Mobil-autarkes Monitoringsystem auf Basis von IoT und Open Data am Beispiel Hochwasser

Die Dissertation befasst sich mit der Konzeption und prototypischen Entwicklung eines mobil-autarken Monitoringsystems auf Basis von Internet of Things (IoT) und Open Data. Zum einen wurde im Rahmen der Arbeit ein Monitoringsystem zur Messung von Wasserständen, Personen sowie weiteren Umweltparametern auf Basis von IoT-Sensorik entwickelt. Zum anderen wurde mittels eines Vereinheitlichungs- und Standardisierungskonzeptes die Integration von öffentlichen Daten für ein zentrales Lagebild umgesetzt. Umweltkatastrophen, auch bedingt durch den Klimawandel, haben weitreichende Auswirkungen auf die Bevölkerung und die Einsätze von Sicherheitskräften wie Feuerwehr und THW. Im Katastrophenfall sind sensorgestützte Informationen zur Einordnung und Priorisierung von Auswirkungen und Maßnahmen für Betroffene und Einsatzkräfte von großer Bedeutung. Vor allem in ländlichen Gebieten sind hierfür keine oder nur unzureichende Systeme vorhanden. Zudem sind die vorhandenen Systeme von anderen Infrastrukturen wie Mobilfunk und Stromversorgung abhängig und daher im Katastrophenfall nicht oder nur eingeschränkt einsatzfähig. Basierend auf einer Analyse der Funktechnologien, der Anforderungen der Einsatzkräfte sowie der Hardwareanforderungen wurde ein Konzept für ein Monitoringsystem am Beispiel der Umweltkatastrophe Hochwasser entwickelt. Das mobil-autarke Monitoringsystem (MOTARK) besteht aus einem Einsatzset mit speziell entwickelten Sensorkits für den temporären Einsatz während eines Hochwassers sowie einer Basisstation. Die Sensorkits erfassen Parameter in einem Gebiet ohne Abhängigkeit von bestehender Infrastruktur durch den Einsatz innovativer LoRaWAN-Funktechnologie und IoT-Sensorik. Die erfassten Daten werden von den Sensoren über eine Basisstation an die Einsatzkräfte übermittelt. Diese Daten können anschließend auch von der Bevölkerung eingesehen werden. Neben der Entwicklung der Hardwarekomponenten wurde auch der gesamte benötigte Softwarestack sowie die notwendigen Schnittstellen entwickelt. Das System wurde in Labor- und Feldversuchen auf seine Einsatzfähigkeit hinsichtlich Messgenauigkeit und Hochwassertauglichkeit getestet. Neben dem Monitoringsystem wurde ein Konzept zur einfachen Datenintegration über den SensorThings API Standard entwickelt. Das Konzept mit dem Namen EZSTA ermöglicht es, öffentliche Datenschnittstellen mit Hilfe von automatisiert erstellbaren Konfigurationsdateien in das Format der SensorThings API zu überführen. Anschließend können die Daten über einen Service in andere Anwendungen mit einer STA-Schnittstelle integriert werden. Die Informationen aus dem Monitoringsystem und öffentliche Daten werden in einer Webanwendung zusammengeführt und stehen Einsatzkräften, Krisenstäben und der Öffentlichkeit zur Verfügung. Der Fokus liegt dabei auf Warnungen und einer übersichtlichen und leicht verständlichen Darstellung der Situation. Die Arbeit zeigt, dass durch die Kombination von mobiler IoT-Technologie, autarker und innovativer Funktechnologie sowie der Integration von öffentlichen Daten ein leistungsfähiges, kostengünstiges und umfassendes Monitoringsystem für den Hochwassereinsatz die Einsatzkräfte bei der Lagebeurteilung unterstützen kann

Weiterentwicklung eines kapazitiven Temperatur-Feuchte-Sensors für den überhygroskopischen Feuchtebereich

