Vorstellung des Sonderforschungsbereichs 627 Umgebungsmodelle für mobile kontextbezogene Systeme Prof. Dr. Kurt Rothermel Institut für Parallele und Verteilte

Vorstellung des Sonderforschungsbereichs 627

„Umgebungsmodelle für mobile kontextbezogene Systeme“

Prof. Dr. Kurt Rothermel Institut für Parallele und Verteilte Systeme

Universität Stuttgart

14. November 2003

Universität StuttgartSFB 627

Überblick

Technologietrends

Kontextbezogene Anwendungen Szenarium, Definition, Merkmale

Räumliche Umgebungsmodelle Komplexität, Einordnung bestehender Modelle

SFB 627: Umgebungsmodelle für mobile kontextbezogene Systeme

Vision, Ziele, wissenschaftliche Herausforderungen

Zusammenfassung


Beispiel: Armband-PDA Palm OS® 4.1 Anzeige 160 x 160 Pixel Touch Screen 2 MB RAM Motorola 33 MHz CPU IrDA Interface

Quelle: Fossil, Inc.

Mobile Endgeräte werden kleiner und schneller multifunktionale Geräte

"Wearable" Computer

"Disappearing" Computer

Mobile Endgeräte: Trends


Kommunikationstechnologie: Trends

Quelle: Infineon Technologies

„Ubiquitous Communication“: drahtlose WAN, LAN, PAN

billige und kleine Kommunikationscontroller

Bluetooth 1 Mb/s Datenrate ~ 10 m Reichweite Ein-Chip-Sender

niedrige Leistung: 0.001 W niedriger Preis: < 4 Euro

piconets

scatternet


Sensoren: Trends (1)

Vielzahl unterschiedlicher Sensoren

mechanisch: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung

symbolisch: Identifikation, Lokalisierung thermisch: Temperatur optisch, akustisch, chemisch, ...

Miniaturisierung und Preisverfall

Beispiel: Positionierungssysteme outdoor: GPS: 25m, DGPS: < 10 m,

Galileo (2008): < 4m,NASA Experimentalsystem: 2-3 cm

indoor: Systeme basierend auf Ultraschall (z.B. Active Bat), RF (z.B. Identec),IR (z.B. Active Badge)

Sensor

Aspekt der realen Welt

physikal.Signal

digit.SignalMesswert

GPS Empfänger (RoyalTek)






Miniaturisierung und Preisverfall Beispiel: Druck-Sensor

Messprinzip: Kapaziät der Membran ändert sich mit der einwirkenden Kraft auf die Membran

Membran: 120 m (menschliches Haar: 100 m)

Sensor


physikal.Signal


Membran

© Siemens

© Fraunhofer Institut






Miniaturisierung und Preisverfall

Beispiel: Temperatur-Sensor Messprinzip: Widerstand in Thermoschleife

ändert sich mit der Temperatur

Thermoschleife: 100 nm (menschliches Haar: 100 m)

Genauigkeit: 1/1000 Grad Celsius

Sensor


physikal.Signal


Thermoschleife

Trägermaterial

© Universität Kassel



Entwicklung von Sensorplattformen

Eingebettete Systeme Integration in Alltagsgegenstände:

„Smart Things“ Erfassen, verarbeiten, kommunizieren

Kontext von Dingen Beispiel: Smart-It

Sensornetze Größe eines Sandkorns, billig Knoten erfassen Umgebungsinformation Knoten kommunizieren, verdichten

Information kooperativ Beispiel: Smart-Dust-Project

Smart DustUC Berkeley

Smart-It15x40 mm

Sensor-hardware

SpeicherBatterie

IntegrierterProzessor

Transceiver


Trends: Schlussfolgerung

Kontextbezogene Systeme Position, Ausrichtung, Geschwindigkeit• Identität• Objekte in der Nähe• Temperatur, ...

Technologietrends• Miniaturisierung• Preisverfall• Integration: „Smart Things“, Sensornetze

Proliferation von Sensorsystemen

Realwelt Digitale Welt


Überblick

Technologietrends





Zusammenfassung


Messe StuttgartInternational

Szenarium: Messebesuch (1)

Herr Meyer aus Berlin besucht die Messe Stuttgart

Von zuhause reserviert M. ein Hotel in max. 30 min Entfernung zur Messe und in ruhiger Lage.

