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[ Interoperabilität ]

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www.iosb.fraunhofer.de

ISSN 1616-8240

vis IT

essay Interoperabilitätessay Interoperabilitätessay Interoperabilität

Standardisierung im Standardisierung im Standardisierung im Sicherheitsumfeld Sicherheitsumfeld Sicherheitsumfeld

Semantik / Ontologien Semantik / Ontologien Semantik / Ontologien

Interoperabilität Interoperabilität Interoperabilität in Industrie 4.0 in Industrie 4.0 in Industrie 4.0

elektromobilität4000elektromobilität4000elektromobilität4000

geodaten nach Ogc-Standards geodaten nach Ogc-Standards geodaten nach Ogc-Standards

INHALT

vis ITInteroperabilität

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Essay

InteroperabilitätRainer Schönbein

Themen

Anwendungsbezogene Standardisierung im SicherheitsumfeldIgor Tchouchenkov, Barbara Essendorfer

Ontologien für das Wissens- und Informationsmanagement Andrea Zielinski

Interoperabilität in der AutomationHolger Flatt, Carolin Schönknecht

Standardisierung in der ElektromobilitätMichael Agsten, Oliver Warweg

Automatisierte, rollenbasierte Geodaten-visualisierung unter Nutzung von OGC-DienstenRalf Eck, Boris Wagner

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HerausgeberProf. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer

RedaktionSibylle Wirth

Layout und graphische BearbeitungChristine Spalek

DruckE&B engelhardt und bauerKarlsruhe

Anschrift der Redaktion

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Fraunhoferstr. 176131 KarlsruheTelefon +49 721 6091-300Fax +49 721 [email protected]

© Fraunhofer IOSB Karlsruhe 2013

ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaftzur Förderung der angewandten Forschung e. V. München

14. JahrgangISSN 1616-8240

Bildquellen

Personen Fotos:indigo Werbefotografi eManfred ZentschTitel: MEV

Alle andere Abbildungen:© Fraunhofer IOSB

Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vollständiger Quellenangabe und nach Rücksprache mit der Redaktion.

Belegexemplare werden erbeten.

Impressum

vis IT3 Interoperabilität

Liebe Freunde des IOSB,

Interoperabilität kommt aus dem Lateinischen von den Worten »opera – Arbeit« und inter – zwischen. Damit wird die Fähigkeit von Systemen oder Komponenten beschrieben, in einem Gesamtsystem oder einer Gesamtorganisation zusammen-zuarbeiten, basierend auf allgemeinen Standards. Interoperabilität ist notwendig für Telekommunikations- und IT-Systeme und spielt auch in der Wirtschaft im Bereich der Automatisierung eine Schlüsselrolle. Einen wichtigen Stellenwert hat die Interoperabilität besonders für ziviles Krisenmanagement sowie für militärische Systeme und Missionen.

In diesem visIT beleuchten wir in Beiträgen aus diesen unterschiedlichen Bereichen, wie eine ausreichende Interoperabilität erreicht werden kann und erläutern dabei die wichtigsten Voraussetzungen.

Im Essay von Dr. Rainer Schönbein erhalten Sie eine Einführung in das Thema und einen generellen Überblick über Grundlagen, Bedeutung und Nutzen von Interoperabilität.

Wie wichtig Interoperabilität im Sicherheitsumfeld – sowohl bei zivilen als auch militärischen Krisen – ist, veranschaulicht der Beitrag von Barbara Essendorfer und Dr. Igor Tchouchenkov. Neben der Zusammenarbeit der technischen Einzel-systeme ist auch der Austausch von Informationen wesentlicher Bestandteil von erfolgreichen Missionen, was aufgrund von Länderhoheiten und der notwendigen Berücksichtigung der Privatheit von Daten nicht immer einfach ist.

Ein Hemmschuh für die Interoperabilität ist die natürliche Sprache, die von Maschi-nen nicht verstanden wird. Es muss ein Weg gefunden werden, natürliche Sprache in eine formale Sprache umzuwandeln. Dr. Andrea Zielinski erklärt in ihrem Beitrag, wie sich z. B. Ontologien als Grundlage für diesen Prozess nutzen lassen.

In der Automatisierung bedeutet Interoperabilität die flexible und wandelbare Zusammenarbeit von Produktionsketten und Anlagenteilen bis hin zur Logistik. Prof. Dr. Jürgen Jasperneite und Carolin Schönknecht erörtern, wie sich Anlagen-teile per Plug&Produce je nach Produktanforderung in das Gesamtsystem ein-klinken lassen. In unserem Anwendungszentrum in Lemgo entstand hierzu z. B. der PROFINET-Chip TPS-1.

Ein ganz anderes Beispiel für Interoperabilität wird im Beitrag Elektromobilität von Dr. Michael Agsten beschrieben. Ladeverfahren, Batteriespeicher und Netzverfüg-barkeit zur Energiesystemstabilisierung müssen standardisiert und für den inter-nationalen Markt verfügbar gemacht werden.

Grundlage für ein effizientes organisationsübergreifendes Krisenmanagement sind Geodaten nach OGC-Standard, die möglichst anwenderspezifisch zur Verfügung gestellt werden können. Über automatisierte Verfahren, die diese Aufgabe erfüllen, berichten Ralf Eck und Boris Wagner.

