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

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

Mobile Endgeräte: Trends Mobile Endgeräte werden kleiner und schneller multifunktionale Geräte "Wearable" Computer "Disappearing" Computer 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.

Kommunikationstechnologie: Trends „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 Quelle: Infineon Technologies

Sensoren: Trends (1) Vielzahl unterschiedlicher Sensoren Aspekt der realen Welt Vielzahl unterschiedlicher Sensoren mechanisch: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung symbolisch: Identifikation, Lokalisierung thermisch: Temperatur optisch, akustisch, chemisch, ... Miniaturisierung und Preisverfall physikal. Signal Sensor digit. Signal Messwert GPS Empfänger (RoyalTek) 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)

Sensoren: Trends (1) Vielzahl unterschiedlicher Sensoren Aspekt der realen Welt Vielzahl unterschiedlicher Sensoren mechanisch: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung symbolisch: Identifikation, Lokalisierung thermisch: Temperatur optisch, akustisch, chemisch, ... Miniaturisierung und Preisverfall physikal. Signal Sensor digit. Signal Messwert Beispiel: Druck-Sensor Messprinzip: Kapaziät der Membran ändert sich mit der einwirkenden Kraft auf die Membran  Membran: 120 m (menschliches Haar: 100 m) Klassifikation anhand von Messgrößen © Fraunhofer Institut © Siemens Membran

Sensoren: Trends (1) Vielzahl unterschiedlicher Sensoren Aspekt der realen Welt Vielzahl unterschiedlicher Sensoren mechanisch: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung symbolisch: Identifikation, Lokalisierung thermisch: Temperatur optisch, akustisch, chemisch, ... Miniaturisierung und Preisverfall physikal. Signal Sensor digit. Signal Messwert Beispiel: Temperatur-Sensor Messprinzip: Widerstand in Thermoschleife ändert sich mit der Temperatur  Thermoschleife: 100 nm (menschliches Haar: 100 m) Genauigkeit: 1/1000 Grad Celsius Thermoschleife Trägermaterial © Universität Kassel

Sensoren: Trends (2) Entwicklung von Sensorplattformen hardware Speicher Batterie Integrierter Prozessor Transceiver 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-It 15x40 mm Smart Dust UC Berkeley

Trends: Schlussfolgerung Technologietrends Miniaturisierung Preisverfall Integration: „Smart Things“, Sensornetze  Proliferation von Sensorsystemen Kontextbezogene Systeme Position, Ausrichtung, Geschwindigkeit Identität Objekte in der Nähe Temperatur, ... Realwelt Digitale Welt

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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 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. Messe Stuttgart International

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? Definition: Eine Anwendung ist kontextbezogen, wenn ihr Verhalten durch Kontextinformationen beeinflusst wird. Merkmale: kontextbezogene Selektion kontextbezogene Präsentation kontextbezogene Aktion Merkmale treten häufig in Kombination auf!

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 12 min 5 min Messe

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 Halle 14 Bad Cannstatt Hbf Stadt- mitte Türlen- straße Killesberg Messe S1-6 U7 Nächste Haltestelle umsteigen auf U7

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 2. Navigation 1. Reservierung Besprechungsraum Halle 7 Schmidt Meyer Halle 8

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Räumliche Modelle und Primärkontext Messe Stuttgart Nexus-Stand Kundenberater Schmidt B-AA 5678 Meyer S-AB 1234 Identität Ort Primärkontext: Positionsanfrage: In welcher Halle befindet sich S.? Gebietsanfrage: Ist ein Berater am Nexus-Stand verfügbar?

Räumliche Modelle und Primärkontext Messe Stuttgart Nexus-Stand Kundenberater Schmidt B-AA 5678 Meyer S-AB 1234 Zukunft Gegenwart 30.05.2003 Identität Zeit Ort Vergangen-heit Primärkontext: Zeit t Positionsanfrage: Welche Stände hat M. am 21.05.2003 vormittags besucht? Gebietsanfrage: Wie viele Besucher waren am 21.05.2003 zwischen 9.00 und 12.00 am Nexus-Stand?

