Allgemeine Trends im Bereich intelligenter Mobilitätsdienste

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1 Kommunikationstechnologien als Schlüssel zu ITS Abteilung für Automotive Systeme PD Dr. Frank Köster Human Factors Konzepte / Technologien Simulatoren / Fahrzeuge Allgemeine Trends im Bereich intelligenter Mobilitätsdienste Aus Anwendungsperspektive sind smarte Systeme / Systemlandschaften das Ziel: Inhärente Komplexität, wie z.b. aufgrund einer unverzichtbaren Verteiltheit oder vielschichtigen internen Ablaufstruktur, bleibt für Nutzer oder zugreifende technische Systeme verborgen Benutzungsschnittstellen und technischen Interfaces können sich an die Bedürfnisse von Nutzern oder darauf zugreifender technischer Systeme anpassen Die (anwendungsbezogene) Ebene der Problemlösung bzw. konkreten Aufgabenbearbeitung wird zielgerichtet und proaktiv unterstützt [...] the future of computing will be 100% driven by delegating to, rather than manipulating computers. (Negroponte, 1995) Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 2 1

2 Allgemeine Trends im Bereich intelligenter Mobilitätsdienste Essentielle Schritte auf eher technischer Ebene: Allgegenwart (Ubiquitous Computing) eingebettete Systeme und Computer (ES/C) treten nahezu überall in Erscheinung (z.b. Infrastruktur, Fahrzeuge, Mobilgeräte) Kommunikation / Vernetzung ES/C sind mehr und mehr miteinander vernetzt und kommunizieren mit Nutzern ebenso wie mit anderen technischen Systemen Verteiltheit komplexe Funktionalität resultiert aus Zusammenspiel von Nutzern und verschiedener technischer Komponenten bzw. Dienste Offenheit ES/C entwickeln sich hin zu offenen und erweiterbaren Plattformen Daniel Stolle Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 3 Handlungsebenen stellen u.a. spezifische Anforderungen an Kommunikation Im Automotive-Segment i.allg. differenziert (Vehicle = Mobile) Mensch/Maschine-Kommunikation bzw. Mensch/Vehicle-Kommunikation in-vehicle-kommunikation Vehicle2Vehicle-Kommunikation Vehicle2Infrastructure-Kommunikation mehr Information im Fahrzeug Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 4 2

3 Mensch/Maschine-Kommunikation Variierende Kommunikationsintensität z.b. abhängig vom Kooperationsbedarf Gestaltung unterschiedlicher Unterstützungsgrade und geeigneter Transitionen zwischen diesen vollautomatisiertes System passives System assistierendes System aktives System proaktives System vollautomatisiertes System Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 5 In-Vehicle- / V2V- / V2I-Kommunikation Technische Struktur / Architektur aus Anwendungsperspektive unterschiedliche Wege zur Ausgestaltung des weiteren Vortrags möglich Kommunikationsstandards agentenbasierte Systeme komponentenbasierte Architekturen IEEE p UMTS serviceorientierte Architekturen Cloud Computing Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 6 3

4 Drahtlose Kommunikationsstandards Übersicht Standards zur Nahbereichskommunikation (1/2) Radio Frequency Ident. (RFID) Warenkennzeichnung / Zugangskontrollen kein einheitlicher Standard gering (je nach bereich und Sendeleistung) sehr gering einige cm / einige m Bluetooth (BT) Personal Area Networks Mobiltelefone / Freisprecheinrichtungen / Eingabegeräte für PCs / Datenübertragung über kurze Strecken 2,4 GHz ISM (lizenzfrei) gering bis mittel (je nach Profil) mittel bis hoch (je nach Profil) 10m 100m einige kbit/s bis 24 Mbit/s Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 7 Drahtlose Kommunikationsstandards Übersicht Standards zur Nahbereichskommunikation (2/2) Ultra Wide Band (UWB) High-Speed Kommunikation im Nahbereich z.b. Vernetzung im Kraftfahrzeug einige GHz bei Bandbreiten > 500 MHz / kein einheitlicher Standard mittel, je nach Anwendsungsfall sehr hoch bis 10 GHz 10m 50m bis 1,3 Gbit/s Infrarot (IR) Small Personal Networks Mobiltelefone / Laptops / Medizingeräte / Datenlogger sehr hoch (unsichtbares Licht) sehr gering sehr gering bis sehr hoch um 350 THz bis 1m einige kbit/s bis 1 Gbit/s Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 8 4