Karlsruhe, im September 2013

Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer


Editorial


Essay

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vis ITInteroperabilität

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Dr.-Ing. Rainer Schönbein

Interoperabilität und Assistenzsysteme (IAS)Fraunhofer IOSB Karlsruhe

Telefon +49 721 [email protected]

www.iosb.fraunhofer.de/IAS

Abb. 1: Stufen der Interoperabilität. © Fraunhofer IOSB

INTEROPERABILITÄT

Dienste angeboten und genutzt?«) und der inhaltlichen Ebene (»Was ist die Bedeutung der ausgetauschten Informationen oder Dienste?«). Abb. 1 verdeutlicht die Ebenen und den Grad ihrer Ausprägung.

Von der isolierten Drehstuhlschnitt-stelle (Stufe 0), bei der die Interope-rabilität nur durch »externe« Dienste hergestellt werden kann, über den einfachen Signal- und Datenaustausch (Stufe 1), die gegenseitige Nutzung von Diensten (Stufe 2), die Abstimmung von Geschäftsprozessen basierend auf Diensten unterschiedlicher Systeme, bis hin zur Nutzung unternehmens-weiter Informationsaustauschmodelle mittels verteilter Dienste reicht die Kommunikationsebene.

Die »inhaltliche Ebene« unterscheidet die Signal- und Zeichenebene (Tech-nische Ebene), die Verwendung einer

DEFINITION

Der Begriff Interoperabilität leitet sich aus dem Lateinischen »inter - zwischen« und »opera - Arbeit« ab. Interoperabi-lität bezeichnet die Fähigkeit von Sys-temen, Einheiten oder Organisationen Dienste zur Verfügung zu stellen und Dienste anderer Systeme, Einheiten oder Organisationen zu nutzen. Durch das effiziente Zusammenspiel dieser Dienste wird die Effektivität der Zusammenar-beit gesteigert (vgl. Hura et al. 2000). Der Austausch von Daten und Informa-tionen ist in diesem Zusammenhang ebenso wie die Zusammenarbeit von Organisationen unter den Dienstlei-stungen subsummiert.

Damit bildet die Interoperabilität ein Maß für den Grad der Zusammenarbeit. Dazu muss unterschieden werden zwischen der Kommunikationsebene (»Wie erfolgt die Zusammenarbeit der Systeme, Einheiten oder Organisa-tionen?«, »In welcher Form werden

vis IT 5 Interoperabilität

Abb. 2: Aufbau einer Ontologie – »Schichten & Sichten«.

INTEROPERABILITÄT

abgestimmten Syntax (Syntaktische Ebene), die Nutzung einer explizit beschriebenen Bedeutungsebene (Semantische Ebene) und die pragma-tische Ebene der Interoperabilität, die über das »Verstehen« einer Informa-tion oder Dienstleistung hinaus auch eine einheitliche Beurteilung der Infor-mation oder Dienstleistung ermöglicht.

BEDEUTUNG

Der Interoperabilität fällt in einer zunehmend vernetzten Gesellschaft eine Schlüsselrolle zu. Um Monopol-stellungen einzelner Dienstleister zu vermeiden, sind offene interoperable Schnittstellenbeschreibungen und allgemein verfügbare Basisdienste erforderlich. Zur Erhöhung der Inter-operabilität ist die Definition und Ver- wendung von Standards notwendig.

Dies betrifft alle Ebenen von den »Formaten« bis zur Vereinheitlichung von Dienstbeschreibungen. Sind die Standards nicht eindeutig definiert, entsteht Interpretationsspielraum, der durch explizit beschriebene Fest-legungen geschlossen werden muss. Darauf aufbauend können Anpassungs-, Transformations- oder Mediatordienste eingesetzt werden. Die semantische Interoperabilität kann nur durch explizite Festlegung der Bedeutungen erreicht werden, dazu eignen sich Ontologien (Abb. 2 stellt ein Beispiel aus der bild-gestützten Aufklärung dar). Aufbau und Pflege von Ontologien insbesondere unter dem Aspekt der Wiederverwen-dung sind Gegenstand aktueller For-schungsarbeiten. Das Zusammenführen (»Mapping«) unterschiedlicher Ontolo-gien ist dabei ein wichtiges Teilthema, da vorliegende Ontologien bisher nur

Ausgabeschnittstellen der Dienste auch deren Wirkung zu betrachten.

NUTZEN

Durch verbesserte Interoperabilität lassen sich erhebliche Einspareffekte erreichen, dies gilt in der Produktion ebenso wie in der Verwaltung, im lokalen Betrieb wie in der weltweit vernetzten Organisation. Den Nutzen haben Verbraucher und auch Dienst-anbieter. Die gemeinsame Nutzung von Diensten vermeidet Duplizierungen, erhöht durch häufigere Nutzung und diedadurch notwendige Anpassung sowohl der Dienste als auch der Beschreibungen die Qualität der Dienste (»Quality of Services«). Die Dienstanbieter können sich auf ihre jeweiligen Kerngeschäfte konzentrieren. Durch Einbeziehung der semantischen Ebene werden Dienstangebote ver-gleichbar und die Auswahl eines geeigneten Dienstes wird erleichtert. Den Fortschritt hemmende Monopol-stellungen werden abgebaut. Intero-perabilität sollte schon beim System-entwurf berücksichtigt werden, dies führt zu offenen interoperablen System- architekturen. Nachträgliche Adaption, Transformation oder Mediation ist in der Regel ineffizient aber weit ver-breitete Praxis.