Räumliche Modelle und Primärkontext Messe Stuttgart Nexus-Stand Kundenberater Schmidt B-AA 5678 Meyer S-AB 1234 Zukunft Gegenwart 30.05.2003 Zeit Ort Vergangen-heit Primärkontext: Identität Zeit t Welche Präsentationen hat M. am 21.05.2003 vormittags in Halle 8 besucht?

Modellkomplexität Nächstes Hotel?  Hotel A Herr Meyer Hotel B Hotel C Koordinatensystem

Modellkomplexität Nächstes Hotel?  Hotel B Hotel B Hotel C Hotel A Koordinatensystem + Geographie und Topologie 2D und 3D Geometrie

Modellkomplexität Nächstes Hotel?  Hotel C Hotel B Hotel C Hotel A 20. - 30.05.2003 Hotel C Hotel A Koordinatensystem + Geographie und Topologie 2D und 3D Geometrie + Dynamik dynamische Zustände mobile Objekte

Einordnung von Modellen hoch Komplexität der Abstraktion global Bereich lokal Dynamik keine hoch

Einordnung von Modellen größere Bereiche mittlere Dynamik niedrige Komplexität anwendungsspezifisch Telematik-Dienste (z.B. PASSO, Tegaron) hoch Komplexität der Abstraktion global Bereich Telematik-Dienste: größere Bereich: Karten von Europa, Ländern, und auch Städten Mittlere Dynamik (in der Regel im Minuten- bis Stundenbereich aktualisiert): Stauinformationen Wetterbedingungen Polizeikontrollen Niedrige Komplexität: 2D-Karten (kein 3D) Topologie auf Karten zur Navigation Anwendungsspezifisch Autos + Karte + Zusatzinformationen zu Verkehrslage lokal Dynamik gering hoch Bestehende Modellierungsansätze einfach und global

Einordnung von Modellen beschränkte Bereiche höhere Dynamik mittlere Komplexität anwendungsspezifisch Guide, Cyberguide, Stick-e-Notes hoch Komplexität der Abstraktion global Bereich Beschränkte Bereiche: Indoor + Innenstadt (alle 3 Systeme) Höhere Dynamik: Verwaltung der Lokationen von Objekten Cyberguide mit GPS outdoor + IR indoor Stick-e-Notes: mittlere Dynamik (Notes werden hinzugefügt und entfernt) Komplexität: Guide: nur zellenbasierte Position Keine 3D-Modelle Guide: 2D: Innenstadtdarstellung Cyberguide: 2D: Indoor + Outdoor Anwendungsspezifisch: Guide System (Guide, Cyberguide) Anbringen von virtuellen Notizen + einfache Ereignisse beim Betreten eines Kontexts lokal Dynamik gering hoch Bestehende Modellierungsansätze einfach und global komplex und lokal

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

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

Vision: Föderierte Umgebungsmodelle Navigation „Smart Factory“ Stadtführer Anwendungen ... Föderation Daten von Milliarden von Sensoren Umgebungsmodelle ... Informationsräume Digitale Bibliotheken WWW

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 NEXUS 30+ Wissenschaftler, 9 beteiligte Gruppen zunächst für 4 Jahre gefördert Multimedia WWW Digitale Bibliotheken Reale Welt 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-Plattform verbindet physische und digitale Welt Anwendungen Systemfunktionen Physische Welt Umgebungsmodell Informations- räume Nexus Föderiert Umgebungsmodelle Sensorintegration, Konsistenz Ankerpunkte für Informationen Temporale Konzepte Unterstützt Modellinteraktion Synchron: räumliche Anfragen Asynchron: Auslösen von Aktionen Visualisierung

(Fast) Automatisch generiertes Modell

Wissenschaftliche Herausforderungen Umgebungs- modell Sicherheit und Akzeptanz Kommunikation Sensor- Integration Präsentation und Interaktion Anwendungen Definition und Management

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 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 Multilaterale Sicherheitskonzepte Optimierung von Kommunikationsverfahren durch Kontextwissen Neuartige Kommunikationsparadigmen auf der Grundlage von Umgebungsmodellen Multilaterale Sicherheitskonzepte: Abwägung der verschiedenen Schutzbedürfnisse

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

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

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

Zusammenfassung Proliferation von Sensorsystemen 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 Viele Herausforderungen, aber auch ein hohes Potenzial!

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 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

Vielen Dank!