Jan Fojtášek: Ab einem bestimmten Grad der Details sind reale Tests auf dem Testgelände unersetzlich

Simulationen können heute die Fahrzeugentwicklung beschleunigen, Tausende von Szenarien testen und Probleme aufdecken, noch bevor der erste Prototyp gebaut wird. Wie arbeiten Experten damit, und haben physische Tests in der Entwicklung nach wie vor ihren Platz? Über die Verknüpfung von virtueller Entwicklung und realen Tests, die Zukunft der Typgenehmigungen sowie die Rolle von Testgeländen   haben wir mit Jan Fojtášek gesprochen, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter des Instituts für Automobil- und Verkehrstechnik an der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Brünn und unserem externen Mitarbeiter.

Herr Fojtášek, wie würden Sie Ihre Rolle im Rahmen der gegenwärtigen Forschung beschreiben, und auf welche Schlüsselprojekte konzentrieren Sie sich derzeit?

Ich bemühe mich langfristig darum, den Einsatz virtueller Fahrzeugmodelle so voranzutreiben, dass die Simulation nicht nur ein Hilfsmittel ist, sondern zu einem vertrauenswürdigen Bestandteil der Entwicklung wird. Meine Rolle besteht darin, verschiedene Bereiche miteinander zu verknüpfen: Simulation, experimentelle Validierung und praktische Anforderungen der Industriepartner. Neben der eigentlichen technischen Forschung bin ich auch an der Koordination der Aktivitäten zwischen dem akademischen Team und Firmen beteiligt, damit die daraus resultierenden Methoden und Instrumente auch im realen Entwicklungsprozess anwendbar sind. Derzeit beschäftigen wir uns mit der Parametrisierung und Validierung von Fahrzeugmodellen für virtuelle Tests gemäß den Euro-NCAP-Methoden. In diesem Hinblick  werden immer noch Verfahren zur praktischen Überprüfung kompletter Simulationsketten sowie das erforderliche Maß an Genauigkeit im Vergleich mit realen Tests diskutiert.

Sie haben bereits zahlreiche Projekte im kommerziellen Bereich umgesetzt, einschließlich der engen Zusammenarbeit mit Škoda Auto. Wie wichtig ist Ihnen diese Verbindung zwischen der akademischen Welt und den tatsächlichen Bedürfnissen der Hersteller?

Die Zusammenarbeit mit der Industrie ist für uns aus mehreren Gründen von entscheidender Bedeutung. Nichts hindert uns daran, auf der Grundlage unseres Wissens und unserer Erfahrung eigene Lösungen zu entwickeln; wenn wir jedoch bei diesen Lösungen nicht mit kommerziellen Partnern zusammenarbeiten, werden die Ergebnisse ihre Anforderungen nicht erfüllen. Somit wären sie in der Praxis nur sehr schwer anwendbar. Gleichzeitig benötigen wir die Erfahrung und die Infrastruktur starker Partner, um unser Wissen weiterzuentwickeln. Diese setzen wir dann im Unterricht so um, dass der behandelte Stoff einen möglichst großen Mehrwert in Form von praktischen Erfahrungen bietet und nicht nur Theorie aus Büchern bleibt.

Worin sehen Sie den größten Nutzen von Computersimulationen für die Entwicklung und Optimierung von Fahrwerken?

Dank dieser Technologien können wir potenzielle Probleme bei der Konstruktion bereits vor der Herstellung eines Prototyps erkennen, die Parameter schnell anpassen und optimieren sowie die Grenzen austesten. All dies auf verschiedenen Ebenen, von der Berechnung der Kinematik und Dynamik einzelner Aggregate bis hin zur Fahrweise des gesamten Fahrzeugs unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Simulationen spielen auch bei der Entwicklung, dem Testen und der Typengenehmigung moderner, fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme eine immer wichtigere Rolle. Dabei müssen nämlich Zehntausende bis Millionen von Varianten getestet werden, was physisch einfach nicht möglich ist.

Wo stoßen Sie im Rahmen der virtuellen Entwicklung an Grenzen, die eine Simulation an sich nicht überwinden kann?