Das IOSB forscht auf den Gebieten der Interoperabilität in verschiedenen Anwendungsgebieten die in den nach-folgenden Beiträgen beschrieben werden.

LiteraturHura et a. 2000: M. Hura et al., Interoperability, publ. 2000 by RAND, Santa Monica, CA,ISBN 0-8330-2912-6

kleine »lokale« Sichten beschreiben und geeig-nete »Basis-Ontologien« nur für wenige Bereiche zur Verfügung stehen. Die pragmatische Inter-operabilität ist aktuell mehr Vision als Realität, da hier gesellschaftliche Rahmenbedingungen berücksichtigt werden müssen, die keine Verein-heitlichung ermöglichen. Zum Vergleich und damit zur Beurteilung von Dienstleistungen ist es allerdings notwendig, sich bei der Anfrage nach möglichen Diensten auch mit der Frage der Prag-matik zu beschäftigen um neben den Ein-/

Themen

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vis IT Interoperabilität

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M. A. Barbara Essendorfer




Abb. 1: AMFIS Bodenstation als Integrationsplattform.

ANWENDUNGSBEZOGENE STAND ARDISIERUNG IM SICHERHEITSUMFELD

share«, im zivilen Bereich verhindern die starke Aufgliederung der Verantwortlich- keiten (Länderhoheit) und die Mittel-knappheit die Entwicklung von gemein-samen Prozeduren und Standards. Die Zusammenarbeit wird durch mangelnde Interoperabilität der Prozesse und auch der Ausrüstung behindert.

Das Fraunhofer IOSB arbeitet in die-sem Umfeld mit verschiedenen Ansatz-punkten an der Umsetzung von Inter-operabilität durch die Nutzung und Weiterentwicklung von Standards.Auf der Ebene der technischen Inter-operabilität befasst sich das System AMFIS (Aufklärung mit mobilen und ortsfesten Sensoren im Verbund, Abb. 1) mit der Möglichkeit, hetero-gene Sensor(plattform)en generisch an eine Bodenstation anzuschließen und über einheitliche Interfaces zu steuern.

AMFIS unterstützt mehrere standardi-sierte Schnittstellen und ist in der Lage, Daten von unterschiedlichen Informati-

Je komplexer und dynamischer die aktuelle Lage ist, desto wichtiger ist die Zusammenarbeit unterschiedlicher Einheiten. Insbesondere bei zivilen Katastrophen- und militärischen Sicher-heitseinsätzen ist dies oft besonders schwierig. Katastrophen beachten keine Landesgrenzen und sind schwer zu überblicken und zu beherrschen. Dies wurde beispielsweise bei der länderübergreifenden Flutkatastrophe an Donau und Elbe im Mai 2013, in welcher verschiedene Organisationen (Technisches Hilfswerk, Polizei, Feuer-wehr, Bundeswehr etc.) zum Einsatz kamen, deutlich.

Interoperabilität ist in diesem Anwen-dungsgebiet unabdinglich aber auch besonders problematisch.Da kritische und teilweise klassifizierte Informationen verwendet werden, ist der Austausch stark eingeschränkt. Im militärischen Bereich verabschiedet man sich nur langsam von der Doktrin des »Need to know« hin zum »Need to

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T Dr.-Ing. Igor Tchouchenkov





ANWENDUNGSBEZOGENE STAND ARDISIERUNG IM SICHERHEITSUMFELD

onsquellen zu verarbeiten und karten-basiert einheitlich darzustellen. Intuitive Bedienung und leichte Anbindung an bestehende Überwachungssysteme und Einsatzleitzentralen fördert die Interope-rabilität auf den unteren Ebenen – ggf. als Bindeglied zwischen Lagezentrum und der Datenbeschaffung vor Ort.

Die so gewonnenen, aber auch andere relevante Daten werden fusioniert und gefiltert, um allen berechtigten Bedarfs- trägern in geeigneter Form zur Verfü-gung gestellt zu werden. Hier ist ins-besondere das Konzept der Coalition Shared Data (CSD) von Belang (Abb. 2). Die effiziente Verwendung und Ver-besserung militärischer Standards zum Daten- und Informationsaustausch sowie die Synchronisation ausgewählter gespeicherter Daten in multinationalen Verbünden ist hier Thema.

STANDARDS

Um in der militärischen Aufklärung und Überwachung ein einheitliches Lagebewusstsein (Situation Awareness) in gemeinsamen Einsätzen entwickeln zu können, ist es notwendig, Daten und Informationen zeitgerecht austau-schen und interpretieren zu können. Hierfür muss zunächst technische Inter- operabilität erreicht werden, um die »eigentlichen« Daten und Informatio-nen (Videos, Bilder, Meldungen, etc.) verteilen und anzeigen zu können. Die zugehörigen Metainformationen (wo und wann wurde beispielsweise ein Bild aufgenommen, in welcher Auflösung wird es angezeigt, wie ist es eingestuft) sind dabei essentieller Bestandteil.

Die Möglichkeit, die Informationen im Kontext richtig einzuordnen und zu interpretieren entsteht aus einem gemeinsamen Verständnis der verwen-deten Begriffe (was bedeutet es zum Beispiel, wenn die Bildqualität auf einer Skala von 1-10 mit 9 bewertet ist).STANAGs (Standardization Agree-ments) treffen hier die notwendigen Festlegungen. Die Standards haben Abhängigkeiten zueinander. Werden Videos (STANAG 4609) in Einzelbilder (STANAG 4545) überführt, so müssen die Metadaten automatisch und vollständig über-nommen werden können. In Berichten (STANAG 3377/3596), sollten ebenfalls die relevanten Metadaten übernommen werden und das Objekt sollte, unab-hängig vom Auswerter, einheitlich beschrieben werden können.

