltungsanordnung 1 (im folgenden auch als Steuerungl bezeichnet) dient zum Steuern einer der genannten Einrichtungen oder Aggregate in einem Kraftfahrzeug 2 (Figur 1). Sie empfängt über in der Zeichnung nur angedeutete Signalleitungen 3 Sen¬ sordaten, die in dem Kraftfahrzeug 2 erfaßt werden. Die Sensordaten können direkt von verschiedenen Sensoren oder indirekt - z.B. nach einer Verarbeitung in einem ABS-Ge- rät - übermittelt werden. Die Schaltungsanordnung 1 kann gedanklich in zwei Teilsy¬ steme A und B gegliedert werden, wie in Figur 1 durch eine gestrichelte Trennlinie 4 an¬ gedeutet ist. Diese Teilsysteme oder Verarbeitungsblöcke A und B arbeiten im wesentli¬ chen unabhängig voneinander und werden durch einen Kernbaustein 6 - auch als "Integriertes Neuro-Fuzzy-System" bezeichnet - miteinander gekoppelt. Die Ausgangssi¬ gnale des Verarbeitungsblockes A gelangen als Stell- oder Steuersignale zu einer zu steuernden Einrichtung 5 (zum Beispiel zu einem automatischen Getriebe). Der Block A

weist folgende Komponenten auf: einen Signalspeicher 8, einen Vorverarbeitungsbaus¬ tein oder -Schaltung 9 und ein Fuzzy-System 10.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung 1 basiert auf der Verbindung des Kon- zepts einer Klassifikation mit einem Fuzzy-System mit dem Konzept eines neuronalen Netzes in einem Neuro-Fuzzy-Gesamtsystem. Ein solches Neuro-Fuzzy-Erkennungs- oder Klassifikationsverfahren gestattet beim Entwurf und der Entwicklung von Steuerung die gemeinsame Nutzung der Eigenschaften von Fuzzy-Systemen und von neuronalen Netzen in einem integrierten System. Zum einen kann damit vorhandenes Expertenwis- sen mit Hilfe linguistisch formulierter WENN-DANN-Regeln (in einer Fuzzy-Regelbasis) und gewichtender Zugehörigkeitsfunktionen verarbeitet werden. Zum anderen kann die Fähigkeit eines neuronalen Netzes genutzt werden, nichtlineare Zusammenhänge an¬ hand der verfügbaren, aufgenommenen Sensordaten zu erlernen. Die Kombination von Expertenwissen und Prozeßdaten gestattet es, ein vollständiges Bild der Zusammen- hänge zu erstellen.

Als Eingangsgrößen für die Schaltungsanordnung 1 werden bis zu zwölf verschiedene Sensorinformationen benutzt, die fortlaufend im Fahrzeug gemessen und im Signalspei¬ cher 8 abgelegt werden. Die Sensoren selbst sind nicht dargestellt, da sie allgemein be- kannt sind. Wichtige Sensorsignale sind z.B. die momentane Geschwindigkeit, die Stel¬ lung der Drosselklappe, der eingelegte Gang, die Querbeschleunigung und die Motor¬ drehzahl des Kraftfahrzeugs 2. Diese sog. primären Sensorsignale werden nach einer Vorverarbeitung und einer teilweisen Fusion in der Schaltung 9 dem Fuzzy-System 10 zugeführt, das anhand der momentanen Eingangsdaten die aktuelle Situation einschätzt oder klassifiziert, d.h. z.B. in eine der folgenden Kategorien einordnet: "Stop", "Stadtver¬ kehr", "Landstraße (gerade, kurvig, bergig, ...)" , "Autobahn" usw.

Der vollständige Funktionsablauf wird nun anhand des Datenflusses erläutert. Im Kraft¬ fahrzeug 2 werden verschiedene Sensor- und Steuersignale, wie z.B. über die momen- tane Geschwindigkeit, die Stellung der Drosselklappe, den eingelegten Gang, die Quer¬ beschleunigung oder die Motordrehzahl, während der Fahrt kontinuierlich aufgezeichnet und in dem Signalspeicher 8 abgelegt. Diese Sensorsignale werden anschließend dem Vorverarbeitungsbaustein 9 zugeführt. Hier erfolgt neben einer Vorfilterung und Glättung der Sensorsignale eine Verarbeitung unter Berücksichtigung der zeitlichen Historie der Signale. Außerdem wird eine zeitliche Datenkompression und, durch eine Zusammen¬ fassung oder Fusion verschiedener Sensorsignale, eine Dimensionsreduktion durchge¬ führt. Durch geeignete Fusion verschiedener Sensorinformationen werden hier z.B. acht

Sensorsignale zu vier verschiedenen Fusionssignaleπ verknüpft. Durch diese Vorverar¬ beitung erreicht man damit einerseits eine Herabsetzung der Abtastrate und andererseits eine Reduzierung der Dimensionalität des Klassifikationsproblems.

Die vorverarbeiteten Sensorsignale werden anschließend dem Fuzzy-System 10 - im folgenden auch als Fuzzy-Klassifikationssystem bezeichnet - zugeführt, das anhand der momentanen Eingangsdaten die aktuelle Fahrsituation einschätzt, d.h. klassifiziert. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt eine Klassifizierung in fünf verschiedene Fahrsituationsklassen. Da der Block (A) für sich das eigentliche Erkennungssystem bil- det, welches im Kraftfahrzeug 2 im Online-Betrieb zum Klassifizieren der Fahrsituation eingesetzt wird, entspricht der beschriebene Datenfluß deshalb auch exakt dem Ablauf der Verarbeitung im Fahrzeug während der Fahrt.