Es gibt eine ganze Reihe solcher Beispiele, doch eine typische Einschränkung ist die subjektive Wahrnehmung des Fahrers und der Fahrzeuginsassen. Das ist eine so individuelle Angelegenheit, dass sich das subjektive Fahrerlebnis selbst mit dem besten Simulator immer von dem eines echten Fahrzeugs unterscheidet. Oftmals ist dies jedoch der Faktor, der die größte Rolle spielt. Was das Fahrwerk betrifft, sind das wichtigste Element das Reifenprofil und die Fahrbahn, auf der es zum Beispiel zu lokalen Änderungen der Haftung kommen kann. Der Reifen befindet sich dann an seiner Grenze, wo Übergangszustände auftreten, die sich mathematisch nur schwer beschreiben lassen, ganz zu schweigen vom Einfluss des Verschleißes und so weiter. Was die Simulation fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme angeht, sind es vor allem die Sensormodelle, bei denen Faktoren wie Reflexionen, Verschmutzungen, ungewöhnliche Objekte, Radarinterferenzen sowie weitere Aspekte eine Rolle spielen. Bei einer vollständigen Simulation des Fahrzeugs mit Fahrer, Sensoren, statischer und dynamischer Umgebung sowie autonomen Funktionen addieren sich alle Abweichungen von der Realität, und das resultierende Maß an Unsicherheit ist die Frage. Es wäre also wohl einfacher zu sagen, welche Grenze die Simulation bereits mit nachweisbarer Sicherheit überschritten hat.  

Was schätzen Sie bei den Tests auf dem AUREL-Testgelände am meisten und inwiefern hilft Ihnen das besonders?

Ausreichend Platz für dynamische Manöver sowie eine umfassende Infrastruktur für Fahrzeug und Besatzung sind für die Tests von entscheidender Bedeutung. Gleichzeitig bieten ‌die Testflächen bei AUREL eine Vielfalt von Bedingungen‌, die wir sonst nirgendwo vorfinden‌. Das eröffnet eine einzigartige Gelegenheit, Daten für unsere Modelle zu gewinnen und so deren Aussagekraft zu erweitern. Zugleich handelt es sich um eine in gewisser Weise sehr stabile Umgebung, bei der man sich darauf verlassen kann, dass die grundlegenden Umgebungsbedingungen auf der Teststrecke bei wiederholten Messungen über mehrere Jahre hinweg so weit wie möglich unverändert bleiben.  

Wie verläuft in der Praxis die Überprüfung der Simulationsergebnisse anhand der Daten vom Testgelände? Wo ist mit den größten Überraschungen zu rechnen?

Die größte Überraschung ist, wenn man denkt, dass alles läuft und funktioniert, man die Daten, die in Ordnung zu sein scheinen, laufend überprüft, mehrere Tage lang testet, die Konfigurationen systematisch ändert, alles mit „chirurgischer“ Präzision misst, mit einem hervorragenden Gefühl nach Hause fährt und nach dem Einfügen in das Modell und dem Starten der Berechnung feststellt, dass in den Messdaten ein Ausfall, Rauschen oder eine Verzerrung aufgetreten ist, die dazu geführt hat, dass die Ergebnisse ganz und gar nicht den Erwartungen entsprechen. Leider lässt sich nicht alles auf den ersten Blick oder mit einfachen Hilfsmitteln entdecken. Das sind Fälle, die wir durch eine möglichst umfassende Datenkontrolle zu vermeiden versuchen. Und das ist auch der Grund, warum wir zu den Messungen einen Kollegen mitnehmen, der die Daten direkt umrechnet. Das Ziel für die Zukunft ist es, diesen Prozess zu automatisieren, einschließlich der drahtlosen Datenübertragung zum Server und des Feedbacks im Falle eines unerwarteten Fehlers.

Gibt es einen Bereich der Fahrwerkssysteme, in dem physische Tests auf einem Testgelände nach wie vor absolut unersetzlich sind?

Solche Bereiche gibt es mehr, und zwar trotz den Möglichkeiten von Tausenden virtuell durchgeführter Iterationen und berechneter Manöver. Es werden Anforderungen an die Aufdeckung von Problemen gestellt, die bei realen Tests festgestellt wurden. Unsere Aufgabe ist es dann, diese Phänomene rechnerisch zu beschreiben und zum Beispiel eine Sensitivitätsanalyse durchzuführen, aus der hervorgeht, wovon das jeweilige unerwünschte Phänomen abhängt und wie es eliminiert werden könnte. Meistens zeigt die Realität, dass es ein gewisses Maß an Detailgenauigkeit gibt, dessen Modellierung zunächst als unwesentlich erschien. Denn gerade vom Grad der Detailgenauigkeit hängt auch der Zeitaufwand für die Modellierung und die Ermittlung der Eingabeparameter ab. Einfach ausgedrückt bieten Modellierungstools heute die Möglichkeit, ein Fahrzeug zu simulieren – von seiner Bewegung auf der Fahrbahn über die Wechselwirkungen der einzelnen Aggregate bis hin zur Quantenphysik. Wichtig ist jedoch, das Modell so zu erstellen, dass es für die Lösung des jeweiligen Problems relevant ist, da jede weitere Modellschicht und deren Überprüfung Zeit und Geld kostet. Ab einer bestimmten Modellstufe ist es daher im Hinblick auf die Lösung des Problems besser, mehrere Varianten in der Praxis zu testen‌, als sich auf eine sehr detaillierte Simulation zu verlassen. Die Ergebnisse werden nämlich so lange untersucht, bis es zu einer Analyse-Paralyse kommt. 

