Cyber-Physical Systems WS09/10 · lokalen Koordinaten-Rahmen) –Akzeptieren und Speichern von Ort...

Cyber-Physical Systems WS 16/17

Cyber-Physical Systems

2. Anwendungsbeispiele

Dr.-Ing. Torsten Klie

Lehrstuhl für Hardware-Software-Co-Design


Inhalt der Vorlesung

1. Was sind “Cyber-physical Systems”?

• Definitionen und Abgrenzung zu eingebetteten Systemen, Ubiquitous

Computing, etc.

2. Anwendungen für Cyber-physical Systems

• Beispiele im Bereich Verkehr, Infrastruktur u.a.

3. Grundlagen der Kontrolltheorie

4. Echtzeit-Scheduling

5. Control-Scheduling-Co-Design

6. Vernetzung und Kommunikation

7. Selbstorganisationsprinzipien

• „Self-X“, Autonomie, Verhandlungen

• Automomic Computing und Policy-based Management

8. Entwurfsmethoden für Cyber-physical Systems

• Modellierung

• Programmierung

2

Gliederung Kapitel 2

• Anwendungen für Cyber-physical Systems

– Autonomes Treibhaus

– Smart Cities

– Autonomes Fahren

– CPS Factory / Industrie 4.0

Cyber-Physical Systems WS 16/17 3

DISTRIBUTED ROBOTICS

GARDEN

Autonomes Treibhaus vom MIT


Distributed Robotics Garden (MIT)

• Ziel: Autonomes Treibhaus

• Basis:

– Autonome Roboter

– Sensoren

• Problemstellung:

– Koordination mehrerer unabhängiger

Roboter

– Abstimmung mit den biologischen

Wachstumsprozessen

– Spatial Computing


Quelle: J. Dorfman, The Distri-

buted Robotics Garden, MIT, 2008

5

Distributed Robotics Garden: Architektur


Quelle Corell et al. Building a Distributed Robotics Garden, 2009

6

Distributed Robotics Garden: Roboter


• Notebook computer mit Linux

• iRobot Create– bumper sensor (left/right),

– 4 cliff sensors,

– Wand-Sensor

– Infrarot-Sensor

– Gesteuert vom Notebook via USB.

• Servo board (Lynxmotion SSC-32),– Steuert den arm,

– Bietet Analog-Digital-Konverterfür den Kraft-Sensor

– PWM-Steuerung für die Wasserpumpe

• Wassertank and -pumpe

• 4-DOF Arm (Crustcrawler robotics) mit Greifer und Kraft-Sensor (0-10 Newton) verbunden zum SSC-32

• Batterien, WebCam, Atheros WiFi

Quelle Corell et al. a.a.O.2009

7

Distributed Robotics Garden: Pflanzen


• Cherry-Tomaten-Pflanzen von ca. 1m Höhe die

kontinuierlich Früchte in allen Reifegraden tragen kann

(Blüten, grüne und rote Tomaten)

• Jede Pflanze wächst in einem eingenen Topf.

• iRobot docking station mit Infrarot-Feld,

– erlaubt autonomes Andocken von Robotern

– Biete Auflade-Möglichkeit

• Feuchtigkeits-Sensor (Vegetronix).

• Drahtloser Sensorknoten mit OpenWRT Linux

• Eindeutige ID

8

Distributed Robotics Garden: Pflanzen


Quelle:

Corell et al.

a.a.O.2009

9

Distributed Robotics Garden: Funktionalitäten


• Pflanzen

– Periodisches Abfragen der Feuchtigkeitssensoren und posten von

Wasser-Anfragen wenn das Ergebnis einen Schwellwert unterschreitet

– Auf Anfrage melden von Position und Reifegrad der Früchte (in einem

lokalen Koordinaten-Rahmen)

