Urban Infrastructures: Criticality, Vulnerability and Protection. Report of the International Conference of the Research Training Group KRITIS at Technische Universität Darmstadt, Germany

From the 7th to the 8th of February 2019, more than 70 scientists from different disciplines and countries came together for the international Conference “Urban Infrastructure: Criticality, Vulnerability and Protection” which was organised by the Research Training Group KRITIS at Technische Universität Darmstadt. The focus of the conference was on networked critical infrastructures (CI) in cities as socio-technical systems that require special protection strategies due to their vulnerabilities. Five multidisciplinary panels on Governance, Spatiality, Temporality, Safety and Security, and ICT Solutions elucidated urban CI protection. The keynote lectures by Per Högselius (KTH Royal Institute of Technology, Stockholm), Jon Coaffee (University of Warwick; New York University) and Christoph Lamers (State Fire Service Institute North Rhine Westfalia) highlighted and deepened the aspects relevant to this context. Despite all the diversity of the contributions from many different disciplines, one aspect has always been prominent: the enormous complexity of urban CI. Regardless of the task at hand - governing and planning cities, creating security concepts and making cities more resilient - the complexity of the CI systems must always be considered. On the conference, civil engineers, computer scientists, urban and spatial planners, architects, sociologists, political scientists, historians and philosophers as well as practitioners from public administration, and operators of critical infrastructures made interesting suggestions on how to deal with the uncertainties involved. It also became clear that current challenges require approaches that cannot be found in a single discipline alone

Entwicklung und Vergleich von hybriden Verfahren zur Ortsbestimmung innerhalb von Gebäuden

Der Nutzung von Standortinformationen, sowohl zur Verbesserung des Benutzererlebnisses existierender Applikation als auch als Basis neuer Applikation, hat in den letzten Jahren verstärktes Interesse erfahren. Speziell seit der Vorstellung des Bluetooth-basierten Apple iBeacon-Systems zur Auslieferung von ortsabhängiger Werbung richtet sich dabei die Aufmerksamkeit auf die Standortbestimmung innerhalb von Gebäuden. Über den Konstruktionszweck hinaus ergeben sich hier vielfältige Anwendungsmöglichkeiten - großes Potenzial haben Standortinformationen dabei insbesondere für die Optimierung der unterschiedlichsten Prozesse im Bereich des Facility Managements. Neben Potentialen bei der Verbesserung gemeinsam genutzter Ressourcen, wie etwa Meetingräumen, zur Betriebszeit oder Navigationsunterstützung für ortsunkundige Geschäftspartner, könnten standortbasierte Systeme beispielsweise Handwerkern in der Konstruktionsphase oder Rettungskräften im Brandfall unterstützen. Häufig genutzt für die Konstruktion solcher Systeme werden vor allem die ohnehin vorhandene Infrastruktur zur drahtlosen Vernetzung (Wi-Fi) und die o.g. Bluetooth-Beacons. Naheliegend ist außerdem die Verwendung von Smartphones, welche mittlerweile standardmäßig über die beiden genannten sowie eine Vielzahl weiterer Sensoren verfügen. Bisher entwickelte Systeme zur Standortbestimmung in Gebäuden bieten jedoch häufig nur begrenzte Flexibilität durch festgelegte Sensoren und Berechnungsverfahren und sind durch hohe Wartungsaufwände in ihrer Skalierbarkeit eingeschränkt. Mit Blick auf einen dauerhaften und flächendeckenden Einsatz eines solchen Standortbestimmungssystems innerhalb eines Unternehmens zeigen sich bei existierenden Lösungen zudem oftmals Defizite im Bereich der Energieeffizienz. In dieser Arbeit wurde daher ein Smartphone basiertes System entwickelt, das die Idee verschiedener modularer Verarbeitungs-Pipelines nutzt, um eine flexible Architektur zu realisieren, die es erlaubt, die Verarbeitung von Sensordaten mit dem Zweck der Standortbestimmung leicht den Anforderungen der Umgebung entsprechend zu konfigurieren und bei Bedarf auch neue Sensoren oder Berechnungsverfahren in das System zu integrieren. Für dieses System wurden Module zur Unterstützung von Bluetooth, Wi-Fi und GPS-Sensoren sowie einer Vielzahl gängiger Verfahren zum Musterabgleich oder der Nachbarschaftsdetektion umgesetzt. Dabei wurde sowohl die Verarbeitung der Daten einzelner Sensoren untersucht und optimiert als auch ein Verfahren zur Fusionierung von Berechnungsergebnissen mehrerer Sensoren entwickelt. Darüber hinaus wird ein Ansatz vorgestellt, der mittels eines Bewegungszustandsgraphen die Benutzerbewegung und -Position erfasst und die Konfiguration der Sensoren des Systems entsprechend energetisch optimiert. Um die Leistungsfähigkeit des Systems, insbesondere im Hinblick auf die Genauigkeit der Standortbestimmung zu untersuchen, wurde das System in einer umfangreichen Evaluation unter unterschiedlichen Infrastrukturbedingungen getestet; die Evaluation fand dabei in einem Bürokomplex bei laufendem Betrieb statt. Aus den Evaluationsergebnissen wurde eine optimale Konfiguration für das System abgeleitet, mit welcher eine Median-Genauigkeit von 2m erreicht wird, und bei deren Einsatz das System in 89 % der Fälle einen maximalen Fehler unter 5m liefert, d.h. einen Abstand, in dem ein menschlicher Nutzer leicht sein Ziel erkennen kann