Zur Einhaltung der Klimaziele, welche durch die Bundesregierung festgelegt wurden, sind Maßnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen im Gebäudesektor erforderlich. Neben einer energieeffizienten Gestaltung von Neubauten können durch Sanierungen von Bestandsgebäuden erhebliche Einsparungen erreicht werden. Zur Untersuchung von Sanierungsmaßnahmen ist es neben Simulationen ebenfalls notwendig praktische Versuche durchzuführen. Hierbei sind insbesondere die Feuchtigkeits- und Temperaturwerte innerhalb des Mauerwerkes zu überwachen. Auf Grundlage der Messergebnisse ist eine Beurteilung von Sanierungsmaßnahmen und deren Einsparpotential im Bezug auf Energieverluste möglich. Für die Erfassung der Feuchtigkeit im Mauerwerk im Rahmen eines Monitorings werden Sensoren benötigt, welche die relative Feuchtigkeit über einen langen Zeitraum möglichst mit einer ausreichend kleinen Messunsicherheit (+/- 2% r. F.) erfassen können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein kapazitiver Feucht- und Temperatursensor ausführlich auf seine Genauigkeit und Streuung sowie Stabilität der Feuchtigkeitsmesswerte im Hochfeuchtebereich untersucht. Der Sensortyp besitzt eine integrierte Digitalisierung der Messwerte, dies verringert eine Vielzahl von Unsicherheiten, welche bei konventionellen Sensoren auftreten. Zudem wird der Sensor von verschiedenen Herstellern und in verschiedenen Messprojekten eingesetzt. Zur Auswertung der Sensordaten wurde ein Aufbau mit einem Mikrocontroller, Datenspeicherung mit Hilfe eines Servers sowie eine Datenvisualisierung über eine Webseite implementiert. Zudem wurden verschiedene Skripte zur Veranschaulichung der Daten sowie zum optimierten Verfahren bei der Kalibrierung entwickelt. Bei Monitoringprojekten werden Sensoren teilweise über mehrere Monate bis hin zu mehreren Jahren sehr hohen Luftfeuchtigkeiten (überhygroskopischer Bereich) ausgesetzt. Der hier untersuchte Sensor verwendet zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit ein kapazitives Verfahren. Beim Verwendung im Hochfeuchtebereich kommt es vermutlich zu einer Veränderung der Materialeigenschaften des Polymers. Hierdurch wird die Genauigkeit der Sensorwerte verringert. Auf Grundlagen der Genauigkeitsuntersuchungen sowie den ermittelten Grundlagen zum Messprinzip wurde eine Weiterentwicklung des Messablaufs durchgeführt. Eine eigens entwickelte Kappe, welche im 3D-Druckverfahren hergestellt wurde, ist mit einer Heizung ausgestattet. Durch den regelmäßigen Betrieb der Heizung konnte die Messunsicherheit der Sensorwerte im Hochfeuchtebereich erheblich verringert werden. Anhand eines praktischen Versuches sind Abweichungen eines unbeheizten Sensors von ca. 6 % r. F. sowie Abweichungeneines beheizten Sensors von ca. 0,6 % r. F. bei einer relativen Feuchtigkeit von 97,5 % festgestellt worden

Verwendung und Einbindung von Open-Data-Schnittstellen am Beispiel der Bundes-APIs