5 Drahtlose Kommunikationsstandards Übersicht Standards für mittlere n Wireless LAN (IEEE a/b/g/n) Lokale Computernetze / teilweise Industrieautomation / Erweiterungen zu Metropolitan Area Network durch Mesh-Technologie mit Handover möglich je nach Standard Standardisiert durch IEEE a / b / g / n gering hoch bis sehr hoch 2,4 GHz und 5,1-5,7 GHz bis 1m 11 Mbit/s bis 600 Mbit/s Wireless Access in a Vehicular Environment (WAVE / IEEE p) Vehicle2X-Kommunikation Eigenes (lizenziertes) band / Standardisiert nach IEEE p mittel mittel 5,9 GHz bis ca. 500 m 3 Mbit/s bis 27 Mbit/s Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 9 Drahtlose Kommunikationsstandards Übersicht Standards zur weiträumigen Kommunikation (Mobilfunksysteme 2G / 3G / 3G++) Global System for Mobile Communications (GSM) Erweiterungen: General Packet Radio Service (GPRS) / Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) in Europa zwei Bänder (D- und E-Netz) hoch mittel 900 / 1800 MHz einige km 9,8 kbit/s bis 59,2 kbit/s Universal Mobile Communications System (UMTS) Erweiterungen: High Speed Packet Access (HSPA) / Long-Term Evolution (LTE) in Europa mittel (je nach Zelltyp) mittel bis hoch 1,9 bis 2,1 GHz 60 m bis 2 km 384 kbit/s bis 100 Mbit/s Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 10 5

6 Warum eine Architektur explizieren? Eine Architektur und ihre verständliche Dokumentation sind Grundlage für eine zielgerichtete Gestaltung von Softwarelandschaften bzw. IT-Strategie Ohne explizite Architekturüberlegungen werden IT-bezogene Entscheidungen schnell zu Entscheidungen aus dem Bauch Solide Architekturüberlegungen sind die effektivste Art, die Komplexität von Softwarelandschaften transparent zu machen Architekten müssen auch technisch fundiert entscheiden können Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 11 Allgemeine Kriterien zur Architekturbewertung Sicherheit Safety & Security Robustheit Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Service-Qualität Handhabbarkeit / Wiederverwendbarkeit / Weiterentwickelbarkeit Komponenten Schnittstellen Flexibilität (gleichermaßen auf Komponenten- und Schnittstellenlevel) Markteinführung / Migration Time to Market Entwicklung der Kernfunktionalität Entwicklung von Produkten Kosten Entwicklung Roll-Out Nutzung / Unterstützungsleistungen / Service-Leistungen Verfeinerung / Erweiterung Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 12 6

7 Im Allgemeinen existiert kein Königsweg Security Flexibilität Schnittstellen Komponenten Handhabbark. / Wiederverwendbark. / Weiterentwickelbark. Sicherheit Safety Robustheit Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Service-Qualität Entwicklung der Kernfunktionalität Entwicklung Roll-Out Nutzung / Unterstützungsl. / Service-L. Entwicklung von Produkten Markteinführung / Migration Kosten Verfeinerung / Erweiterung Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 13 Grundlagen der Serviceorientierung Geltungsbereich von Strukturierungs- / Architektur-Ansätzen Software- Granularität serviceorientiert Anwendung Module Anwendungslandschaft Code- Fragmente strukturiert modular objektorientiert komponentenorientiert Cobol C C++ Java SOAP, BPEL, WSDL, Zeit Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 14 7

8 Grundlagen der Serviceorientierung Charakteristika von Services Ein Service repräsentiert eine abgrenzbare und im Systemzusammenhang definierte Leistung, die von einem Anwendungsbaustein erbracht und von anderen Anwendungsbausteinen konsumiert werden kann. Services können zusammenspielen Services aus unterschiedlichen Kontexten können in neuem Gesamtzusammenhang integriert werden. Serviceschnittstelle, Signatur und funktionale Spezifikation ist Vertrag zw. nutzendem und anbietendem Anwendungsbaustein. Lose Koppelung ermöglicht hohen Grad an Autonomie der Service-Entwickler/Provider bspw. ist Service-Implementierung nicht Teil einer Vereinbarung. Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 15 Grundlagen der Serviceorientierung Orchestrierung und Servicebeschreibung Instantiierung einer SOA-basierten Anwendung basiert i.allg. auf einer generischen SOA-Plattform. Orchestrierung ist wichtiger Schritt zur Service-Nutzung in einem Prozess. Zur Beschreibung der Prozesse kann z.b. die Business Process Execution Language (BPEL) genutzt werden. Zur Prozessausführung stehen verschiedene BPEL-Container zur Verfügung, die insbesondere die Nutzung von WebServices (die bekannteste Form von Services im Business-Umfeld bzw. Internet) leicht ermöglichen. Die Servicebeschreibung erfolgt für WebServices mit der WebService Description Language (WSDL). Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 16 8

9 Grundlagen der Serviceorientierung Veranschaulichung I 1 I 0 S 1 I2 I n S 0 S 2 S n virtueller Bus S S S BPEL-Container S S S S S S Basic Services Repository Application-Server Repository Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 17 in-vehicle-services ermöglicht die in-vehicle-umsetzung serviceorientierter Assistenz- und Automationssysteme und stellt hierzu u.a. eine durchgängig verfügbare SOA-Plattform in den Anlagen des Instituts DLR/TS bereit. Basierend auf der WSDL kommt eine spezielle VehicleService Description Language (VSDL) zum Einsatz. Zur Orchestrierung wird die auf in-vehicle Belange spezialisierte Vehicle Process Execution Language (VPEL) eingesetzt. Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 18 9