Am Flughafen angekommen wird M. von seinem System zur S-Bahnhaltestelle navigiert.

Sein System informiert ihn, dass er die S2 nehmen muss, die nächste Bahn um 8.15 Uhr ankommen wird, und voraussichtlich im vorderen Wagen noch Plätze frei sein werden.


Messe StuttgartInternational

Szenarium: Messebesuch (2)

In der Messe informiert ihn sein System sobald eine virtuelle Litfaßsäule mit ortsbezogener Information „sichtbar“ wird.

M. hinterlässt an einem Stand einen virtuellen Notizzettel für andere Mitarbeiter seiner Firma.

M. hat sich zwischen 10:00 und 11:00 Uhr mit Herrn Schmidt in Halle 8 verabredet. Sobald beide in der Halle sind werden sie informiert und in den nächsten freien Besprechungsraum navigiert.

Zurück in Berlin erstellt M. einen Reisebericht. Sein System gibt ihm Auskunft darüber, welche Aussteller er vormittags in Halle 8 besucht hat.


Was ist Kontext?

Definition: Kontext ist die Information, die zur Charakterisierung der Situation einer Entität herangezogen werden kann. Entitäten sind Personen, Orte oder Objekte, welche für das Verhalten von Anwendungen als relevant erachtet werden.

Beispiel: Messeinformationssystem

relevante Entitäten: Hallen, Konferenzräume, Besucher, Aussteller, ...

Kontext eines Besuchers: Identität, Ort, im Besitz eines Tickets, ...

Kontext eines Konferenzraums: Ort, Ausstattung, belegt/frei, ...


Was ist eine kontextbezogene Anwendung?

Merkmale:

kontextbezogene Selektion

kontextbezogene Präsentation

kontextbezogene Aktion

Merkmale treten häufig in Kombination auf!

Definition: Eine Anwendung ist kontextbezogen, wenn ihr Verhalten durch Kontextinformationen beeinflusst wird.


Merkmal: kontextbezogene Selektion

Auswahl von Informationen und Diensten abhängig vom Kontext

Beispiel: Hotels in max. 30 min Entfernung zur Messe Stuttgart und in ruhiger Lage.

Kontext: Ort: Hotelstandort, Messestandort,

Verbindungen (Straßen, öffentliche Verkehrslinien)

Dynamische Attribute: Baustellen

Zeit: Baustelle von Feb. bis Okt. 2003

Feb.-Okt. 2003

Messe

5 min

12 min


Merkmal: kontextbezogene Präsentation

Wahl der Präsentationsart abhängig vom Kontext Detaillierungsgrad der Informationen, Wahl des Mediums, ..

Beispiel: Navigation zur Messe & Messerundgang Kontext:

Verkehrsmittel: zu Fuß, S-/U-Bahn Ort: innerhalb/außerhalb Messehalle Präferenzen, Zeit: Programmhinweise

Demo zu Nexus um 16:00 Uhr

Nächste Haltestelle umsteigen auf U7

Bad Cannstatt

Hbf Stadt-mitte

Türlen-straße

KillesbergMesse

S1-6

U7

Halle 14


Merkmal: kontextbezogene Aktion

Auslösung von Aktionen abhängig vom Kontext (Prädikate)

Beispiel: (Sobald M. und S. beide zwischen 10:00 und 11:00 Uhr in Halle 8 sind)

=> Aktion: reserviere nächsten freien Konferenzraum, navigiere beide dorthin

Kontext: Ort, Identität: M. und S. in Halle 8

Zeit: 10:00 - 11:00 Uhr

Halle 8

Halle 7

Schmidt

Meyer

Besprechungsraum

2. Navigation

1. Reservierung


Überblick

Technologietrends





Zusammenfassung


Räumliche Modelle und Primärkontext

Meyer

Positionsanfrage:In welcher Halle befindet

sich S.?

Primärkontext:

Gebietsanfrage:Ist ein Berater am Nexus-Stand

verfügbar?