Das Teilsystem B dient zur Generierung und Optimierung des Fuzzy-Klassifikationssy- stems im Offline-Betrieb durch Einsatz eines neuronalen Netzes 12. Dieses Teilsystem kommt nur während der Entwurfs- und Entwicklungsphase der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zum Einsatz und ist danach nicht Bestandteil des Online-Erken¬ nungssystems im Fahrzeug 2. Das Teilsystem B besteht aus einer Datenbank 13 mit Vi¬ deoaufzeichnungen von Meßfahrten, einem Referenzdatenspeicher 14 und dem neuro- nalen Netz 12, das vorliegend als Simulationsrechner realisiert ist. Die Kopplung beider Teilsysteme A und B erfolgt durch das integrierte Neuro-Fuzzy-System 6.

Die Signale am Ausgang des neuronalen Netzes werden über eine Datenieitung 16 mit negativem Vorzeichen auf ein Addierglied 17 rückgekoppelt und in diesem von den auf einer Datenleitung 18 eintreffenden Ausgangssignalen des Referenzdatenspeichers 14 subtrahiert. Die Differenz wird einem Eingang des neuronalen Netzes 12 zugeführt. Ent¬ sprechend der hier gewählten fünf Fahrsituationsklassen sind die Datenleitungen 16 und 18 als Fünffachleitungen ausgebildet. Die von dem Vorverarbeitungsbaustein 9 geliefer¬ ten Sensordaten gelangen über ein (Vierfach-)Datenleituπg 19 auf einen zweiten Ein- gang des neuronalen Netzes 12.

Die Arbeitsweise und das Zusammenspiel der beiden Verarbeitungsblöcke A und B läßt sich anhand der Entwicklungsphase wie folgt beschreiben. Die Basis für die Schaltungs¬ anordnung 1 wird von einem Fuzzy-Klassifikationssystem gebildet, das in einem ersten Schritt der Entwicklungsphase mit Hilfe von vorhandenen Informationen und existieren¬ dem Expertenwissen aufgestellt wird. Das Fuzzy-System 10 wird im ersten Schritt mit ei¬ ner die für die Klassifikationsaufgabe erforderlichen Struktur versehen, wie z.B. Anzahl

der Eingangs- und Ausgangsvariablen, Anzahl der Zugehörigkeitsfunktionen und einer initialen Regelbasis. Das Fuzzy-System führt später die eigentliche Fahrsituationsklassi- fikation im Online-Betrieb im Fahrzeug 2 durch. Im einem zweiten Schritt wird das initiale Fuzzy-System in dem Integriertes Neuro-Fuzzy-System 6 vollständig und ohne jeglichen Verlust von Information in die Struktur eines neuronalen Netzes konvertiert. Dadurch steht im Verarbeitungsblock B ein neuronales Netz 12 zur Verfügung, welches dasselbe Klassifikationssystem repräsentiert, wie das Fuzzy-System und das identische Eingangs¬ und Ausgangsverhalten aufweist. Diese Fuzzy-Neuro-Transformation realisiert die Über¬ setzung von der Repräsentation des Erkennungssystems innerhalb der Fuzzy-Domäne in die Neuro-Domäne. Dabei handelt es sich um eine korrespondenzerhaltende bidirek¬ tionale Transformation, d.h. die Topologie des neuronalen Netzes kann zu jedem Zeit¬ punkt wieder in die Repräsentation als Fuzzy-System überführt werden.

Im Teilsystem B wird nun anschließend mit Hilfe des neuronalen 12 Netzes ein in dem Fuzzy-System 10 enthaltener Fahrsituationsklassifikator trainiert und damit eine datenge¬ triebene Optimierung des Erkennungssystems durchgeführt. Dabei werden unterschied¬ liche Komponenten des Fuzzy-Klassifikators verändert, verworfen oder neu generiert. Das Training des neuronalen Netzes 12 wird im Offline-Modus mit Trainingsdaten durch¬ geführt, die aus einem geeigneten Satz von Eingangsdaten und Ausgangsdaten des Kiassifikators bestehen. Als Eingangsdaten dienen die aufgezeichneten vorverarbeiteten Sensordaten aus dem Fahrzeug 2, aus denen der Klassifikator die aktuelle Fahrsituation bestimmt. Das Klassifikationsergebnis am Netzausgang (Klassifikatorausgangsvektor) wird im Lernvorgang verglichen mit dem idealen Referenzausgangsvektor. Mit Hilfe eines Fehlers e, der sich aus der Differenz von Klassifikatorausgangsvektor und Referenzaus- gangsvektors ergibt, wird das neuronale Netz nach dem bekannten Backpropagation- Algorithmus trainiert (siehe zum Beispiel S. Y. KUNG, Digital Neural Networks, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1993, Seiten 24-40, insbesondere S. 39 und R. ROJAS, Theorie der neuronalen Netze, Springer- Verlag Berlin Heidelberg, 1993, S. 149-172).