In militärischen Doktrinen werden rollenabhängige Arbeitsabläufe fest-gelegt. So sollen der Rahmen für ein gemeinsames Verständnis und die Grundlagen für pragmatische Inter-operabilität gelegt werden.

Die Abteilung IAS entwickelt und er-probt Dienste (CSD Server und Clients1, i2exrep2, NSIF3 Creator) welche die genannten Standards implementieren. Diese sind laufend der Überarbeitung unterworfen. Beschreibungen lassen immer auch einen Interpretationsspiel-raum zu und werden je nach Hinter-grundwissen und Perspektive unter-schiedlich beurteilt. Erprobungen, Übungen und auch reale Einsätze bringen diese Probleme ans Licht und ermöglichen die Behebung der Beschreibungsunschärfen sowie den Einbezug neuer Aspekte.

1 IOSB CSD Server PLUS, ISAAC (ISR Artifact Access Client).web PLUS2 Interactive ISR Exploitation Report3 NATO Secondary Imagery Format

Abb. 2: Nutzung von STANAGs zur Informationsvertei-lung im multinatio-nalen Verbund.

Literatur: [1] Ç. Soyer; F. Segor; B. Essendorfer; W. Müller: Integrating Persistent Surveillance Systems into ISR Architecture. Future Security 2012: 37-48[2] STANAG 4609 JAIS (Edition 3) – NATO Digital Motion Imagery Standard. Edition 3 (2009)[3] STANAG 4545 (Edition 1 - Amendment 1) - NATO Secondary Image Format (NSIF). 1998[4] NATO STANAG 3377 (Edition 6) - Air Recon-naissance Intelligence Report Form. 2002[5] NATO. STANAG 3596 JINT (EDITION 6) - Air Reconnaissance Requesting and Target Reporting Guide. 2007

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Dr. Andrea Zielinski




ONTOLOGIEN FÜR DAS WISSENS- UND INFORMATIONSMANAGEMENT

durch die Beweglichkeit, mit der sie sich den unterschiedlichen Umstän-den anzupassen weiß, dem Mikroskop gegenüber überlegen, als optischer Apparat in Bezug auf Präzision aller-dings ungenügend.

SEMANTISCHE INTEROPERABILITÄT

Eine Sprache besteht aus Symbolen, die nach bestimmten Regeln ange-ordnet sind (Syntax). Mithilfe einer Interpretationsfunktion wird den Sym-bolen eine Bedeutung (Semantik) in der realen Welt zugeordnet. Das semi-otische Dreieck in Abbildung 1 zeigt, dass ein Symbol (Wort) nur über einen Gedanken (Konzept) direkt mit dem Referenten (Objekt) in Beziehung gesetzt werden kann.

Um einen fehlerfreien Daten- und Infor-mationsaustausch zwischen Maschinen zu gewährleisten, müssen diese also auf einer formalen Beschreibung basieren, sodass sichergestellt werden kann, dass die verwendeten Begriffe auch die gleiche Bedeutung haben. Dies wird als seman-tische Interoperabilität bezeichnet.

MODELLIERUNG VON WISSEN: SIND FORMALE ODER NATÜRLICHE SPRACHEN BESSER GEEIGNET?

Weltweit liegt eine große Menge von Wissen in natürlicher Sprache vor. Damit solche für Menschen aufberei-tete Information auch von Maschinen interpretiert werden kann, bedarf es jedoch einer formalen semantischen Beschreibung in einer maschinen- lesbaren Sprache.

Hierzu sind natürliche Sprachen wenig geeignet. Sie sind zwar ein hervorra-gendes Medium zur Kommunikation, jedoch vage, mehrdeutig und kontext-abhängig. Im Gegensatz zu formalen Sprachen sind die zulässigen sprach-lichen Ausdrücke und ihre Bedeutung nicht exakt definiert.

Gottlob Frege (1879) illustrierte dies wie folgt: Während die natürliche Sprache dem Sehen mit dem mensch-lichen Auge entspreche, sei die künst-liche sog. ideale Sprache das Mikro-skop. Die natürliche Sprache sei durch den Umfang ihrer Anwendbarkeit,

Abb. 1: Wissensdreieck (Odgen und Richards, 1923).

ONTOLOGIEN

Hierzu stellen Ontologien, d.h. explizite formale Spezifikationen einer gemeinsam genutzten Kon- zeptualisierung (Gruber, 1993), eine geeignete Grundlage dar. Der Grad der Detailliertheit

vis IT9 Interoperabilität

ONTOLOGIEN FÜR DAS WISSENS- UND INFORMATIONSMANAGEMENT

und formalen Ausdrucksstärke der Ontologie variiert dabei je nach Anwendungsgebiet (Guarino, 1997). Formale Sprachen zur Beschreibung von Ontologien sind unter anderem die Web Ontology Language (OWL), eine Empfehlung des W3C, welche die so genannte Beschreibungslogik (Description Logics) unterstützt und äquivalent zu einer entscheidbaren Untermenge der Prädikatenlogik erster

Stufe ist (Abb. 2). Ontologien erlauben auch eine Form von Reasoning (auto-matisches Schlussfolgern) unter Anwen-dung von Prinzipien der formalen Logik.