– Akzeptieren und Speichern von Ort und Reifegrad von neuen Früchten

von einem Roboter

– Auf Anfrage Löschen von Früchten aus der DB

• Roboter

– Zu einer bestimmten Pflanze navigieren und am Topf andocken

– Gießen einer Pflanze

– Inventar einer Pflanze erkennen (fruit maturity and location in local

coordinates) mit Kamera, vereint mit dem aktuellen Inventar erhalten

von der Pflanze

– Ernten einer Frucht

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Distributed Robotics Garden: Roboter-Module


• Scheduler

– Koordiniert und hält eine Warteschlange mit High-Level-Task

– Tasks kommen von Pflanzen oder von menschlichen Aufsehern

– Nachricht über CGI-Schnittstelle (Apache)

• Planner

– Jobs vom Scheduler

– Dekomoposition der Tasks in eine Folge von Jobs

– Enge Rückkopplung mit Navigation und Visual Servoing

– Navigation und Manipulation

• Software

– Inter-Process-Communication Framework ROS

– Programmiersprachen: Python, LISP, Octave, C

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Distributed Robotics Garden: Weitere Module


• Pflanzen

– Cron daemon

– lighttpd mit PHP-Interpreter für Lokation und Reifegrad der Früchte

• Netz

– Optimized Link State Routing (OLSR)

– Verfügbar für Ubuntu und OpenWRT

– Optimiert für große drahtlose (Sensor-)Netze

– Fluten von Infos über Routen und Nachbarn

– Berechnen der kürzesten Pfade für alle Knoten

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Distributed Robotics Garden: Navigation


• Grundfunktion: von Create-Platform

• Positionsbestimmung

– Wegemessung (Odometrie)

– Positionsbestimmung über Infrarot-Sensoren und –Markierungen

– Sampling-Raten:

• Infrarot: 2 Hz

• Hodometrie: 50 Hz.

– Auf kurze Distanz ist Odometrie besser, global Infrarot

– Sensorfusion

• Routenplanung auf Basis von lokal verfügbaren Karten

• Im Fall einer Kollision: Vermeidungsalgorithmus

– Gehe zum letzten sicheren Punkt zurück

– Starte Routenplanung erneut

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Distributed Robotics Garden: Objekterkennung


• Ziele:

– Schwerpunkt von roten und grünen Tomaten erkennen

– Schwerpunkt mit Koordinaten im Koordinatensystem der Pflanze

– Mitteilen des Orts an die Pflanze

– Verwenden des Orts beim „Visual Servo“ (für das Greifen des

Objekts)

• Erkennung schwierig

– Tomaten sind zwar rund, es gibt aber viele Abweichungen bei der

Größe und Form

– Tomaten können andere Tomaten verdecken

– Tomaten glänzen (Reflektionen)

• Ansätze: Feature-based vs. filter-based classifying

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Task-Allokation

• Task-Allokations-Algorithmus

– Verwaltet aktive Roboter und Anfragen

– Weist Tasks genau einem Roboter zu

• Broadcast für jeden Task

• Roboter Antworten mit ihren Kosten

– Entfernung zur Pflanze

– Länge der Task-Queue

– Fähigkeiten des Roboters


Verbesserungen

• Netz: Fluten der Nachricht mit begrenztem Hop-Count

• Navigation: Einsatz von GPS

• Objekterkennung: Verknüpfung mit weiteren Algorithmen

• Visual Servoing: Zusätzlicher Planungsschritt: Erkundung

der genauen Umgebung

• Greifen: Drehbarer Arm für den Roboter


Bewertung

• CPS: ja oder nein?