10 Grobarchitektur HMI-Lab ViewCar ViewCar FASCar I FASCar II FASCar I Mobile Devices RSUs FASCar II Vehicles and other Devices C/C++ API OSGi-GW WebService-GW Basic Services Data Management Services Simulators and other virt. Dev. VR-Lab HMI-Lab dyn. Sim. FixSim VR-Lab SUMO dyn. Sim. virt. Sensors virt. FixSim Mobile Dev. virt. RSUs -DS Standardized Interfaces (e.g. WebDAV, ODBC) AMUN DIADEM SPSS Rec/Replay ViewAna EA-Mole Aerogator Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 19 Instantiierungen in Simulatoren und Fahrzeugen Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 20 10

11 Instantiierungen in Simulatoren und Fahrzeugen Service-Nutzung via Internet Smart-Phone Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 21 Instantiierungen in Simulatoren und Fahrzeugen Service-Nutzung via Internet Web-Browser Web-Server Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 22 11

12 Instantiierungen in Simulatoren und Fahrzeugen Service-Nutzung via Internet Smart-Phone Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 23 Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 24 12

13 Was ist? Anwendungsplattform Intelligente Mobilität (AIM) Neue Großforschungsinfrastruktur des DLR eine ganze Stadt als Plattform für anwendungsorientierte Wissenschaft, Forschung und Entwicklung AIM ist eine Großforschungsanlage für Wissenschaft und Wirtschaft im Bereich intelligenter Mobilitätsdienste. Diese besitzt wesentliche Anteile im realen Umfeld einer Stadt sowie ausgewählter umliegender Regionen, spezielle Teststrecken und ein leistungsfähiges Instrumentarium zur Simulation und Beeinflussung großräumiger (z.b. Verkehrsflüssen) und mikroskopischer (z.b. Fahrsimulationen) Aspekte von Verkehr/Mobilität. langfristige Partnerschaft: Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 25 Was ist? Motivation und Zielsetzung Sicherheit - Unfallzahlen reduzieren Sicherheit für alle Verkehrsteilnehmer - Management von Notfällen und Katastrophen Intermodale Mobilität Mobilität sicherstellen Verkehrs- und Mobilitätsmanagement Assistenz und Automation Einzelaufgaben oder komplexe Abläufe automatisieren Kooperative Assistenz und Automation - Management von Großereignissen - Ressourceneinsatz optimieren Umwelt schonen / Lebenszeit gewinnen Ressourcenschonung Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 26 13

14 Was ist? Motivation und Zielsetzung verbindende Aktivitäten Sicherheit - Unfallzahlen reduzieren Sicherheit für alle Verkehrsteilnehmer - Management von Notfällen Systeme und Katastrophen verstehen Handlungsmöglichkeiten Intermodale Mobilität identifizieren Assistenz und / Automation bewerten Mobilität sicherstellen Dienste entwickeln Einzelaufgaben oder komplexe Abläufe automatisieren Verkehrs-Dienste und Mobilitätsmanagement Kooperative Assistenz und testen / Akzeptanz prüfen Automation Dienste langfristig bewerten - Management von Großereignissen Empfehlungen geben - Ressourceneinsatz optimieren Umwelt schonen / Lebenszeit gewinnen Ressourcenschonung Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 27 Grundlegende Methodik in Empirische Forschung Unfallanalysen Simulatorstudien Testfahrten Fahrstudien Wissensmanagement Daten / Metadaten Ontologien Erkenntnisse Modelle Systeme Normen und Standards Design Fahrer / Nutzer gereifte Erkenntnisse Designprozesse Designprozesse Funktion, Architektur, technisches System Daten Hypothesen Modelle / Anforderungen Umwelt / Verkehrssystem Domain-Engineering Normen und Standards Prototypen (Dienste / Applikationen) Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 28 14

15 AIM Grobarchitektur Simulatoren Fahrzeuge (Straße und Schiene) Mobilgeräte RSUs Mobile Sensorik ggf. ODYSSEUS SPNV virtueller Bus / -Bus VMZ ÖPNV Mobilitätsportale Schienenfzg.- rechner ggf. ODYSSEUS D B S S S - I F S S S S Application-Server Aim Zentrale S S T D P C O Basic N Services C E Repository R T Repository ggf. ODYSSEUS (X)FCD Infrastrukturseitige Sensorik Prop. Interfaces -DS Traffic Data Standardized Interfaces (e.g. WebDAV, ODBC) Prop. Interfaces Städt. Detektoren / BAB AMUN DIADEM SPSS Rec/Replay ViewAna EA-Mole Aerogator Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 29 Danke für die Aufmerksamkeit Kontakt: PD Dr. Frank Köster Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. Institut für Verkehrssystemtechnik Lilienthalplatz Braunschweig Frank.Koester@DLR.de Department of Automotive Systems > 16. November 2010 > Folie 30 15