SEMANTISCHE SUCHE

Ein wichtiges Anwendungsgebiet von Ontologien ist das Informationsma-nagement. Die nächste Generation von Suchmaschinen basiert zunehmend auf

Abb. 2: Stufen der formalen Ausdruckstärke. © Fraunhofer IOSB

Literatur: [1] Frege, Gottlob. »Begriffsschrift, eine der arithmetischen nachgebildete Formelsprache des reinen Denkens (Halle 1879).«[2] Guarino, Nicola. »Understanding, building and using ontologies.« International Journal of Human-Computer Studies 46.2 (1997): 293-310.[3] Gruber, Thomas R. »A translation approach to portable ontology specifications.« Knowledge acquisition 5.2 (1993): 199-220.Abb. 3: Text Mining zum Aufbau von Ontologien.

ontologischen Wissensstrukturen. Die Repräsentation der textuellen Inhalte einer Wissensdomäne geschieht dem-entsprechend auf einer höheren Bedeu-tungsebene, sodass der Informations-suchende über die stichwortbasierte Suche hinaus wesentlich präziser nach relevanten Konzepten, Eigenschaften und Relationen suchen kann. Dies hat auch einen positiven Einfluss auf die Mensch-Maschine-Schnittstelle. Eine Präsentation mittels Facetten, in denen sich die zugrunde liegende Ontologie widerspiegelt, eröffnet dem Benutzer die Möglichkeit des explorativen Navi-gierens durch die Suchergebnisse.

AUFBAU VON ONTOLOGIEN MIT TEXT MINING VERFAHREN

Oftmals liegt das domänenspezifische Fachwissen bereits in Form von wissen-schaftlichen Publikationen, Patenten, webbasierten Inhalten, etc. vor. Mithilfe von Text Mining Verfahren kann in diesem Fall der Aufbau der Ontologie, der i. a. sehr zeitaufwändig ist, maschi-nell unterstützt werden. Dies gilt auch für die Wissensbasis, die aus den jewei-ligen Instanzen der Konzepte und Rela-tionen besteht. Abbildung 3 zeigt die Extraktion von semantischen Strukturen aus unstrukturierten Texten als Pipeline bestehend aus mehreren Text Mining Modulen. Für eine weitere Modellierung durch Ontologie- und Domänenexper-ten kommen in der Regel Werkzeuge wie der Ontologie-Editor Protégé oder Text2Onto zum Einsatz.

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INTEROPERABILITÄT IN DER AUTOMATION

INFORMATIONS- UND KOMMUNIKATIONSTECHNIK

In immer komplexer werdenden Auto-matisierungssystemen ist der Datenaus-tausch zwischen einzelnen Maschinen in einer Anlage Grundlage für einen automatisierten technischen Prozess. Um eine einheitliche Kommunikations-lösung schaffen zu können, sind inter-operable Lösungen unumgänglich. Mit PROFINET ist ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll gegeben, mit dem die Anforderungen an den Datenaustausch in komplexen Anlagen

Deutsche Produktionsunternehmen stehen vermehrt einem sich kontinu-ierlich verschärfenden Wettbewerb gegenüber. Dabei nimmt die globale Konkurrenz an Standorten, die teilweise zu völlig anderen Faktoren produzieren können, stetig zu. Ein Weg diesem Wett- bewerb zu begegnen sind Innovationen in Produkten sowie in der Produktions-technik. Sie sind der wichtigste Erfolgs-faktor für die Produktion in Deutschland.

Innovative Produktionstechnik zeichnet sich u.a. durch die Merkmale:

•Wandlungsfähigkeit•IntelligenteVernetzung•Benutzerfreundlichkeit

aus, die sich nicht ohne Interoperabilität bilden lassen1. Fragen der Interopera-bilität lassen sich in allen Ebenen der Geschäftsprozesse von Produktions-unternehmen finden und gewinnen im gesamten Umfeld der Automatisierungs-technik kontinuierlich an Bedeutung.

B.A. Carolin SchönknechtPresse und Öffentlichkeitsarbeit

Anwendungszentrum Industrial Automation (INA)Fraunhofer IOSB Lemgo


www.iosb-ina.fraunhofer.de

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T Dr.-Ing. Holger Flatt

Anwendungszentrum Industrial Automation (INA)Fraunhofer IOSB Lemgo


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bedient werden können. Des Weiteren sind einfache, eingebettete Systeme, die in Echtzeit kommunizieren gefor-dert. Ein solches System realisiert bei-spielsweise der PROFINET-Chip TPS-1, dessen Single-Chip-Konzept die Mög-lichkeit bietet auch kompakte Sensor-schaltungen einfach mit einer PRO-FINET-Schnittstelle auszustatten. Auf einer Baugröße von 15x15 mm verfügt er über zwei Ethernet-Ports mit integ-rierten Ethernet-PHYs, Mikrokontroller und RAM-Speicher2. Damit bietet der TPS-1 kostengünstig und platzsparend alle Eigenschaften, die bisher auf einer handflächengroßen Implementierung zu finden waren und ist in Automatisie-rungskomponenten sämtlicher Hersteller integrierbar.