Ein hierbei durchgeführtes überwachtes ("supervised") Training des Kiassifikators erfor¬ dert die Bereitstellung eines Referenzdatensatzes, der in Korrespondenz zu den wäh¬ rend einer Fahrt mit dem Kraftfahrzeug 2 aufgenommen Sensorsignalen zu jedem Zeit¬ punkt die tatsächliche aktuelle Fahrsituationsklasse angibt. Dazu wird bei verschiedenen Meßfahrten parallel zur Messung und Speicherung der Sensordaten zusätzlich der Fahrtverlauf mit einer Videokamera, die frontal an dem Kraftfahrzeug angebracht ist, aufgezeichnet. Die Videoaufzeichnung wird zum Beispiel von einem Systementwickler

ausgewertet und - abhängig von der gewünschten Anzahl der Klassen - wird dann der zeitliche Verlauf der Fahrsituationsklassen aufgestellt und als Referenzdatensatz (auch als Zieldatensatz oder Target bezeichnet) abgelegt. Die Referenzdaten können aber auch auf beliebige andere Art zur Verfügung gestellt werden. Beim Training kann so dem neuronalen Netz 12 für jeden Lernschritt eine Sensordatenkombination als Eingangsvek¬ tor (aus 4 Eingangswerten bestehend) und die dazugehörige Angabe der Fahrsituati- oπsklasse als Ausgangsvektor (5 Klassen) eingegeben werden. Das Training wird solan¬ ge ausgeführt, bis eine vorgegebene Fehlerschwelle e zwischen Netzausgang und Refe¬ renz unterschritten ist.

Nach Abschluß des Trainings und damit der Optimierung des Kiassifikators wird das re¬ sultierende neuronale Netz wieder vollständig in die Fuzzy-Repräsentation des Teilsy¬ stems A zurückübersetzt. Das Teilsystem B, in dem das datengetriebenen Training durchgeführt wurde, wird dann abgetrennt und ist nicht mehr Bestandteil des im Fahr- zeug implementierten Fahrsituationserkenners. Die sich durch das Training ergebenden Änderungen der Komponenten des (Fuzzy-Klassifikators ?) Fuzzy-Systems 10 - es sind dies die Form und Lage der Zugehörigkeitsfunktionen von Ein- und Ausgangssignalen und die Fuzzy-Regelbasis - können anschließend visualisiert und beurteilt werden. Nach anschließender Evaluierung in einem entsprechenden Simulationswerkzeug (wie zum Beispiel das auf dem Markt unter der Bezeichnung SieFuzzy erhältliche Siemens CAE- Entwicklungssystem) ist damit die Entwicklung der Steuerschaltung 1, welche sowohl auf Expertenwissen als auch auf gemessene Sensordaten zurückgreift, abgeschlossen und das Fuzzy-System 10 - hier auch als Fuzzy-Fahrsituationsklassifikationssystem mit Vor¬ verarbeitung bezeichnet - kann im Fahrzeug 2 zum Steuern der vorgesehen Einrichtung 5 eingesetzt werden.

Der Entwicklungsablaufs im Neuro-Fuzzy-System 6 wird in folgenden zusammenfassen erläutert. Die einzelnen Entwicklungsschritte werden in den Verarbeitungsblöcken durch¬ geführt, die sich aus folgender Tabellel ergeben.

Entwicklunqsschritt: Verarbeitungsblock:

1. Entwurf des initialen Fuzzy-Systems (Expertenwissen) A

2. Übersetzung des Fuzzy-Systems in ein neuronales Netz (Fuzzy-Neuro-Transformation) A-B

3. Training des neuronalen Netzes (Sensordaten u. Videoinformation) B

4. Rückübersetzung des neuronalen Netzes in ein Fuzzy-System (Neuro-Fuzzy-Transformation) B-A

5. Endgültige Fahrsituationsklassifikation im Fahrzeug A

Tabelle 1

Die im Fahrzeug aufgenommenen Sensordaten werden zuerst dem Vorverarbeitungs- baustein oder -stufe 9 zugeführt, in dem aus den verschiedenen Meßparametern die eigentlichen Eingangssignale für das Fuzzy-Klassifikationsystem abgeleitet oder berech¬ net werden. In diesem Verarbeitungsschritt erfolgt zum einen eine Filterung und die Er¬ fassung der zeitlichen Vorgeschichte der Sensorsignale und zum anderen eine Fusion der verschiedenen Meßparameter. Im Fahrzeug 2 werden folgende Sensorsignale wäh- rend der Fahrt aufgezeichnet:

nab: Abtriebsdrehzahl (proportional zur Fahrgeschwindigkeit) bl: Bremslicht, Betätigung der Bremse nmot: Motordrehzahl a_quer: Querbeschleunigung m_diff: Momentenbilanz am Getriebeabtrieb, Betrag des Differenzmomentes (daraus kann eine Schlußfolgerung über Steigungen und Gefälle gezogen werden) gangjst: aktiver Gang fahren Fuzzy-Klassifikation des Fahrstils

Um die Anzahl der notwendigen Eingangsvariablen für das Fuzzy-Klassifikationssystem zu reduzieren, bei gleichzeitiger Einbeziehung aller zur Verfügung stehenden Meßpara¬ meter, werden die genannten Sensordaten geeignet miteinander verknüpft und daraus vier neue Signale abgeleitet. Ziel dieser Sensorsignalfusion ist die Beschreibung des augenblicklichen dynamischen Fahrzustandes anhand der drei Raumachsen x, y, z