Multilayer graph networks for modeling and analyzing exercise scenarios in civil protection and disaster response

Based on a reflection of the emergency sector as critical infrastructure and with reference to the concepts of preparedness and prevention as well as criticality, the dissertation examines to what extent software applications can be used to support the planning and evaluation of practical exercises in civil protection and disaster response. A network-theoretical approach is chosen which allows to model scenario-based exercises as dynamic networks. In particular, it is thereby achieved that actions and structures from the exercise can be represented and analyzed in their temporal context through different types of relationships or interactions. First of all, the unique dual role of the emergency sector in the system of infrastructures is addressed and the importance of the practical exercise as a training method and for simulating real operations for the sector is explained. Based on a literature review and interviews with practice partners from different organizations and authorities of civil protection and disaster response in Germany, the exercise will be analyzed with regard to its objectives and the methods used. In this context, especially practical approaches and problems will be discussed and compared. The analysis shows that each exercise is very different in terms of its underlying objectives and approaches and depends strongly on the needs of the respective organizations and authorities. Furthermore, it becomes apparent that especially the planning of such exercises is very complex and therefore there is a need for support tools for the development of scenarios and the definition of exercise boundaries. Also in connection with the evaluation of the exercises, there is a need for a software solution to support the processes. It is apparent that, despite the existing awareness of the importance of evaluations, hardly any systematic procedures are available for this purpose, and that the evaluation as a whole is often not carried out with the necessary consistency, partly due to time constraints. It is particularly noticeable that communication between the participants is often identified as a potential for errors during the exercise, but that the actual communication interactions taking place during the exercise are not yet systematically recorded and analyzed. In addition to the analysis of the practical exercise, the dissertation also evaluates the relevant research literature from the fields of organizational research, emergency management and risk and criticality research. The potential of social network analysis for the aspects of planning and evaluation of exercises is identified and decisively worked out, which, supported by statements from practice, allows to define requirements for a software system. In order to meet the specific requirements of the exercise, a concept for a network-based support software is designed and implemented in a tablet-based demonstrator application called ScenarioBuilder BOS. The application supports the user in modeling and developing exercise scenarios as well as in analyzing and evaluating them in various ways. For example, simulations of cascading effects can be carried out or the centrality of the various actors in the network can be compared. The aim of the application is to enable the user to develop interpretation approaches and to question actions and relationship structures by presenting the scenario in different perspectives. In order to evaluate the application and the benefit of social network analysis as a methodology to support the planning and evaluation of exercises, the thesis describes four use cases for the ScenarioBuilder BOS, three of which are evaluations of real civil protection exercises in different organizations and authorities. The fourth case describes the use of the application to develop the scenario of a fictitious exercise and serves to validate the simulation and other functions of ScenarioBuilder BOS. The use cases show that the application and the associated methodology of social network analysis has a great potential especially for the evaluation of exercises. It enables a systematic recording and evaluation of communication relationships in particular and can therefore make a valuable contribution, for example, to assessing the workload of actors, analyzing compliance with command structures or explaining dynamics in teams

Einsatz von Microsoft Kinect zur Erfassung der Personenanzahl und deren Wärmeeintrag in geschlossenen Räumen

Durch die zunehmende Wichtigkeit von Energieeffizienzsteigerungen rücken neben der Sanierung von Bestandsgebäuden immer mehr Gebäudeautomationssysteme in das Blickfeld der Betrachtung. Über automatisierte Steuerungsabläufe können sie große Einsparpotenziale erreichen. Dabei werden jedoch viele dynamische Parameter, wie die Anzahl von Personen, in Gebäuden noch nicht berücksichtigt. In dieser Arbeit wird die Verwendung der Microsoft Kinect als Personensensor für die Ermittlung des Wärmeertrags auf geschlossene Räume untersucht. Dafür werden verschiedene Möglichkeiten der Personenerfassung vorgestellt und ihre Integrationsmöglichkeiten in Gebäudeautomationssysteme analysiert. Im Anschluss werden Optionen zur Personenzählung mittels der Kinect überprüft und ein Konzept zur Erfassung von Personen und der Berechnung ihrer abgegebenen Wärmemenge erstellt. Der entwickelte Prototyp verwendet den Tiefensensor der Kinect zur Bestimmung der Anzahl von Personen im Raum. Darüber hinaus berechnet er die abgegebene Wärmemenge über die Verweilzeit, die sich die Personen im Raum befinden. In verschiedenen Testläufen wird der Prototyp getestet und seine Möglichkeiten und Grenzen für den praktischen Einsatz ermittelt und in der Bachelorarbeit vorgestellt