INTEROPERABEL UND REDUNDANT

Für einen zuverlässigen Datenaustausch zwischen einzelnen Maschinen in einer Anlage muss sichergestellt werden, dass diese Daten jederzeit zur Verfügung stehen und ein kontinuierlicher Aus-tausch gewährleistet ist. Hierzu werden Ethernet-basierte, stoßfreie Redundanz- verfahren eingesetzt. Basierend auf den standardisierten Protokollen PRP und HSR wurde beispielsweise eine FPGA-basierte RedBox entwickelt, welche es ermöglicht mehrere bestehende Ethernet-Endgeräte in PRP- und HSR-Netzwerken zu betrei-ben3. Neben den Redundanzprotokollen wird auch der Zeitsynchronisations-standard IEEE 1588v2 unterstützt. Mit Hilfe dieser Lösung ist ein zuverlässiger Datenaustausch in einer Anlage garan-tiert. So kann die Kommunikation zwi-schen einzelnen Maschinenmodulen erhalten werden, selbst wenn ein Kabel im Netzwerk ausfällt.

PLUG-AND PRODUCE

Zudem spielt auch in Forschungs-projekten, die sich mit der Fabrik der Zukunft beschäftigen, Interoperabilität eine immer größere Rolle. Einzelne Maschinenmodule müssen in der »Smart Factory« einfach austauschbar sein. Bisher muss beim Einsatz eines neuen Maschinenmoduls oder dem Austausch einzelner Maschinen die gesamte Anlage manuell neu konfigu-riert werden. Im Querschnittsprojekt »Intelligente Vernetzung« des Spitzen-clusters »Intelligente Technische Sys-teme OstWestfalenLippe«, kurz »it´s OWL« wird eine Lösung entwickelt, die eine einfache Vernetzung ganzer Maschinenmodule in einer Anlage möglich macht. Ziel ist ein Plug-and-

Literatur: [1] D. John; J. Jasperneite: Interoperabilität aif Feldebene. In: at - Automatisierungstechnik Oldenbourg Verlag, Band 59, Juli 2011.[2] R. Heß; A. Steinmetz; S. Schriegel; M. Schumacher: Einfache Vernetzung dezentraler Sensorik. In: Industrial Ethernet Journal, 3/2012[3] H. Flatt; J. Jasperneite; D. Dennstedt; T. D. Hung; T. Dinh: Mapping of PRP/HSR Redundancy Protocols onto a Configurable FPGA/CPU Based Architecture. In: IEEE International Conference on Embedded Computer Systems: Architectures, Modeling and Simulation (SAMOS XIII), 2013

Produce Prinzip, wie es beispielsweise von den USB-Schnittstellen für PC-Komponenten bekannt ist. Interopera-bilität wird im Zeitalter von Industrie 4.0 und der Vision einer »Smart Factory« an Bedeutung gewinnen und ist ein entscheidender Bestandteil der Entwick-lungen am Fraunhofer-Anwendungs-zentrum Industrial Automation.

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Abb. 1: Ansatz sMobility.

STANDARDISIERUNGEN IN DER ELEKTROMOBILITÄT

dienstleistungen. Auf der anderen Seite konkurrieren technische Anforderungen von Seiten der Energiewirtschaft mit kostenoptimalen Lösungen für Lade-verfahren, Steuerung, Monitoring und Kommunikation. Limitierte Reichweiten und zeitaufwendiges Laden erfordern neuartige Konzepte der Kommunika-tion und des Informationsaustausches um anhand verbleibender Restreich-weiten, aktuellem Verkehrsaufkommen und verfügbarer Ladestationen optimale Routen in Echtzeit ermitteln. Die Abtei-lung Energie des Fraunhofer IOSB-AST ist involviert in Industrie- und For-schungsprojekten und beantwortet Fragestellungen zur Ladefähigkeit von EV und leistet einen Beitrag zu Steue-rungskonzepten und -architekturen für

MOTIVATION

Mit der Zielstellung 1 Million Elektro- fahrzeuge (EV) im Jahr 2020 auf deutschen Straßen und Leitanbieter Deutschlands für elektrische Mobilität hat die Bundesregierung Zielmarken für den Elektromobilitätsmarkt und die internationale Position der deutschen Automobilindustrie gelegt. Das Lade-konzept und die Eignung der Fahrzeug- batterien, zeitlich variabel Energie speichern zu können, sind aus Sicht des Energiesystems und der Automobil- industrie Treiber für Forschung, Ent-wicklung und Ableitung von Standards für Lösungen, die international inter-operabel sind. Im Fokus stehen dabei markt- oder netzorientiertes Laden bzw. Beiträge zur Energiesystemstabili-sierung durch Erbringung von System-

Dr.-Ing. Michael Agsten

Energie NRG Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST)Fraunhofer IOSB Ilmenau


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T Dipl.-Wirtsch.-Inf. Oliver Warweg

Energie NRG Institutsteil Angewandte Systemtechnik (IOSB-AST)Fraunhofer IOSB Ilmenau


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Abb. 2: Ansatz Gesteuertes Laden 3.0.

STANDARDISIERUNGEN IN DER ELEKTROMOBILITÄT

die Integration von EV in zukünftige Smart Grids. Durch aktive Mitarbeit in Gremien zur Standardisierung werden abgeleitete Lösungen vorgeschlagen, die später in den Normungsgremien diskutiert und in die Normung aufge-nommen werden können.

sMobility (IKT-EM II)

Die Beeinflussung der Ladevorgänge von EV mit dem Ziel der Integration von Netz und Markt unter Nutzung verfügbarer Informationen aus ande-ren Systeminfrastrukturen wie Verkehr oder das Fahrzeug selber ist Thema des vom BMWi geförderten Verbund-vorhabens »sMobiliTy«. Dabei zeichnet sich das Fraunhofer IOSB verantwort-lich für die Konzeption und Umsetzung eines intelligenten Last und Ladema-nagements. Mit dem Ziel einer flächen-deckenden schnellen Erreichbarkeit kommt für die Ladesteuerung der EV die Funkrundsteuerung zum Einsatz.