(Figur 2), sowie anhand einer rein geschwindigkeitsabhängigen Komponente w. Die Zu¬ sammenfassung der Rohsignale und damit die Reduktion der Eingangsdimensionalität

des Problems erleichtert die Modellbildung und ermöglicht die Formulierung einer nach¬ vollziehbaren, übersichtlichen Regelbasis für den Fuzzy-Klassifikator. Die vier Fuzzy- Eingangsvariabien werden aus den acht Sensorsignalen über die folgenden Beziehun¬ gen berechnet:

x (t) = fx {gangjst (t, t-1, t-2, t-3), nmot (t, t-1, t-2, t-3), bl(t)} y (t) = f _y {a_quer(t, t-1, t-2, t-3), nab (t, t-1, t-2, t-3), fahrer(t)} z (t) - f _z {m_diff(t, t-1, t-2, t-3), nab (t, t-1, t-2, t-3), fahrer(t)} w (t) = f _w {nab (t, t-1, t-2, t-3)}

Die Fuzzy-Eingangsvariable x wird so z.B. aus den Sensordaten gangjst, nmot und bl abgeleitet. Die Bezeichnung gangjst (t, t-1, t-2, t-3) bedeutet dabei, daß in diese Be¬ rechnung das aktuelle Zeitfenster / und zusätzlich die drei letzten zurückliegenden Zeit¬ fenster t-1, t-2, t-3 einfließen. Die Verarbeitung der unterschiedlichen Zeithistorien ist zur Verdeutlichung in Figur 3 dargestellt. Um eine Datenkompression durchzuführen, wird ein Zeitfenster w(t) mit der Länge L über das Rohsignal geführt und es wird jeweils der Mittelwert des im Fenster liegenden Signalabschnitts berechnet. Für das Sensorsignal gangjst würde dieser Mittelwert mit gangjst(t) beschrieben werden.

Um neben den aktuellen Sensordaten zusätzlich auch die zeitliche Historie, also den zu¬ rückliegenden Signalverlauf, zu berücksichtigen, werden außerdem die Mittelwerte von drei sich überlappenden, zurückliegenden Zeitfenstern w(t-1), w(t-2), w(t-3), jedoch mit unterschiedlichen Gewichtungen, mit einbezogen. Der aktuelle Wert für x(t) ergibt sich also aus vier Zeitfenstern des Sensorsignals gangjst, aus vier Zeitfenstern des Sensor- Signals nmot und aus dem aktuellen Zeitfenster des Sensorsignals bl. Danach werden die Zeitfenster um eine Fensterlänge L weitergesetzt.

Durch die Mittelwertbildung und das Springen der Fenster wird eine erhebliche Daten¬ kompression erreicht. In einem Ausführungsbeispiel wird eine Fensterlänge von L = 250 Abtastwerteπ und eine Überlappung von 50 % verwendet. Bei einer Aufnahme der Me߬ daten mit einer Abtastzeit von Tab = 40 ms ergibt sich damit ein neuer Wert für x(t) alle 10 s. Durch die Fensterlänge kann die Reaktionszeit des Systems und der zeitliche Ab¬ stand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausgaben des Fahrsituationsklassifikators festgelegt werden.

Die Struktur des Fuzzy-Systems 10, das die Fahrsituationsklassifizierung durchführt, ist für ein Ausführungsbeispiel in den Figuren 4, 5 und 6 wiedergegeben. Auf den Eingang

des Fuzzy-Systems werden in diesem Fall vier Eingangsparameter gelegt, die aus acht verschiedenen, vorverarbeiteten Sensorsignalen abgeleitet werden. Figur 4 zeigt eine mögliche Verteilung der Eingangszugehörigkeitsfunktionen. Der Wertebereich jeder Ein¬ gangsvariablen ist in die vier Zugehörigkeitsfunktionen VL (Very Low), L (Low), H (High), VH (Very High) aufgeteilt und die hereinkommenden scharfen Eingangssignale werden entsprechend fuzzifiziert und mit linguistischen Bezeichnungen versehen. Um die späte¬ re Transformation des Fuzzy-Systems in korrespondierende Elemente einer neuronalen Netztopologie zu ermöglichen, werden für die Zugehörigkeitsfunktionen Gaußfunktionen verwendet. Die veränderlichen Parameter Mittelpunkt m\ und Breite s\ der Gaußglocken werden im neuronalen Netz durch entsprechende Gewichte repräsentiert.

Das Klassifikationssystem hat die Aufgabe, aus den jeweils anliegenden Eingangspara¬ metern eine Aussage über die aktuelle Fahrsituation zu treffen. Als Ausgangsgröße soll in diesem Fall die Zuordnung zu einer von fünf verschiedenen Fahrsituationsklassen erfolgen, welche wie nachfolgend beschrieben werden können:

Klasse 1: Sehr hohe Geschwindigkeit, kontinuierliche Fahrsituation, gerade Strecke, keine zu hohen Querbeschleunigungen, keine starken Steigungen oder Ge¬ fälle (typisch für eine Bundesautobahn BAB)

Klasse 2: Hohe Geschwindigkeit, kontinuierliche Fahrsituation, gerade Strecke, keine zu hohen Querbeschleunigungen, keine starken Steigungen oder Gefälle (typ. Bundesstraße, Schnellstraße)

Klasse 3: Hohe/mittlere Geschwindigkeit, kontinuierliche oder unkontinuierliche Fahrsi¬ tuation, mögliche große Querbeschleunigungen und/oder starke Steigungen oder Gefälle (Landstraße, kurvig, hügelig, Übergänge zwischen Klasse 1 und 2, etc.)

