GIS für Mobilitätsanwendungen

Question 1

Definition geigrafische Informationssysteme (GIS)

Answer 1

• GIS sind Systeme zur Erfassung, Speicherung, Verarbeitung, Analyse und Visualisierung von Daten, die räumlich der Erde zugeordnet sind.
• Die Datenerfassung erfolgt über Luftbilder oder landbasiert, beispielsweise mit speziell ausgerüsteten Fahrzeugen.
• Geoinformationen sind ‚Wirtschaftsgut ersten Ranges‘, hat sich nicht bewahrheitet, dass man rein damit sehr viel Geld verdienen kann
• Zur Datenrepräsentation werden zwei verschiedene Ansätze verwendet: das Raster-Modell und das Vektor-Modell

Question 2

Darstellungsarten von GIS

Answer 2

1. Raster Modell

• Prinzip: Die Erdoberfläche wird in rechteckige Zellen aufgeteilt.
• Zellen werden mit Attributen versehen, die den Typ der Zelle beschreiben (z.B. „Gebäude“ oder „Straße“).
• Kleine Zellengrößen sind erforderlich, um den Informationsverlust zu begrenzen. Daraus resultiert ein hoher Speicherplatzbedarf.
• Raster-Modelle sind zur menschlichen Interpretation hilfreich, jedoch weniger zur Automatisierung von Aufgaben.

2. Vektor Modell

• Jedes Objekt der Realwelt wird einem geometrischen Objekt zugeordnet (Punkte, Linien oder Bereiche)
  
  • Punkte werden durch Koordinaten codiert
  • Linien werden aus zu Kanten verbundenen Punkten repräsentiert
  • Bereiche werden aus einer Menge von Linien zusammengesetzt
• Die Vektorrepräsentation von (Straßen-)Netzen ist speichereffizient
• Viele Anwendungen basieren auf einem vektorbasierten Datenmodell, beispielsweise die Berechnung kürzester Wege für die Tourenplanung

Question 3

Digitale Karten

Answer 3

• Digitale Straßenkarten repräsentieren das Straßennetz und die dazugehörige Infrastruktur
• Sie sind fundamentaler Bestandteil von (Verkehrs-)Informationssystemen, sowohl in Kontrolle und Steuerung als auch in Implementierung
• Beispielhafte Einsatzgebiete:
  
  • Berechnung kürzester Wege für die Tourenplanung
  • Visualisierung von Fahrzeugpositionen
  • Führung des Fahrers entlang einer Route
  • Simulation des Verkehrs
• Der Verlauf von Straßen wird durch die Angabe von Anfangs- und
  Endpunkten der Straßensegmente sowie durch Zwischenpunkte
  („Formpunkte“) repräsentiert
• Neben einer Repräsentation des Straßennetzes in Vektorform, d.h. in Form von Knoten und Kanten, sind umfangreiche Zusatzinformationen hinterlegt:
  
  • ▪ Kantenlängen
  • ▪ Geschwindigkeitsbegrenzungen
  • ▪ Straßennamen
  • ▪ Einbahnstraßenregelungen
  • ▪ Abbiegerestriktionen
  • ▪ Straßenklassifizierungen
  • ▪ Fahrverbote für spezifische Fahrzeugtypen

Question 4

Geographic Data File (GDF)

Answer 4

• Standard (ISO-Version 4), um Straßennetze zu beschreiben.
  
  • Feature Catalogue: Definition der Realwelt-Objekte
  • Attribute Catalogue: Eigenschaften der Realwelt-Objekte
  • Relationship Catalogue: Beziehungen zwischen Realwelt-Objekten
• GDF stellt unterschiedliche Abstraktionen des Straßennetzes bereit
  
  • Ebene 0: Nutzung der grundlegenden geometrischen und topologischen Entitäten (z.B. Knoten, Kanten)
  • Ebene 1: Entitäten werden um Attribute und Beziehungen erweitert
  • Ebene 2: Entitäten können zu komplexen Entitäten kombiniert werden
• Kommerzielle Kartenanbieter: NAVTEQ, TeleAtlas

Anwendungen

• Geocoding
  
  • Konventionelle Adressinformationen (Straße, Ort, Land, PLZ) sind für die rechnergestützte Verarbeitung nur bedingt geeignet
  • Geocoding reichert Adressinformationen um geographische Koordinaten an
• Berechnung von kürzesten Wegen
  
  • Geringste Kosten, kürzeste Distanz, schnellste Reisezeit, …
  • Ermittlung des Weges von A nach B, auf dem die aufsummierten Kosten bei Nutzung der einzelnen Kanten minimal sind
  • Algorithmen: Dijkstra, A*, …
• Map Matching
  
  • Zuordnen einer Menge von Positionen zu Repräsentationen in einer digitalen Karte
  • Beispiel: Zuordnung der geschätzten Position eines Fahrzeugs zu der entsprechenden Repräsentation der digitalen Karte
  • Curve-to-curve-Methode
• Fundamentales Verfahren für die Verarbeitung von Floating Car Data