Wie sehen Sie die Rolle des Testgeländes als Freiluftlabor für Ihre Forschungsprojekte und die Ausbildung künftiger Experten?

Aufgrund ihrer Größe stellt die Teststrecke für uns eine bestimmte sichere experimentelle Umgebung dar. Das ermöglicht die Durchführung von Manövern, die für die Ermittlung der Fahrzeugparameter und die anschließende Validierung der Simulationsmodelle erforderlich sind. In diesem Sinne funktioniert sie als wichtige Brücke zwischen der numerischen Simulation und dem realen Verhalten des Systems. Ohne diese Möglichkeiten würde ein Großteil der Forschung zwangsläufig überwiegend auf theoretischer Ebene stattfinden. Das ist zwar ein Ansatz, der in vielen wissenschaftlichen Publikationen und akademischen Studien allgemein akzeptiert wird, aber unser Ziel ist es, über diese übliche Trennung von Simulation und Experiment hinauszugehen. Wir möchten beide Welten so weit wie möglich miteinander verknüpfen und im Idealfall zu einem konsistenten Entwicklungs- und Validierungsrahmen zusammenführen. Diese beiden Bereiche werden sich nämlich mit zunehmender Komplexität der Fahrzeugsysteme (insbesondere im Bereich ADAS und der virtuellen Typgenehmigung) immer stärker miteinander überschneiden und ergänzen. Das ist auch die Realität, auf die wir unsere Studenten vorbereiten wollen. 

Die Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität und AUREL steht bereits auf einem soliden Fundament. Könnten Sie kurz skizzieren, welche Bereiche die Zusammenarbeit derzeit umfasst und was Sie für die nächste Zeit noch planen?

Die Grundlagen sind auf Projektebene bereits gelegt und derzeit konzentrieren wir uns auf deren weitere systematische Weiterentwicklung. Das Ziel ist es, eine zuverlässige Methode zur Verknüpfung von realen und virtuellen Fahrzeugtests zu entwickeln. Geplant sind sowohl einzelne Maßnahmen als auch die koordinierte Entwicklung von Verfahren, Messungen und Modellierungsansätzen, die eine Beschreibung des Verhaltens des Fahrzeugs und dessen Untersystemen ermöglichen. Teil dieser Arbeit ist sowohl die Vorbereitung der Experimente und die Definition der Eingabe- und Ausgabedaten als auch die systematische Erstellung von Simulationsmodellen, die mit den experimentell gewonnenen Daten verknüpft werden und deren gegenseitige Validierung ermöglichen.

Wenn Sie den „Ingenieur der Zukunft“ für die Automobilbranche definieren sollten, welche Kompetenzen müsste dieser haben, um im Zeitalter der künstlichen Intelligenz und der Fahrzeuge, bei denen Software immer mehr Funktionen steuert, erfolgreich zu sein?

Das ist eine sehr gute Frage, und wenn ich sie mit Sicherheit beantworten könnte, würden das meine Vorgesetzten sicherlich zu schätzen wissen. Generell lässt sich sagen, dass der Ingenieur der Zukunft in der Lage sein sollte, neues Wissen schnell aufzunehmen und den Umgang mit neuen Instrumenten effizient zu erlernen. Selbstverständlich sind Sprachkenntnisse, die Fähigkeit, die behandelten Themen richtig zu interpretieren, sowie die Bearbeitung der technischen Dokumentation. Das gilt unabhängig davon, ob es sich um einen Konstrukteur, einen Elektrotechniker oder einen Programmierer handelt. Daraus ergibt sich auch der Bedarf einer relativ großen Offenheit für innovative Lösungen und eines gewissen Maßes an mentaler Belastbarkeit.