Klasse 4: Niedrige Geschwindigkeit, oft unkontinuierliche Fahrsituation, hohe Verkehrs¬ dichte, mittlere/keine Querbeschleunigungen, mittlere/kaum Steigungen oder Gefälle (Innenstadt, Stop- und Go-Verkehr, äußerer Stadtbereich)

Klasse 5: Sehr niedrige Geschwindigkeit oder Halt (Ampel, Kreuzung, Parken, etc.)

Die Struktur des Fuzzy-Systems ist derart ausgelegt, daß es für jeden der fünf verschie¬ denen Fahrsituationsklassen genau ein Ausgangssignal gibt (Figur 5). Jeder Ausgang ist

mit nur zwei gaußförmigen Ausgangszugehörigkeitsfunktionen ausgestattet, eine davon mit Zentrum bei dem Ausgangswert 0 (Zugehörigkeitsfunktion Low), die andere bei dem Ausgangswert 1 (Zugehörigkeitsfunktion High). Für jeden Zeitschritt ergibt sich damit aus der aktuellen Kombination der vier Eingangsvariablen als Ergebnis der Defuzzifizierung ein fünfwertiger Ausgangsvektor [KM - Kl_2 - Kl_3 - Kl_4 - Kl_5], der die momentanen Bewertungen als Wert zwischen 0 und 1 für die fünf verschiedenen Fahrsituationsklas¬ sen wiedergibt. Wird als Klassifikationsergebnis z.B. ein Ausgangsvektor [0 - 1 - 0 - 0 - 0] ausgegeben werden, so bedeutet dies, daß in diesem Fall die Fahrsituation zu 100% in Klasse 2, und mit 0% in alle anderen Klassen eingestuft wurde. Bei einer Ausgabe [0.0 - 0.0 - 0.1 - 0.2 - 0.7] dagegen wurde die aktuelle Situation in alle Klassen mit unterschied¬ licher Wertigkeit eingestuft, am stärksten jedoch in die Klassen 4 (mit 20%) und 5 ( mit 70%).

Die Eingangs- und Ausgangsvariablen werden miteinander über die Fuzzy-Regelbasis des Fuzzy-Systems 10 verknüpft. Dabei wird das vorhandene Expertenwissen lingui¬ stisch formuliert. In einem Ausfuhrungsbeispiel wird die Regelbasis mit einer Systematik angelegt, die aus Figur 6 ersichtlich ist. Mit den vier Eingangsvariablen des Fuzzy-Sy¬ stems - hier bezeichnet mit x, y, z, w - werden alle sechs möglichen paarweisen Per¬ mutationen gebildet, d.h. xy, xz, xw, yz, yw, zw. Für jedes dieser Eingangspaare wird ei- ne Regelmatrix aufgespannt. Im Bild ist beispielhaft eine solche Regelmatrix für die Ein¬ gangskombination xz wiedergegeben. Da beide Eingangsvariablen x und z jeweils mit den vier Zugehörigkeitsfunktionen VL, L, H, VH fuzzifiziert werden, ergibt sich hier für die vollständige Regelbasis eine 4 x 4 - Matrix. Als die sechzehn Matrixelemente werden die zur jeweiligen linguistischen Kombination der fuzzifizierten Eingangsvariablen gehörende Ausgangszugehörigkeitsfunktion der entsprechenden Fuzzy-Regel eingetragen. Das im Bild in der obersten Matrix gekennzeichnete Element steht also z.B. für die Regel:

Rχz,23 : WENN x ist Low UND z ist High DANN KM ist High

Der Matrixeintrag, hier H für High, bezeichnet somit die Fuzzy-Konklusion für den Aus¬ gang KM (Klasse 1), die sich entsprechend der Regel aus der Und-Verknüpfung der Teilprämissen x=Low und z=High ergibt. Die übrigen Elemente dieser Matrix ergeben sich analog aus der Regelbasis für alle Und-Verknüpfungen von x und z. Wie angedeu¬ tet hat die Regelbasis in dieser Darstellung eine Tiefe von fünf für die fünf verschiede- nen Ausgangsvariablen KM , Kl_2, Kl_3, Kl_4 und Kl_5. Jede Matrixebene beschreibt also die Konklusionen der verschiedenen Regeln bezüglich einem einzigen Ausgang, die

oberste Matrix für den Ausgang KM und die unterste Matrix für den Ausgang Kl_5. Die vollständige Fuzzy-Regel lautet für den oben beschriebenen Fall damit z.B.:

Rχz,23 : WENN x ist Low UND z ist High DANN KM ist High und Kl_2 ist Low und Kl_3 ist Low und Kl_4 ist Low und Kl_5 ist Low.

Jede Regel trifft also immer für alle Ausgangsvariablen eine Aussage. Durch die syste¬ matische Aufstellung der Regeln erhält man für jede der sechs möglichen paarweisen Permutationen jeweils 4 x 4 = 16 Regeln, daraus ergibt sich eine vollständige Regelbasis mit 96 Regeln (6 Permutationen mit jeweils 16 Regeln).