Messe Stuttgart

Schmidt

S-AB 1234

B-AA 5678

Nexus-StandKundenberater

Identität Ort


Räumliche Modelle und Primärkontext

Positionsanfrage:Welche Stände hat M. am

21.05.2003 vormittags besucht?

IdentitätPrimärkontext: Ort

Gebietsanfrage:Wie viele Besucher waren am 21.05.2003 zwischen 9.00 und

12.00 am Nexus-Stand?

Zeit t

Zukunft

Vergangen-heit

Gegenwart

Zeit

30.05.2003

Meyer

Messe Stuttgart

Schmidt

S-AB 1234

B-AA 5678

Nexus-StandKundenberater


Modellkomplexität

Koordinatensystem

Nächstes Hotel? Hotel A

Hotel B

Hotel C

Hotel A

Herr Meyer• 48.778599 N• 9.179864 E


Modellkomplexität

Koordinatensystem + Geographie und Topologie• 2D und 3D Geometrie

Nächstes Hotel? Hotel B

Hotel B

Hotel C

Hotel A


Modellkomplexität

Koordinatensystem + Geographie und Topologie• 2D und 3D Geometrie

+ Dynamik• dynamische Zustände• mobile Objekte

Nächstes Hotel? Hotel C

Hotel B

Hotel C

Hotel A

20. - 30.05.2003


Einordnung von Modellen

Dynamik

Komplexität derAbstraktion

Bereich

global

lokal

keine hoch

hoch



Bestehende Modellierungsansätze einfach und global

Dynamik


gering hoch

hoch

Bereich

global

lokal

• größere Bereiche• mittlere Dynamik• niedrige Komplexität• anwendungsspezifisch

Telematik-Dienste (z.B. PASSO, Tegaron)



Bestehende Modellierungsansätze einfach und global

komplex und lokal

Dynamik


gering hoch

hoch

Bereich

global

lokal

• beschränkte Bereiche• höhere Dynamik• mittlere Komplexität• anwendungsspezifisch

Guide, Cyberguide, Stick-e-Notes



Bestehende Modellierungsansätze einfach und global komplex und lokal

Dynamik


global

lokal

gering hoch

hoch• Globale Bereiche• Hohe Dynamik• Hohe Komplexität

Bereich

Lücke: komplexe, globale, dynamische Modelle hoher Aufwand!

gemeinsame, anwendungsübergreifende Nutzung

erweiterbare Modelle

global

lokal


Überblick

Technologietrends





Zusammenfassung


Vision: Föderierte Umgebungsmodelle

Umgebungsmodelle

Informationsräume

Anwendungen

Daten von

Milliarden vonSensoren

WWWDigitale

Bibliotheken

Föderation

„Smart Factory“ StadtführerNavigation...

...


SFB 627: Umgebungsmodelle fürmobile kontextbezogene Systeme

Ziele: Erforschung von Methoden zur Realisierung

globaler Umgebungsmodelle Innovative kontextbezogene

Anwendungen Mechanismen

Start: Januar 2003 an der Universität Stuttgart

aufbauend auf Vorarbeiten derDFG-Forschergruppe NEXUS

30+ Wissenschaftler,9 beteiligte Gruppen

zunächst für 4 Jahre gefördertMultimedia WWW Digitale

Bibliotheken

RealeWelt

Umgebungs-modell

Informations-räume


Beteiligte Institutionen

Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik Anwendersoftware (IPVS.AS, Prof. Mitschang) Bildverstehen (IPVS.BV, Prof. Levi) Kommunikationsnetze und Rechnersysteme (IKR, Prof. Kühn) Verteilte Systeme (IPVS.VS, Prof. Rothermel) Visualisierung und Interaktive Systeme (IVIS, Prof. Ertl)

Photogrammetrie (IfP, Prof. Fritsch) Technikphilosophie (IP.WTTP, Prof. Hubig) Fertigungstechnik (IFF, Prof. Westkämper) Verkehrstechnik (ISV.SuS, Prof. Ressel)


Nexus-Plattformverbindet physische und digitale Welt

Föderiert Umgebungsmodelle Sensorintegration, Konsistenz Ankerpunkte für Informationen Temporale Konzepte

Unterstützt Modellinteraktion Synchron: räumliche Anfragen Asynchron: Auslösen von Aktionen Visualisierung