Question 5

Erfassung von Luftbildern

Answer 5

• Luft- und Satellitenaufnahmen sind insbesondere für die Erstellung von Rasterkarten geeignet
• Kernproblem: Aufnahmen maßstabsgerecht so abzubilden, dass der Benutzer die zu vermittelnden Informationen leicht aufnehmen und verstehen kann
• Entzerrung der Aufnahmen, Kontrastverstärkung, Filterung, Aggregation, Identifikation verkehrsrelevanter Objekte

Question 6

Telematik Einführung

Answer 6

• Telekommunikation + Informatik = Telematik
  
  • Zusammenwachsen der Bereiche zu einem neuen, integrierten Technologiefeld für Informations- und Kommunikationssysteme
• Telematik = Übertragung von Daten über ein Kommunikationsnetzwerk und automatisierte Weiterverarbeitung
• Mobile netzwerkfähige Geräte nahezu überall verfügbar
  
  • →mobile computing, ubiquitious computing …
• „VI als zukunftsträchtige telematische Applikationen im Verkehrsbereich“
• VI beinhalten den Prozessablauf des Informationsmanagements zwischen dem jeweils betrachteten Verkehrssystem und dem Telematiknutzer

Beispiele für Telematik-unterstützte Aufgaben von VI:

• Verkehrsinformationsdienste
  
  • Bereitstellung von Informationen über die Verkehrsinfrastruktur, Verkehrslage, Wetterbedingungen.
  • Pre-trip information ↔ on-trip information
  • Bereitstellung von Verkehrsprognosen
  • Nutzung von RDS-TMC in Navigationsgeräten
• Telematik-gestützte Flottenüberwachung und –steuerung
  
  • Informationsaustausch zwischen einer Fahrzeugflotte und der Disposition
  • Komponenten: Datenbank zur Speicherung der Fahrzeugpositionen und – nachrichten, digitale Karten, GIS, drahtlose Kommunikatio

Question 7

Drahtlose Kommunikation

Answer 7

• Voraussetzung für den Informationsaustausch zwischen Fahrern, Fahrzeugen und stationären Systemen
• Einsatz elektromagnetischer Wellen bzw. Infrarotübertragung
• Probleme bei der Abdeckung großer Flächen (Reflektionen, Abschattungen, Störungen des Signals)
• Zur Verdoppelung der geographischen Abdeckung ist ein 16x stärkerer Sender erforderlich

Arten der drahtlosen Kommunikation

• Bündelfunk: lizensierte Frequenzen für eine Benutzerg, Hohe geographische Abdeckung möglich aufgrund niedriger Frequenzbände (zwischen 385 und 921 MHz)
• zellbasierte Kommunikation: Grundlegendes Prinzip heutiger Mobilfunktechnologie, Gebiet wird in Zellen aufgeteilt, nur kleine Distanzen bis zu stationären Sendern sind zu überbrücken –> 5G: bis zu 20 Gbit/s
• Satelliten-Kommunikation: Geostationäre Satelliten kreisen in einer Höhe von 35785 km über der Erde (Inmarsat, Qualcomm)
• Dedicated Short Range Communications: Dedicated Short Range Communications (DSRC) nutzt Infrarot oder Funkwellen mit kurzer Reichweite, DSRC werden speziell im Bereich Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Fahrzeug- zu-Infrastruktur-Kommunikation eingesetzt, Aufgrund der geringen Übertragungsweite gut geeignet für den Einsatz in Location Based Services
• Broadcasting: Broadcasting zur Verteilung von
  Verkehrsinformationen, Radio Data System RDS und Traffic Message Channel TMC –> sicher da über Mittelwellensignal

Question 8

Car2Car Kommunikation Einführung

Answer 8

• Das sichere Führen von Kraftfahrzeugen erfordert es, Daten aus der unmittelbaren Fahrzeugumgebung kontinuierlich aufzunehmen und zu verarbeiten
• Die Wahrnehmungsfähigkeit des Fahrers ist derzeit im wesentlichen auf die optische und akustische Wahrnehmung seiner Umgebung beschränkt (Straßenverlauf, Verkehrsschilder, andere Verkehrsteilnehmer, Lichtsignalanlagen, Sirenen von Einsatzfahrzeugen)
• Mit Hilfe der Car2Car-Kommunikation kann der Wahrnehmungshorizont über den sichtbaren und hörbaren Bereich der Umgebung hinaus vergrößert werden

Kommunikation über Ad-hoc-Netze

• Car2Car-Kommunikation kann durch mobile Ad-hoc-Netze realisiert werden
• Innerhalb eines mobilen Ad-hoc-Netzes organisieren sich Sender- und Empfangsgeräte selbst, indem sie eine Verbindung zueinander aufzubauen, ohne dass hierbei eine übergeordnete Infrastruktur (wie ein Wireless Access Point) benötigt wird
• Jedes Sende- und Empfangsgerät („Knoten“) dient hierbei nicht nur als Sende- und Empfangsstation für die Datenübertragung, sondern auch als Router für andere Teilnehmer
• Statische Ad-hoc-Netze: Sobald ein Knoten Teil eines Netzes geworden ist, verändert sich seine Position nicht mehr
• Mobile Ad-hoc-Netze: Ein Knoten in einem mobilen Ad-hoc Netz kann auch nach seinem Eintritt ins Netz seine Position verändern