Nachfolgend wir eine initiale Regelbasis wiedergegeben, die aus sieben Regeln Rulel bis Rule7 besteht:

Rulel

IF (INPUT2_Y IS VL) AND (INPUT4_W IS VL) THEN

CLASS5 = HIGH

CLASS4 = LOW

CLASS3 = LOW

CLASS2 = LOW

CLASS 1 = LOW

Rule2

IF (INPUT2_Y IS VL) AND (INPUT4_W IS LOW) THEN

CLASS5 = LOW

CLASS4 = HIGH

CLASS3 = LOW

CLASS2 = LOW

CLASS1 = LOW

Rule3

IF (INPUT2_Y IS LOW) AP (INPUT4_W IS VL) THEN CLASS5 = LOW CLASS4 = LOW CLASS3 = LOW

CLASS2 = LOW CLASS1 = LOW

Rule4

IF (INPUT2_Y IS LOW) AP (INPUT4_W IS LOW) THEN

CLASS5 = LOW

CLASS4 = HIGH

CLASS3 = LOW

CLASS2 = LOW

CLASS1 = LOW

Rule5

IF (INPUT2_Y IS HIGH) AP (INPUT4_W IS VL) THEN

CLASS5 = LOW

CLASS4 = LOW

CLASS3 = LOW

CLASS2 = LOW

CLASS 1 = LOW

Rule6

IF (INPUT2_Y IS HIGH) AP (INPUT4_W IS LOW) THEN

CLASS5 = LOW

CLASS4 = HIGH

CLASS3 = LOW

CLASS2 = LOW

CLASS1 = LOW

Rule7

IF (INPUT2_Y IS VH) AP (INPUT4_W IS VL) THEN CLASS5 = LOW CLASS4 = LOW CLASS3 = LOW

CLASS2 = LOW CLASS 1 = LOW

Die Topologie des Neuro-Fuzzy-Systems 6 ergibt sich aus folgenden Überlegungen. Nach dem Entwurf des initialen Fuzzy-Klassifikationssystems wird es vollständig und verlustfrei in die Struktur eines neuronalen Netzes konvertiert, um die datengetriebene Optimierung durchzuführen. Damit wird ein neuronales Netz generiert, welches dasselbe Klassifikationssystem repräsentiert, wie das Fuzzy-System und das ein identisches Ein¬ gangs- und Ausgangsverhalten aufweist. Die Fuzzy-Neuro-Transformation ermöglicht die Übersetzung von der Repräsentation oder Darstellung des Erkennungssystems als Fu¬ zzy-System in die Repräsentation als neuronales Netz. Dabei handelt es sich um eine korrespondenzerhaltende bidirektionale Transformation, d.h. die Topologie des neurona¬ len Netzes kann nach Abschluß der Lernphase wieder in die Repräsentation als Fuzzy- System überführt werden.

Zur funktionell äquivalenten Umsetzung eines Fuzzy-Modells in eine neuronale Topolo¬ gie werden die einzelnen Verarbeitungsstufen - Fuzzifizierung, Regelbasis und Defuzzi- fizierung - auf korrespondierende Teilstrukturen eines neuronalen Netzes abgebildet. Eine wichtige Randbedingung ist hierbei die Verwendung von verfügbaren Neuro-Kom- ponenten und die Anwendbarkeit von bewährten (zum Beispiel aus dem erwähnten Fachbuch bekannten) Lern- und Adaptionsalgorithmen. Trotz der Beschränkung auf einfache Neuronentypen ermöglicht jedoch eine spezielle Netzstruktur die vollständige Abbildung aller Operationen eines Fuzzy-Modells, welche im folgenden einzeln be¬ schrieben werde.

Die Umsetzung der Fuzzifizierung wird durch eine erste Schicht von Neuronen mit RBF- ähnlichen Aktivierungsfunktionen (RBF = radiale Basisfunktion) realisiert. Für jede Zuge¬ hörigkeitsfunktion einer Eingangsvariablen existiert ein Neuron, an dessen Eingang je¬ weils nur zwei Signale aufsummiert werden: der aktuelle scharfe Eingangswert und der Mittelpunkt der Zugehörigkeitsfunktion (Figur 7). Der resultierende Wert wird anschlie¬ ßend über eine gaußförmige Aktivierungsfunktion gewichtet und ausgegeben. Am Aus-

gang eines einzelnen Fuzzifizierungs-Neurons ergibt sich ein entsprechender Grad der Zugehörigkeit μ _k (x _i ) zu

wobei x das aktuelle Eingangssignal, m _k den Mittelpunkt und σ _k die Breite der gauß- förmigen Eingangszugehörigkeitsfunktion k bezeichnet. Der Mittelpunktswert m _k wird über ein entsprechendes Gewicht und einen konstanten Eingang "bias" für das jeweilige Neuron festgelegt. Über eine Gewichtung beider Eingänge mit jσ _k wird die Breite der

Zugehörigkeitsfunktionen eingestellt.