Vergleich verschiedener Fingerprint-Berechnungsverfahren zur Standortbestimmung innerhalb von Gebäuden

Die Nutzung von Standortinformationen speziell innerhalb von Gebäuden hat in den letzten Jahren und verstärkt mit der Vorstellung der Bluetooth-basierten Apple iBeacons ein hohes Interesse erfahren. Gerade im Bereich des Facility Managements zeigt sich zum Beispiel bei der Navigationsunterstützung von Handwerkern während der Konstruktions- oder Nutzungsphase des Gebäudes ein großes Potenzial durch die Lokalisierung der Nutzer. Bei der Entwicklung von Systemen zur Standortbestimmung wird dabei häufig auf die bereits vorhandene drahtlose Infrastruktur (Wi-Fi) oder energieeffiziente Bluetooth Low Energy-Beacons zurückgegriffen. Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Stabilität werden bei diesen signalbasierten Sensoren oft Musterabgleichsverfahren, allen voran das Fingerprinting, für die Berechnung der Position der Nutzer verwendet. In dieser Arbeit werden, basierend auf der Definition eines Fingerprints als mathematischer Vektor, insgesamt elf unterschiedliche Berechnungsverfahren untersucht und miteinander verglichen. Dabei werden sowohl „Nearest Neighbor“-Verfahren betrachtet, welche die Euklidische Distanz zweier Vektoren berechnen, als auch Verfahren, die die Kosinus-Ähnlichkeit und somit den Winkel zwischen zwei Vektoren vergleichen. Darüber hinaus werden weitere Verfahren betrachtet, die andere Ähnlichkeitsmaße verwenden und häufig im Kontext des „Data-Mining“ Anwendung finden. Die verschiedenen Verfahren wurden im Zuge einer umfangreichen Evaluation in einem Bürokomplex bei laufendem Betrieb getestet und verglichen. Dabei wurden zwei Smartphones für die Datensammlung verwendet und die Verfahren in unterschiedlichen Infrastrukturbedingungen analysiert. Die Evaluationsergebnisse zeigen, dass es teilweise erhebliche Unterschiede in der Genauigkeit der Berechnung gibt und veranschaulichen, dass das „Adapted Nearest Neighbor“-Verfahren das größte Potenzial bietet und wie die Berechnungsgenauigkeit noch weiter optimiert werden kann

A pipeline architecture for indoor location tracking

Indoor location tracking based on wireless sensors such as Wi-Fi and Bluetooth has recently received increased public attention in the context of location-based services (e.g. location-based advertising) and indoor navigation. However, until now, no clear best practices for filters, algorithms and sensor fusion have emerged, and, in fact, different use cases may require different sets of techniques for optimal results. In this paper, we thus present a sensor fusion approach that can integrate results from heterogeneous tracking algorithms based on discrete, symbolic locations and a reference architecture based on a pipeline approach that offers the necessary flexibility to easily adapt location tracking applications or -services to both future discoveries in tracking techniques and varying use cases. We also report on a comprehensive evaluation of a tracking application we built using the named architecture and sensor fusion in a large (ca. 2600 square meters) open space office under day-to-day business conditions

Approaching the criticality of information for emergency response and control center operations

Successful emergency response and control center operations rely on a great number of information sources. The importance of said information becomes immediately obvious if it is not available when required during an emergency situation. This can be described as the criticality of information, signifying a potential need for action to prepare for functional failures. The concept described in this paper approaches the criticality via an analysis that examines various combinations of information sources and situations in order to identify weaknesses and improve existing procedures. The proposed semi-quantitative assessment was developed taking several attributes and characteristics of criticality into account and afterwards conducted in close cooperation with emergency response institutions

Preparedness & Prevention

As the notion of resilience with all its adaptive and restoring features gains particular attention, another concept lurks in the back, namely the perspective of a continuously prepared and ready to respond system. In contrast to the other concepts, preparedness and prevention notions are mostly utilised within more mundane discussions. They are explicitly part of solution-oriented practices or schemes in infrastructure engineering and governance