Aggregation von Daten mittels API-Request ist eine verbreitete Methodik zur Abfrage von Informationen aus verschiedenen Datenquellen, welche zum Beispiel in einer Applikation dargestellt werden können. Üblicherweise werden dabei die Daten für eine Anwendung in einem speziell hierfür implementierten Backend mit einer eigenen API zur Verfügung gestellt. Mit der Verabschiedung des Zweiten Open-Data-Gesetzes 2021 wird die Menge an Daten von Bundesbehörden und öffentlichen Einrichtungen, welche frei verfügbar sind, noch deutlich gesteigert werden. Die sogenannte Bundesstelle für Open Data (BundDEV) hat sich zur Aufgabe gemacht, diese Daten bzw. deren API-Spezifikationen zu veröffentlichen und einfach zugänglich zu machen. Dabei wird auf den weit verbreiteten OpenAPI-Standard bei der Beschreibung der APIs gesetzt. Im Rahmen des Papers wird analysiert, inwiefern diese Initiative bzw. die dokumentierten APIs für Anwendungen einfach verwendet werden können. Es wird beispielhaft der Prozess für verschiedene Ausgangslagen von APIs dargelegt und beschrieben. Als Beispielanwendungsfälle werden unter anderem der Hochwasserschutz sowie dazu passende APIs herangezogen. Die öffentliche Bereitstellung von API-Spezifikationen sowie die automatische Generierung von Client-Tools ist ein weiterer Baustein für die einfache Nutzung von öffentlichen Daten. Dabei liefert der OpenAPI-Standard eine einfache und maschinenlesbare Möglichkeit verschiedene APIs und deren Parameter zu beschreiben

Modifizierung eines kapazitiven Temperatur-Feuchte-Sensors zur Verwendung im Hochfeuchtebereich

Zur Einhaltung der Klimaziele, welche durch die Bundesregierung festgelegt wurden, sind Maßnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen im Gebäudesektor erforderlich. Neben einer energieeffizienten Gestaltung von Neubauten können durch Sanierungen von Bestandsgebäuden erhebliche Einsparungen erreicht werden. Zur Untersuchung von Sanierungsmaßnahmen ist es neben Simulationen ebenfalls notwendig praktische Versuche durchzuführen. Hierbei sind insbesondere die Feuchtigkeits- und Temperaturwerte inner-halb des Mauerwerkes zu überwachen. Auf Grundlage der Messergebnisse ist eine Beurteilung von Sanierungsmaßnahmen und deren Einsparpotential in Bezug auf Energieverluste möglich. Für die Erfassung der Feuchtigkeit im Mauerwerk im Rahmen eines Monitorings werden Sensoren benötigt, welche die relative Feuchtigkeit über einen langen Zeitraum möglichst mit einer ausreichend kleinen Messunsicherheit (± 2 % r. F.) erfassen können. Hierbei werden die Sensoren teilweise über mehrere Monate bis hin zu mehreren Jahren sehr hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Im Rahmen dieser Untersuchung wird ein typischer, in der Praxis eingesetzter, kapazitiver Feucht- und Temperatursensor ausgiebig untersucht. Bauteilbedingt sind diese Sensoren nicht für die Verwendung im Hochfeuchtebereich geeignet. Es wird daher demonstriert, wie der Sensor modifiziert werden muss, um zuverlässig Messungen im überhygroskopischen Feuchtebereich durchführen zu können. Die Messergebnisse des modifizierten Sensors wurden mit Hilfe von Laboruntersuchungen validiert

Examining the feasibility of LoRa-based monitoring in large-scale disaster response scenarios

Following a natural disaster or other large-scale events which require emergency response assessing and monitoring the situation at hand is of critical importance. However, some infrastructure that is often relied upon such as cellular service or the power grid might be temporarily disrupted or entirely unavailable. In order to be able to still transmit relevant monitoring data gathered from sensors, the use of a low-cost LPWAN with LoRa modulation technique is suggested in the approach presented here. Combined with an analysis of disaster response in Germany the relevant aspects are consolidated in a concept utilizing LoRaWAN with a ChirpStack backend that is easy to set up and entirely independent of external infrastructure. The proposed addition which aims to support disaster control management in Germany is then tested in conjunction with a fictional flooding scenario where an area is monitored with autarkic sensors using LoRaWAN technology

Designing a framework for seamless integration of open data services to support disaster response