Ein Regelneuron (Figur 8) stellt sich wie folgt dar. Die Regelbasis des Fuzzy-Systems 10, d.h. die Ausführung seines Inferenzteils, wird durch eine Schicht von Regelneuronen realisiert, in denen alle vorhandenen Regeln simultan evaluiert werden. Die Anzahl der Neuronen entspricht der vorhandenen Regelanzahl. In der realisierten Topologie können Regeln des folgenden Typs abgebildet werden:

• einfache Regeln mit nur einer Fuzzy-Variablen in der Prämisse

• Regeln mit einem Prämissenteil, in dem mehrere Fuzzy-Variablen konjunktiv ver¬ knüpft sind (UND-Regeln)

Der Konklusionsteil kann entweder eine oder mehrere Ausgangsvariablen enthalten. Die UND-Verknüpfung zweier Fuzzy-Variablen im Prämissenteil wird im Fuzzy-Neuro-Netz durch das Produkt dieser Variablen realisiert (vgl. Figur 8). Um diese für die konjunktive Verknüpfung erforderliche multiplikative Operation mit Standardneuronen ausführen zu können, wird die Inferenz in der implementierten Topologie in zwei Stufen gebildet. Rea- lisiert man die gaußförmige Aktivierungsfunktion nicht in einer, sondern in zwei aufein¬ anderfolgenden Netzschichten, so kann gleichzeitig die Berechnung des Produkts auf eine einfache Summation zurückgeführt werden. Damit ergibt sich am Ausgang der ein¬ zelnen Regelneuronen für die jeweilige Prämisse a der Regel j :

Die Berechnung der Gaußfunktion, die für die Ermittlung der Zugehörigkeiten notwendig ist, wird nicht in der Fuzzifizierungsschicht allein, sondern in Kombination mit der darauf-

folgenden Regelschicht ausgeführt. In den Neuronen der ersten Schicht wird eine qua¬ dratische Aktivierungsfunktion, f(x) = x ² und in den Regelneuronen eine exponentielle Aktivierungsfunktion verwendet, /(x) = exρ(x). Folglich stehen die Werte für den Grad der Zugehörigkeit μ _t nicht explizit nach der Fuzzifizierungsschicht zur Verfügung, son- dem gehen unmittelbar in die Berechnung der Konklusionen a ₎ ein. Der Vorteil dieser

Anordnung liegt zum einen in der Vermeidung eines "Produkt-Neurons", für das ein ent¬ sprechender Adaptionsalgorithmus zusätzlich definiert werden müßte, zum anderen in der Erhaltung der für die Korrespondenz zum Fuzzy-System notwendigen Netzstruktur.

Durch die multiplikative Verknüpfung der Teilprämissen, ausgeführt in den ersten beiden verborgenen Schichten, wird die Prämisse der Regel verarbeitet. Der sich am Ausgang des Regelneurons ergebende numerische Wert a repräsentiert die Auswertung des

WENN-Teils einer Regel. Dieser Wert wird anschließend einem weiteren Neuron zuge¬ führt, das die Fuzzy- Variable des Ausgangssignals wiedergibt. Damit wird der Konklusi- onsteil der Regel abgebildet. Hier entspricht die Anzahl der Neuronen der Gesamtzahl aller Ausgangszugehörigkeitsfunktionen. Diese Neuronen führen eine einfache Summa- tion aller Konklusionen der Regeln durch, die für eine bestimmte Fuzzy-Ausgangsvaria- ble "zünden", d.h. wirksam werden. Als Aktivierungsfunktion wird deshalb hier die Identi¬ tät f(x) = x benutzt.

Die Deffuzifizierung in dem Fuzzy-System 10 Für die Berechnung der Ausgangswerte des Fuzzy-Systems wird eine Standard-Defuzzifizierungsmethode mit Maxdot-Inferenz und anschließender Schwerpunktsberechnung über die Summe aller zündenden Aus¬ gangszugehörigkeitsfunktionen verwendet. Aus den verschiedenen Konklusionen a _; ergibt sich somit für einen Ausgangswert y

] _wenn Teilkonklusion in Regel 0 sonst

wobei mit M _k die einzelnen Momente und mit A _k die Flächen der jeweiligen Ausgangs¬ zugehörigkeitsfunktionen bezeichnet sind. Eine Defuzzifizierung nach der Flächen¬ schwerpunktsmethode (auch: Center of Sums) gestattet die Vorausberechnung der Flä- chen und Momente schon bei der Vorstrukturierung des Netzes und die einfache Reprä¬ sentation durch zwei numerische Werte während der Adaptionsphase. Es muß keine explizite Auswertung der sich jeweils ergebenden Flächen der Ausgangszugehörigkeits- funktionen vorgenommen werden. In der Topologie sind M _k und A _k durch entspre-

cheπde Gewichtsfaktoren realisiert. So erfolgt eine Skalierung der Einzelmomente und flächen mit dem α-Wert, der aus der Überlagerung aller zündenden Regeln resultiert. Anschließend wird der Quotient aus der Summe aller Momente und der Summe aller Flächen berechnet. Da die Division nicht in einem einzigen Neuron realisiert werden kann, wird durch eine Logarithmierung und anschließende Exponentierung die Berech¬ nung auf eine Subtraktion zurückgeführt:

Damit ist die Berechnung des scharfen Ausgangswertes aus der Zusammenfassung der Fuzzy-Variablen umgesetzt.

