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

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1 Vorstellung des Sonderforschungsbereichs 627 Umgebungsmodelle für mobile kontextbezogene Systeme Prof. Dr. Kurt Rothermel Institut für Parallele und Verteilte Systeme Universität Stuttgart 14. November 2003

2 Universität Stuttgart SFB 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

3 Universität Stuttgart SFB 627 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

4 Universität Stuttgart SFB 627 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: W niedriger Preis: < 4 Euro piconets scatternet

5 Universität Stuttgart SFB 627 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. Signal Messwert GPS Empfänger (RoyalTek)

6 Universität Stuttgart SFB 627 Sensoren: Trends (1) Vielzahl unterschiedlicher Sensoren mechanisch: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung symbolisch: Identifikation, Lokalisierung thermisch: Temperatur optisch, akustisch, chemisch,... 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 Aspekt der realen Welt physikal. Signal digit. Signal Messwert Membran © Siemens © Fraunhofer Institut

7 Universität Stuttgart SFB 627 Sensoren: Trends (1) Vielzahl unterschiedlicher Sensoren mechanisch: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung symbolisch: Identifikation, Lokalisierung thermisch: Temperatur optisch, akustisch, chemisch,... 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 Aspekt der realen Welt physikal. Signal digit. Signal Messwert Thermoschleife Trägermaterial © Universität Kassel

8 Universität Stuttgart SFB 627 Sensoren: Trends (2) 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 Dust UC Berkeley Smart-It 15x40 mm Sensor- hardware SpeicherBatterie Integrierter Prozessor Transceiver

9 Universität Stuttgart SFB 627 Trends: Schlussfolgerung Kontextbezogene Systeme Position, Ausrichtung, Geschwindigkeit Identität Objekte in der Nähe Temperatur,... Technologietrends Miniaturisierung Preisverfall Integration: Smart Things, Sensornetze Proliferation von Sensorsystemen RealweltDigitale Welt

10 Universität Stuttgart SFB 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

11 Universität Stuttgart SFB 627 Messe Stuttgart International 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.

12 Universität Stuttgart SFB 627 Messe Stuttgart International 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.

13 Universität Stuttgart SFB 627 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,...

14 Universität Stuttgart SFB 627 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.

15 Universität Stuttgart SFB 627 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 Feb.-Okt Messe 5 min 12 min

16 Universität Stuttgart SFB 627 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 Killesberg Messe S1-6 U7 Halle 14

17 Universität Stuttgart SFB 627 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 Uhr Halle 8 Halle 7 Schmidt Meyer Besprechungsraum 2. Navigation 1. Reservierung

18 Universität Stuttgart SFB 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

19 Universität Stuttgart SFB 627 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-Stand Kundenberater Identität Ort

20 Universität Stuttgart SFB 627 Räumliche Modelle und Primärkontext Positionsanfrage: Welche Stände hat M. am vormittags besucht? Identität Primärkontext: Ort Gebietsanfrage: Wie viele Besucher waren am zwischen 9.00 und am Nexus-Stand? Zeit t Zukunft Vergangen- heit Gegenwart Zeit Meyer Messe Stuttgart Schmidt S-AB 1234 B-AA 5678 Nexus-Stand Kundenberater

21 Universität Stuttgart SFB 627 Räumliche Modelle und Primärkontext Identität Primärkontext: Welche Präsentationen hat M. am vormittags in Halle 8 besucht? Zeit t Zukunft Vergangen- heit Gegenwart Meyer Messe Stuttgart Schmidt S-AB 1234 B-AA 5678 Nexus-Stand Kundenberater Ort Zeit

22 Universität Stuttgart SFB 627 Modellkomplexität Koordinatensystem Nächstes Hotel? Hotel A Hotel B Hotel C Hotel A Herr Meyer N E

23 Universität Stuttgart SFB 627 Modellkomplexität Koordinatensystem+ Geographie und Topologie 2D und 3D Geometrie Nächstes Hotel? Hotel B Hotel B Hotel C Hotel A

24 Universität Stuttgart SFB 627 Modellkomplexität Koordinatensystem+ Geographie und Topologie 2D und 3D Geometrie + Dynamik dynamische Zustände mobile Objekte Nächstes Hotel? Hotel C Hotel B Hotel C Hotel A

25 Universität Stuttgart SFB 627 Einordnung von Modellen Dynamik Komplexität der Abstraktion Bereich global lokal keine hoch

26 Universität Stuttgart SFB 627 Einordnung von Modellen Bestehende Modellierungsansätze einfach und global Dynamik Komplexität der Abstraktion gering hoch Bereich global lokal größere Bereiche mittlere Dynamik niedrige Komplexität anwendungsspezifisch Telematik-Dienste (z.B. PASSO, Tegaron)