GESTEUERTES LADEN 3.0 (BMU ERNEUERBAR MOBIL)

Im Projekt wird der Einsatz von EV zur Erbringung von Systemdienstlei-stungen erprobt und der Einfluss am Niederspannungsnetz angeschlos-sener einphasig ladender Fahrzeuge ermittelt. Das erarbeitete Gesamt-system beschreibt den Einsatz einer neuen Rolle am Energiemarkt - dem Aggregator, der eine große Population von EV für den Einsatz von System-

dienstleistungen unter Beachtung vorgegebener Netzrestriktionen des Verteilernetzbetreibers und der Kun-denbedürfnisse steuert.

FACHGRUPPE INTEROPERABILITÄT UND STANDARDISIERUNG IM RAHMEN IKT EM II

Die Mitarbeit in der Fachgruppe Inter-operabilität und Standardisierung der DKE im Rahmen der IKT EM II gibt die Möglichkeit, nachhaltige Projekt-lösungen zu erarbeiten und die Ergeb-nisse der vorgestellten Forschungs-projekte in das Normungsgeschehen einfließen zu lassen. Die beteiligten Unternehmen und Institutionen spie-geln die aktuelle Normenlage an den Projekten und identifizieren projekt-spezifische Anwendungsfälle und Lücken, die in den Normen derzeit nicht oder unzulänglich beschrieben werden. Die Fachgruppe hat sich dabei in sechs Arbeitsgruppen aufgeteilt, die die Themen Gap Analyse, Weißbuch, Smart Traffic, Datensicherheit, Fahr-zeugschnittstellen und Kommunikation für Ladesäulen und Backend fokussieren.

Literatur: [1] Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung[2] Die Deutsche Normungs-Roadmap Elektro-mobilität Version 2.0[3] Deutsche Normungsroadmap »E-Energy / Smart Grids 2.0«[4] DKE Technischer Leitfaden Ladeinfrastruktur[5] ISO 15118-1:2013 Road vehicles - Vehicles to grid communication interface - Part 1: General Information and use-case definition[6] ISO 15118-2: CD Road vehicles - Vehicle to grid communication interface - Part 2: Network and application protocol requirements[7] DIN EN 61851-1: Electric vehicle conductive charging system - Part 1: General requirements

FAZIT

Das IOSB-AST ist in einen Schwer-punkt der Energiewende im umsatz-stärksten Industriesektor integriert. Die Kopplung der Individualmobilität an das elektrische Energiesystem hat zu einer Vielzahl von Fragestellungen geführt, die nur durch eine ganzheit-liche Analyse und Erarbeitung von Lösungsvorschlägen realisiert werden kann. Einen Schwerpunkt dabei bildet die Normung, mit der in Deutschland erarbeitete Lösungen international zur Anwendung kommen können.

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AUTOMATISIERTE, ROLLENBASIER TE GEODATEN- VISUALISIERUNG UNTER NUTZUNG VON OGC-DIENSTEN

B. Sc. Geomatiker / Kartograph Boris Wagner

Interaktive Analyse und Diagnose (IAD)Fraunhofer IOSB Karlsruhe


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In einer Krise arbeiten verschiedene Fach- leute zusammen. Abhängig von ihrer Rolle (z. B. Feuerwehrmann, Rettungs-personal) benötigt jede Person eine an ihre Aufgabe angepasste Sicht. Darüber hinaus werden verschiedenste Anzeige-systeme verwendet, vom Handheld-Computer bis hin zum Multi-Display Teamarbeitsplatz. Heutige Führungssys-teme können Daten aus unterschied-lichen Quellen jedoch häufig nicht harmonisch und einheitlich anzeigen. Hauptgrund ist, dass die verwendeten Systeme oft nur bestimmte Datentypen anzeigen können und die nötige Anpassung der Daten in einer ange-messenen Art und Weise nicht erlauben. Eine automatische Anpassung der Sichten an die jeweilige Rolle und das verwendete computergestützte System ist ebenfalls nicht gegeben.

Für ein effizientes Krisenmanagement ist die Verwendung zahlreicher Infor-mationsquellen zumeist obligatorisch. Erforderlich sind aktuelle Informationen aus verschiedenen Datenquellen, wie aktuelle Luftaufnahmen unterschied-licher Sensoren, zusätzliche Informati-onen wie Netzwerkkameras und auch die jüngsten Berichte über die und aus der Region. Basis für die Beurteilung der gegenwärtigen Situation und für ein effizientes Krisenmanagement sind insbesondere aktuelle Karten. Diese Geo- und Meta-Daten können auf einem lokalen System gespeichert werden oder sind über das Internet via »Open Geospatial Consortium« (OGC)-basierter Web Services oder als Open-Source-Daten wie z. B. Open-StreetMap (OSM)-Daten erhältlich.

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T Dipl.-Geophys. Ralf Eck

Interaktive Analyse und Diagnose (IAD)Fraunhofer IOSB Karlsruhe


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Abb. 1: OGC-konforme Architektur der Geodaten.