AnwendungenSystemfunktionen

PhysischeWelt

Umgebungsmodell

Informations-räume

Nexus


(Fast) Automatisch generiertes Modell


Wissenschaftliche Herausforderungen

Umgebungs-modell

Sicherheit undAkzeptanz

Kommunikation

Sensor-Integration

Präsentationund Interaktion

Anwendungen

Definition undManagement


Teilprojekte und Arbeitskreise

Kommunikation und Sicherheit

Definition und Management von

Umgebungsmodellen

Modellpräsentation und Sensorik

Anwendungen und Akzeptanzfragen

Kommunikations-plattform

Modellbasierte Kommunikation Datenschutz und

Datensicherheit Modellierung und

Simulation von Mobilität

Modellierung und Verwaltung des Umgebungsmodells

Heterogene Geodaten Lokationsmanagement

und Informationsdiffusion

Sensorik und Bildverarbeitung Interpretation multisensorieller Daten Generalisierung

räumlicher Daten AR-Anwendungen

Smart Factory Orientierungshilfe für

Blinde Bewertung und Reflexion

Modellierung und Konsistenz

Sicherheit und Akzeptanz


Teilprojektbereich: Kommunikation und Sicherheit



Umgebungsmodellen
















Optimierung von Kommunikationsverfahren durch KontextwissenNeuartige Kommunikationsparadigmen auf der Grundlage von UmgebungsmodellenMultilaterale Sicherheitskonzepte: Abwägung der verschiedenen Schutzbedürfnisse


Teilprojektbereich: Definition und Management von Umgebungsmodellen



Umgebungsmodellen
















Hochskalierbare Modellverwaltung – global, Milliarden von mobilen AnwendernHeterogene Umgebungsmodelle: 2D bis 3D, Integration, GeneralisierungUmgebungsmodelle in infrastrukturloser Systemen


Teilprojektbereich: Modellpräsentation und Sensorik



Umgebungsmodellen
















Kontextbezogene PräsentationAutomatische Erfassung von ModellinformationenInterpretation und Konsistenz von Sensorinformationen


Teilprojektbereich: Anwendungen und Akzeptanzfragen



Umgebungsmodellen
















Neuartige Anwendungen durch UmgebungsmodelleAkzeptabilitätsuntersuchungen mobiler kontextbezogener SystemePlan: Demonstrator mit Industriekooperation


Zusammenfassung

Viele Herausforderungen, aber auchein hohes Potenzial!

Neue Technologien• Geräte, Kommunikation• Sensoren

Kontextbezogene Systeme

Ubiquitous/PervasiveComputing

Information überall, zu jeder Zeit

Mobile Client/Server

Ortsbasierte Systeme

Proliferation von Sensorsystemen

Globale Umgebungsmodelleals Grundlage kontextbezogener Systeme


Vorführung des NeXus-Demonstrators: SFB-Labor (Raum 0.351)

Anwendungen auf der Basis der NeXus-Plattform:

NeXus-Scout

ISIS: Stadtinformationssystem

NeXus-Rallye: Ortsbezogenes Quiz


Workshop on Context-Aware Systems

13:30 – 15:00 Session 1: Context and Interaction Context and User Adapted Mobile Interaction

Dr. Rainer Malaka, EML, Heidelberg Situated Interaction in Instrumented Spaces

Dr. Antonio Krüger, Saarland University Context – Enabling New Ways in Human Computer Interaction

Dr. Albrecht Schmidt, Munich University

15:00 – 15:30 Break – Demonstrator of the NeXus Platform 15:30 – 17:00 Session2: System Aspects of Context-Aware Systems

Building Context-Aware Systems for the Real WorldDr. Adrian Friday, University of Lancaster

NeXus: A Universal Platform Enabling Context-Aware ApplicationsDaniela Nicklas, Universität Stuttgart

Context-Models in NeXus: Complexity and ConsistencySteffen Volz, Universität Stuttgart


Vielen Dank!

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Vorstellung des Sonderforschungsbereichs 627 Umgebungsmodelle für mobile kontextbezogene Systeme Prof. Dr. Kurt Rothermel Institut für Parallele und Verteilte