Ein schematischer Überblick über die vollständige realisierte neuronale Topologie für das Neuro-Fuzzy-System 6 ist aus Figur 9 ersichtlich. Die dargestellte Struktur basiert auf dem Fuzzy-Klassifikationsystem mit den vier Eingangsvariablen x, y, z und w, den fünf Ausgangsvariablen Klasse 1 - Klasse 5 und einer Regelbasis mit 96 Regeln. Zu erken- nen sind die drei wesentlichen Teilstrukturen für die Fuzzifizierung, die Regelbasis und die Defuzzifizierung. Das Modell entspricht einem vorwärtsgetriebenen neuronalen Netz mit acht Schichten, wobei allein drei Schichten für die funktionell äquivalente Umsetzung der Defuzzifizierungsoperation verantwortlich sind. In der untersten Zeile von Figur 9 sind die in den einzelnen Schichten durchgeführten Operationen angedeutet.

Die Neuro-Fuzzy-Architektur repräsentiert eine vollständige Abbildung des zugrunde lie¬ genden Fuzzy-Modells. Die vier Eingangssignale lχ, Iγ, lz und lw werden in der zwei¬ ten und dritten Schicht fuzzifiziert. Dabei erfolgt die Festlegung der Anzahl, der Form und Lage der Eingangszugehörigkeitsfunktionen und die Zuordnung zu den entsprechenden Variablen in den Neuronen der zweiten Schicht. In diesem Fall werden die Eingänge je¬ weils mit den vier Zugehörigkeitsfunktionen SK, K, G, SG (sehr klein, klein, groß, sehr groß) fuzzifiziert, wobei sich eine Schicht mit sechzehn Neuronen ergibt. Anschließend werden in der dritten Schicht die einzelnen Regeln R- _j bis RQQ der Regelbasis umge¬ setzt. Für jede Regel existiert nun ein entsprechendes Regelπeuron, an dessen Eingang die passenden Teilprämissen anliegen. Diese Teilprämissen werden miteinander wie beschrieben verknüpft, und es wird ein Regelaktivierungsgrad a berechnet, der zusätz¬ lich mit einem Regelgewicht WRule multipliziert wird. Dieser Regelaktivierungsgrad orwird anschließend über die Teilkonklusionen den Zugehörigkeitsfunktionen der einzelnen Ausgangsvariablen Klasse 1 - Klasse 5 zugeordnet. Die sich dadurch in Schicht 5 erge-

benden Teilkonklusionen für eine Ausgangsgröße werden nachfolgend im Defuzzifizie- rungsteil zusammengefaßt. Zwischen den Schichten 5 und 6 erfolgt eine Gewichtung der Konklusionen mit den zu einer Ausgangszugehörigkeitsfunktion gehörenden vorausbe¬ rechneten Flächen A _k und Momenten M _k . In den Schichten 6 und 7 wird schließlich die Berechnung des Quotienten von Momenten und Flächen über die Logarithmierung und Subtraktion der Argumente durchgeführt.

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind für ein Ausführungsbeispiel die wichtigsten Parame¬ ter verschiedener Fuzzy-Systeme für die Fahrsituationserkennung und die entsprechen- den Klassifikationsergebnisse angegeben. Aufgeführt sind die Resultate für eine reprä¬ sentative Meßfahrt, die etwa zu gleichen Anteilen die fünf verschiedenen Fahrsituati¬ onsklassen enthält. Ausgewertet wurden Sensordaten für eine Fahrzeit von 32 min; bei einer Abtastrate von 40 ms entspricht dies 48000 Abtastwerten.

Tabelle 2

Durch die Bildung von Zeitfenstern mit einer Fensterlänge von L = 250 Abtastwerten er¬ geben sich für die Fahrtdauer insgesamt 192 Klassifikationsausgaben (48000/250, eine Klassifikationsausgabe alle 10 see). Von links nach rechts finden sich folgende Anga¬ ben in der Tabelle: Die Bezeichnung des jeweiligen Klassifikationssystems, Angaben darüber, welche Parameter des Fuzzy-Systems im neuronalen Netz trainiert wurden (EZ = Eingangszugehörigkeitsfunktionen, AZ = Ausgangszugehörigkeitsfunktionen, RG = Regelgewichte, K = Konklusionen), die Größe der Fuzzy-Regelbasis, die Anzahl der Ein- gangszugehörigkeitsfunktionen, der mittlere quadratische Fehler zum Zieldatensatz und das Klassifikationsergebnis als Absolutwert und prozentual (R/F/N - Richtig/Falsch/iNicht klassifiziert).

ERSATZBLAπ (REGEL 26)

Das initiale Fuzzy-System, das allein mit Experteπwissen aufgestellt wurde, klassifiziert die momentane Fahrsituation korrekt in 106 von 192 Fällen (55 %), falsch in 11 (6 %) und macht keine Aussage in 75 Fällen (39 %). Das manuell optimierte System erreicht bezüglich der richtig klassifizierten Situationen einen Anteil von 74 %. Für die trainierten Erkennungssysteme ergeben sich unterschiedliche Resultate, abhängig von den im neu¬ ronalen Netz freigegebenen Parametern. Dabei wurden die verfügbaren Beispieldaten jeweils aufgeteilt in Trainingsmenge und Generalisierungsmenge im Verhältnis 7:3. Die Ergebnisse zeigen, daß sich, bei reduziertem Entwicklungsaufwand, durch die datenge¬ triebene Optimierung eine erhebliche Steigerung der Erkennungsrate erreichen läßt. So wird z.B. mit einer reduzierten Regelbasis von 85 Regeln ein Klassifikationsergebnis von 94 % "richtig", 2 % "falsch" und 4 % "nicht klassifiziert" erreicht.