• Diskussion


SMART CITIES

Vernetzung aller Systeme der Städte


Smart Cities


• Vernetzung aller Systeme

der Städte

– Planung

– Rettungsleitstelle

– Verwaltungssysteme

– Energieversorgung

– Verkehrsmanagement

– GesundheitQuelle: IBM

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Smart Cities – Motivation

• Energieeffiziente Geräte weit verbreitet

• Drahtlose Kommunikation (fast) überall

– IEEE 802.15.4

– Drahtlose Sensornetze

– Sensor-Plattformen

• Urbanisation

• Wirtschaftswachstum

• technologischer Fortschritt

• Nachhaltigkeit


Eigenschaften einer Smart City


Quelle: R. Giffinger et al. Smart cities -

Ranking of European medium-sized cities. 2007

21

Smart Economy (Wettbewerbsfähigkeit)

• Innovatives Klima

• Unternehmergeist

• Wirtschaftliches Image und Marken

• Produktivität

• Flexibler Arbeitsmarkt

• Einbettung in internationale Beziehungen

• Anpassungsfähigkeit


Smart People (Gesellschafts- und Human-Kapital)

• Qualifikationsniveau

• Bereitschaft zu lebenslangem Lernen

• Soziale und ethnische Pluralität

• Flexibilität

• Kreativität

• Weltoffenheit

• Teilnahme am öffentlichen Leben


Smart Governance (Mitwirkung)

• Mitwirkung am Entscheidungsprozess

• Öffentliche und Soziale Dienste

• Transparente Verwaltung

• Politische Strategien und Perspektiven


Smart Mobility (Verkehr & IKT)

• Zugänglichkeit

– Lokal

– National

– International

• Verfügbarkeit von Informations- und Kommunikations-

Infrastruktur (IKT)

• Verkehrssysteme

– Nachhaltig

– Innovativ

– Sicher


Smart Environment (Natürliche Ressourcen)

• Attraktivität der natürlichen Bedingungen

• Umweltverschmutzung

• Umweltschutz

• Nachhaltiges Rohstoff-Management


Smart Living (Lebensqualität)

• Kulturelles Angebot

• Gesundheitsniveau

• Individuelle Sicherheit

• Wohnqualität

• Bildungseinrichtungen

• Touristische Attraktivität

• Sozialer Zusammenhalt


Ranking – TOP20


Quelle: www.smart-cities.eu, 2011

28

3 Städte im Vergleich


Quelle: www.smart-cities.eu, 2011

29

SmartCity Model


Quelle: R. Khatoun und S. Zeadally.

Smart Cities: Concepts, Architectures,

Research Opportunities, 2016.

Straßenbeleuchtung als Basisinfrastruktur


Quelle: www.eluminocity.com, 2015

31

Beispiel: Intelligente Parkplatzsuche


Quelle: www.clevercityparking.com, 2015

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Beispiel: Intelligente Parkplatzsuche

• Parkplätze werden durch Kameras überwacht

• Freie Plätze werden an das System gemeldet

• Nutzer stellen Suchanfrage

– Ort

– Größe des Fahrzeugs

• System „reserviert“ Parkplatz und sendet GPS-Koordinaten

• Vorteile:

– Reduktion des Suchverkehrs und Umweltbelastung

– Höhere Einnahmen / Vermeidung von Schwarzparken

– Imagegewinn für Städte

– Stress-, Zeit- und Kostenreduktion für Autofahrer


Smart Grid als Teil einer Smart City

• Stromnetz wird vernetzt mit der IT-Infrastruktur

• Jeder (Strom-)Verbraucher bekommt Smart Meter

– Wegfall der bisherigen Verbrauchszähler

– Online-Meldungen über Stromverbrauch und –bedarf

– Zeitunkritische Verbraucher zu Niedriglastzeiten anschalten

• Vorteile

– Echtzeitinformationen über Stromverbrauch, -bedarf und –angebot

– Planungsmöglichkeit auf kommunaler Ebene

– Erleichterung dezentraler Energieerzeugung


DEZENT


Quelle:

Lehnhoff et al.: Dezentrales

autonomes Energiemanagement. 2011

BGM: Balancing Group Manager

35

Ohne Smart Meter kein Smart Grid


Quelle: G. Hirn. Das Stromnetz

wird interaktiv. 2011

36

Ubiquitiuos Sensor Network (USN)