27 Universität Stuttgart SFB 627 Einordnung von Modellen Bestehende Modellierungsansätze einfach und global komplex und lokal Dynamik Komplexität der Abstraktion gering hoch Bereich global lokal beschränkte Bereiche höhere Dynamik mittlere Komplexität anwendungsspezifisch Guide, Cyberguide, Stick-e-Notes

28 Universität Stuttgart SFB 627 Einordnung von Modellen Bestehende Modellierungsansätze einfach und global komplex und lokal Dynamik Komplexität der Abstraktion global lokal gering hoch Globale Bereiche Hohe Dynamik Hohe Komplexität Bereich Lücke: komplexe, globale, dynamische Modelle hoher Aufwand! gemeinsame, anwendungsübergreifende Nutzung erweiterbare Modelle global lokal

29 Universität Stuttgart SFB 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

30 Universität Stuttgart SFB 627 Vision: Föderierte Umgebungsmodelle Umgebungsmodelle Informationsräume Anwendungen Daten von Milliarden von Sensoren WWW Digitale Bibliotheken Föderation Smart Factory StadtführerNavigation...

31 Universität Stuttgart SFB 627 SFB 627: Umgebungsmodelle für mobile kontextbezogene Systeme Ziele: Erforschung von Methoden zur Realisierung globaler Umgebungsmodelle Innovative kontextbezogene Anwendungen Mechanismen Start: Januar 2003 an der Universität Stuttgart aufbauend auf Vorarbeiten der DFG-Forschergruppe NE X US 30+ Wissenschaftler, 9 beteiligte Gruppen zunächst für 4 Jahre gefördert MultimediaWWWDigitale Bibliotheken Reale Welt Umgebungs- modell Informations- räume

32 Universität Stuttgart SFB 627 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)

33 Universität Stuttgart SFB 627 Nexus-Plattform verbindet physische und digitale Welt Föderiert Umgebungsmodelle Sensorintegration, Konsistenz Ankerpunkte für Informationen Temporale Konzepte Unterstützt Modellinteraktion Synchron: räumliche Anfragen Asynchron: Auslösen von Aktionen Visualisierung Anwendungen Systemfunktionen Physische Welt Umgebungsmodell Informations- räume Nexus

34 Universität Stuttgart SFB 627 (Fast) Automatisch generiertes Modell

35 Universität Stuttgart SFB 627 Wissenschaftliche Herausforderungen Umgebungs- modell Sicherheit und Akzeptanz Kommunikation Sensor- Integration Präsentation und Interaktion Anwendungen Definition und Management

36 Universität Stuttgart SFB 627 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

37 Universität Stuttgart SFB 627 Teilprojektbereich: Kommunikation und Sicherheit 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 Optimierung von Kommunikationsverfahren durch Kontextwissen Neuartige Kommunikationsparadigmen auf der Grundlage von Umgebungsmodellen Multilaterale Sicherheitskonzepte: Abwägung der verschiedenen Schutzbedürfnisse

38 Universität Stuttgart SFB 627 Teilprojektbereich: Definition und Management von Umgebungsmodellen 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 Hochskalierbare Modellverwaltung – global, Milliarden von mobilen Anwendern Heterogene Umgebungsmodelle: 2D bis 3D, Integration, Generalisierung Umgebungsmodelle in infrastrukturloser Systemen

39 Universität Stuttgart SFB 627 Teilprojektbereich: Modellpräsentation und Sensorik 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 Kontextbezogene Präsentation Automatische Erfassung von Modellinformationen Interpretation und Konsistenz von Sensorinformationen

40 Universität Stuttgart SFB 627 Teilprojektbereich: Anwendungen und Akzeptanzfragen 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 Neuartige Anwendungen durch Umgebungsmodelle Akzeptabilitätsuntersuchungen mobiler kontextbezogener Systeme Plan: Demonstrator mit Industriekooperation

41 Universität Stuttgart SFB 627 Zusammenfassung Viele Herausforderungen, aber auch ein hohes Potenzial! Neue Technologien Geräte, Kommunikation Sensoren Kontextbezogene Systeme Ubiquitous/Pervasive Computing Information überall, zu jeder Zeit Mobile Client/Server Ortsbasierte Systeme Proliferation von Sensorsystemen Globale Umgebungsmodelle als Grundlage kontextbezogener Systeme

42 Universität Stuttgart SFB 627 Vorführung des NeXus-Demonstrators: SFB-Labor (Raum 0.351) Anwendungen auf der Basis der NeXus-Plattform: NeXus-Scout ISIS: Stadtinformationssystem NeXus-Rallye: Ortsbezogenes Quiz

43 Universität Stuttgart SFB 627 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 World Dr. Adrian Friday, University of Lancaster NeXus: A Universal Platform Enabling Context-Aware Applications Daniela Nicklas, Universität Stuttgart Context-Models in NeXus: Complexity and Consistency Steffen Volz, Universität Stuttgart

44 Universität Stuttgart SFB 627 Vielen Dank!


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