With an increase to the availability of open data, the potential to leverage it for emergency response and disaster management has so far seen seldom use in Germany. While some modern technologies have found their place in existing workflows, open data and related services are rarely utilized. Due to varying standards and approaches in the federal system, public sector as well as community data sources often cannot be easily integrated. As such, an adaptable framework is proposed that outlines a way for practitioners to include these services via the OpenAPI specification without the need for programming or data science knowledge. Instead, the API documentation is parsed by an application offering various customization and configuration options during a mapping process enabling users to create their own interpretation of the data for beneficial use during disaster response efforts, resulting in a dashboard with map views and other visualizations

Durchführung von Parameterstudien zur Analyse der Auswirkungen äußerer Einflüsse auf den Erstellungsprozess von Modellen mittels Photogrammetrie

Photogrammetrie ermöglicht eine exakte digitale Abbildung aufgenommener Strukturen in Form einer Punktwolke mit vergleichsweise geringem Aufwand im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Gerade mithilfe von Drohnen stellen schwer einsehbare Bereiche von Bestandsbauten keine Hürde mehr dar und Gebäude lassen sich so von allen Seiten aufnehmen. Zur Untersuchung der Auswirkung von äußeren Einflüssen auf die Qualität der Aufnahme wurde am IIB einer Bachelorarbeit durchgeführt. Die Ergebnisse der Abschlussarbeit sind in diesem Paper zusammengefasst. Die Auswertung zeigt, dass die Qualität der Eingangsbilder der maßgebende Faktor für eine hochwertige digitale Abbildung ist. Diese hängt zusätzlich von den Lichtverhältnissen sowie den Kameraeinstellungen ab. Starker Sonnenschein kann beispielsweise zu dunklen Schatten führen, wodurch Informationen verloren gehen können. Darüber hinaus können Reflektionen zu fehlerhaften Auswertungen führen, welche durch reflektierende Materialien, Nässe und Sonnenschein bedingt sein können. Bezüglich der Kameraeinstellungen können niedrige Brennweiten größere Verzerrungen erzeugen, welche es im Zuge des kalibrierungsprozesses auszugleichen gilt. Ebenso wird der Effekt der Blendenzahl untersucht, da der Schärfetiefenbereich maßgeblich von dieser abhängt. Eine Möglichkeit den Kalibrierungsprozess zu optimieren, bieten Passpunkte, diese liefern zusätzlich eine Georeferenzierung und bereiten die Basis für eine Überführung in ein übergeordnetes Koordinatensystem. Die Möglichkeit, die Punktwolke in ein BIM- Modell zu überführen, wurde im Rahmen der Abschlussarbeit nicht untersucht

Blockchain-based Data Synchronization for Product Catalogs in Distributed Systems

Efficient collaboration between different project partners plays a vital role in construction projects and the achievement of project objectives. An option for implementing digital collaboration is the distributed system, where the same data and information are replicated on all nodes. A distributed system has advantages regarding data availability and scalability. Its shortcoming lies in synchronization of transactions in all nodes across the distributed network. The synchronization process should meet the following demands: data consistency, robustness against malicious attack, and transparency. Traditional methods for synchronization are not suitable to fulfill all requirements without high technical expenditure. This article presents the concept for a new synchronization process with blockchain technology, which updates the executed transactions and broadcasts them over the distributed network to all nodes automatically. This synchronization process ensures that the data remains consistent in all nodes of the system. With the consensus procedure and the cryptographic encryption of the blockchain technology, the data in the distributed system is also tamper-proof. By implementing blockchain for synchronization, collaboration in construction projects can be conducted with trust without having a single central authority

A Hard Road To Travel - Developing tools for low-cost Virtual Reality (VR) systems in the early design phases

This paper updates on the developments in the use of low-cost Virtual Reality devices for Architectural design. The authors established a workflow using the gaming software "Unity" to prepare geometry for virtual environments and developed interfaces for a more natural movement inside the virtual world. We will give a summary on the old experiments and explain about our latest develoments in refining the workflow and the interfaces within a new setting. Architects teamed up with civil engineers with a focus on computer science. Due to new hardware developments, we could change the systems from wired to wireless and added several funktions within the overall aim to keep it simple and affordable