• Sensoren stellen

alle Informationen

ins Netz

• Speicherung aller

wichtigen

Informationen

• Einheitliches

Informations-

Modell

• Einheitliches

Kommunikations-

Protokoll


Quelle: J.B. Vercher et al. An Experimental Platform for largescale

research facing FI-IoT scenarios. 2011

37

Beispiel: Ubiquitous Oulu Smart City

• UrBan Interactions (UBI), Universität Oulu,

– Middleware layer auf dem panOULU wireless network

– Offen für Ubiquitous-Computing-Forscher

– Ziel: Verbessern der Kommunikation mit Verwaltung

• UBI-Hotspots (Öffentliche interaktive Anzeigen) mit

– Kameras

– NFC/RFID-Reader

– panOULO Wireless Access Point

– Breitbandiger Internet-Anschluss

– Zwei Betriebsmodi

• Broadcast

• Interaktiv


Quelle: F. Gil-Castineira et al. Experiences inside the Ubiquitous Oulu Smart City. 2011

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panOulu Wireless Network

• WLAN: 1270 APs

• Bluetooth: 30 APs (z.B. in Ampeln)

• Wireless Sensor Network

– IP-basiert

– 13 Edge-Router mit Bluetooth

– Wird z.B., für Messung des Stromverbrauchs in Haushalten genutzt


Projekt: RunWithUs

• Ziel: Bürger zum Joggen

animieren

• Funktionen

– Routenwahl nach Länge,

Schwierigkeitsgrad, andere

Läufer, Wetter und Pollenflug

– Vergleichen der Performance

von verschiedenen Läufern auf

der selben Route, oder

“Wettrennen” mit eigenen

vorherigen Läufen

– Ranglisten: Größte Gruppe,

Regelmäßgste Gruppe, ...


Quelle: F. Gil-Castineira et al. a.a.O. 2011

40

RunWithUs – Software-Architektur



41

RunWithUs im Betrieb



42

Herausforderungen von Smart Cities

• Sensorinformationen über Stadt und Bewohner einsammeln

– Kosten vs. Datenqualität

– Kosten vs. Doppelnutzung

– Datenschutz

– Sicherheit (Security)

• Management von Informationen über alle städtischen Systeme

– Informationsmodelle

– Datenschutz, Security, Zugangskontrolle

– Standards und Interoperabilität

• Beobachten und Verstehen städtischer Aktivität

– System-Modelle

– Analysen

• Beeinflussen der Ergebnisse

– Optimal System Control

– Human-city interaction


Stand der Dinge: Pilotprojekte

• Amsterdam Smart City (seit 2009)– Bis 2025 die CO2-Emissionen um 40% senken (zu 1990)

– The Climate Street – nachhaltige Shoppingmeile

• Individuelle Energiespartipps für beteiligte Unternehmen

• Energieoptimierte Tram-Haltestellen

• Optimiertes Abfall- und Wassermanagement (z.B. Straßenreinigung)

• Optimierung logistischer Prozesse durch Bündelung

– Zuidas Solar: PV-Anlagen in Geschäften in Zuidas in großem Stil

– Web-Portal: Energieverbrauchs öffentlicher Gebäude

– Smart-Meter als Standard in verschiedenen Stadtteilen

– Moet-je-watt: Batteriesystem für Elektroautos; Test der Kombination mit verschiedenen Smart-Meter-Systemen

– Ship-to-grid: Anbindung von Schiffen im Hafen an regenerative Energieversorgung

– ZonSpot: Outdoor-Arbeitsplätze mit WiFi


Stand der Dinge: Pilotprojekte

• Helsinki (seit 2006): Projekte statt integriertem Konzept• Ubiquitous Helsinki: ähnlich Ubiquitious Oulu

• Helsinki Virtual Village: Vernetzung aller Wohnungen und Gebäude

• Verkehrsrelavante Informationen auf Handys und Displays

• Smart Energy Kalasatama: SmartGrid im Hafenviertel

• Luxemburg:

– Luxemburg goes smart: Flächendeckendes WiFi-Netz


Bewertung

• CPS: ja oder nein?

• Diskussion


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