AUTOMATISIERTE, ROLLENBASIER TE GEODATEN- VISUALISIERUNG UNTER NUTZUNG VON OGC-DIENSTEN

Grundlage für die oben beschriebenen Arbeiten ist eine OGC-basierte Architek-tur mit OGC-basierten Schnittstellen. Diese sind im zivilen Bereich bereits europaweit Standard und teilweise realisiert. Auch im Bereich militärischer GIS folgt man zunehmend diesem Ansatz. Das »Afghanistan Mission Network« der NATO verteilt z. B. seine zentral gehal-tenen Geobasisdaten auf diese Weise. Dabei ist seine Struktur die Basis für die aktuelle Diskussion einer zukünftigen Geodatenstruktur der gesamten NATO. Und auch das AGeoBw ist mittlerweile befähigt, seine Daten über OGC-basierte Schnittstellen anzubieten.

Die Arbeiten erfolgten maßgeblich im Rahmen der Projekte »Experimental- system Bildauswertung (ExBa)«, »Bildauswerteassistenz in verteilten Sensorsystemen« und »Interaktive Visualisierung von Geodaten (IVIG)«.

Um bei der Analyse, Entscheidung und Führung in Krisensituationen zu unter- stützen, wurde am Fraunhofer IOSB ein Geographisches-Information-System (GIS) mit einer adaptiven Mensch-Maschine-Interaktion entwickelt, welches den Anwender je nach verfügbaren Daten und der zu lösenden Aufgabe [1] adä-quat unterstützt. Das System mit OGC-Architektur (Abb. 1) ermöglicht eine automatisierte Fusion und Visualisierung von Geodaten aus verschiedenen zivilen und militärischen Quellen, wobei die Quelldaten nicht verändert werden. Es unterstützt die gängigsten Geodaten-Standards (OGC, NATO-STANAG) sowie ausgewählte proprietäre Schnittstellen [2]. Eine modulare Architektur unterstützt das schnelle Einbinden neuer Informa-tionsquellen, welche damit sofort har-monisch ins Lagebild integriert werden können.

Der GIS-Viewer kann nicht nur auf stationären Systemen wie einem Desktop Arbeitsplatz sondern auch auf mobilen Systemen wie Tablet-PCs sowie Multi-Monitor-Systemen verwen-det werden [3]. So kann ein Benutzer direkt am Einsatzort interaktiv mit der gemeinsamen Datenbank arbeiten. Das System wurde bereits mehreren zivilen Sicherheitsbehörden mit guter Resonanz vorgestellt.

Um eine harmonisierte rollen- und hardwarespezifische Visualisierung zu erzielen und dabei auch die rechtlichen Auflagen zu erfüllen, werden zur Informationsaufbereitung generische »Styled-Layer-Descriptors« (SLDs) ver-wendet. SLDs sind ein OGC-Standard. Durch sie lässt sich definieren, welche Daten wann und wie anzuzeigen sind.

SLDs ermöglichen es, bei der Visualisie-rung der Geodaten sowohl die Display- Auflösung als auch die Rolle und Auf-gabe des Benutzers zu berücksichtigen. Die implementierte GIS-Architektur ermöglicht dabei für jeden Benutzer eine hohe Aktualisierungsrate der Daten. Die Client-Server-Architektur erlaubt es zudem, hardwarelastige Berechnungen auf den Servern ausführen zu lassen und unterstützt so auch den effizienten Einsatz von mobilen leistungsschwachen Endgeräten.

Mit SLDs ist es möglich und erheblich einfacher, die Darstellung der Geodaten zu aktualisieren, ohne die Quelldaten selbst zu manipulieren. Die Berechnung erfolgt dabei »on-the-fly«. Dadurch können z. B. externe Rohdaten auf dem eigenen Server mittels eigener SLDs visualisiert und dabei verschiedene Sichten definiert werden. Abbildung 2 zeigt hier beispielhaft einen Datensatz, der mittels unterschiedlicher SLDs in zwei verschiedenen Visualisierungs-formen aufbereitet wird. Durch den Einsatz von SLDs werden innerhalb der Datenbanken dabei keine Daten ver-mengt, verändert oder gespeichert. Dies ist ein deutlicher Vorteil in Bezug auf Lizenzvorschriften, wie sie beispiels-weise beim OSM-Projekt gegeben sind, bei dem Daten, welche geändert oder mit anderen verschmolzen wurden, dem OSM-Projekt wieder zugänglich gemacht werden müssen.

Abb. 2: Externe Rohdaten mittels eigener SLDs neu gestaltet.

Literatur: [1] Wagner, B.; Peinsipp-Byma, E.: »Coherent Visualization of Spatial Data, Adapted to Roles, Tasks and Hardware« Defense, Security, and Sensing: SPIE (2012).[2] Wagner, B.; Peinsipp-Byma, E.: »Fused generic geospatial- and meta-information for situation- and crisis-management using OGC- and STANAG- services« International Society for Photogram-metry and Remote Sensing -ISPRS-: Gi4DM 2011, 7th International Symposium on Geoinformation for Disaster Management (2011).[3] Peinsipp-Byma, E.; Geisler, J.; Bader, T.: »Digital Map & Situation Surface: A Team- oriented Multi-Display, Workspace for Network Enabled Situation Analysis«, SPIE Defense and Security: Display Technologies and Applications for Defense, Security, and Avionics III (2009).

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