Question 9

Single Hop vs. Multi Hop

Answer 9

• Wenn sich die einzelnen Knoten „sehen“ können, können diese direkt miteinander kommunizieren (single-hop)
• Wenn die einzelnen Knoten zu weit voneinander entfernt sind, können sie nicht mehr direkt miteinander kommunizieren
• In einem Ad-hoc-Netz leiten die dazwischen liegenden Knoten die Daten weiter (multi-hop)
• Auf diese Weise kann ein fast beliebig großes, sich selbst verwaltendes Netz entstehen

Question 10

Routingverfahren

Answer 10

• Um eine zielgerichtete Weiterleitung der Daten in einem mobilen Ad- hoc Netz zu ermöglichen, werden spezielle Routing-Protokolle benötigt
• Diese haben die Aufgabe, einen Pfad vom Quell- zum Zielknoten zu bestimmen
• Die üblicherweise im Internet oder statischen Ad-hoc-Netzen eingesetzten Verfahren können nicht verwendet werden
• Positionsbasiertes Forwarding
  
  • Sender integriert die geographische Position des Ziels mit in das Datenpaket
  • Entscheidung über die Weiterleitung des Datenpakets wird aufgrund der geographischen Position des Empfängers getroffen
• Greedy Packet Forwarding
  
  • Auf Grundlage der Positionen aller in Funkreichweite liegenden benachbarten Knoten wird entschieden, welcher den größtmöglichen Fortschritt in Richtung der Zielposition bringt
  • Das Datenpaket wird dann an diesen Knoten weitergeleitet
  • Scheitert vor allem dann, wenn Übertragungslücken auf dem direkten Weg zum Ziel entstehen

Umsetzungen: Kooperative Fahrerassistenzsysteme, Stauwarnung und virtuelles Warndreieck, Unfallwarnung & Kollisionsvermeidung, FCD und stationäre Systeme

Question 11

Ortungssysteme

Answer 11

• Die Erfassung der Position von Verkehrsmitteln stellt eine fundamentale Aufgabe für Verkehrsinformationssysteme dar.
• Ortungssysteme erlauben eine autonome Navigation, die allgemeine Verkehrsüberwachung und das Verfolgen einzelner Fahrzeuge.
• Sie ermöglichen eine detaillierte Steuerung und unterstützen so die Qualität der Informationsverarbeitung im operativen IS. Bei der Koppelnavigation wird die einmal bekannte Position eines Fahrzeugs fortgeschrieben.
• Dafür werden Richtung, Geschwindigkeit, Zeit und zurückgelegte Strecke ermittelt (→Odometer, Kompass, Gyroskop)
• Mit der Koppelnavigation ist eine Fahrzeug-autonome Positionsbestimmung möglich. Positionskorrekturen erforderlich

Ortungsaten:

• Satellietenortung: Globale Satellitenortungssysteme erlauben dem mobilen Empfangsgerät eine weltweit exakte Positionsbestimmung
  
  • Weit verbreitet ist das Global Positioning System (GPS), welches vom
    amerikanischen Militär betrieben wird. Außerdem: GLONASS (Russland) und GALILEO (Europäische Union)
  • Prinzip: Die Position der Satelliten und die Entfernung des Fahrzeugs zu den Satelliten ist bekannt
  • Satellitenortung erfordert die Sichtbarkeit auf den Satelliten („Line of Sight“
  • Die GPS-Ortung ist aufgrund von Abschattungen und Multi-Path-Effekten nicht fehlerfrei
• Zellbasierte Ortung: Funkzelle wird als Schätzung der Position verwendet. Einfachste, aber ungenaueste Möglichkeit, die Position eines Fahrzeugs zu schätzen. In Ballungsräumen Abweichungen bis 100 Meter, in ländlichen Gebieten bis 35 Kilometer
  
  • Propagation time: Ausbreitungszeit des Signals vom Sender bis zum Fahrzeug wird gemessen. Hierfür sind mindestens 3 Sender erforderlich
  • Time difference of arrival: Verschiedene Stationen senden gleichzeitig Signale. Die Differenz der Laufzeiten kann berechnet und zur Positionsbestimmung genutzt werden. Mindestens 3 Sender sind erforderlich.
  • Angle of arrival: Winkelmessung am Empfänger oder Sender in Relation zur Basisstation.
• stationäre Ortung: Positionsbestimmung durch Passieren von stationären Einrichtungen, z.B. mit DSRC ausgestattete Baken

Question 12

Zusammenfassung Technologie

Answer 12

• Geografische Informationssysteme erlauben die Zuordnung eines Ort/Zeit-Bezugs der Objekte
• Ortungssysteme ordnen die Objekte in Geografischen Informationssystemen zu
• Die Technologie der drahtlosen Kommunikation sorgt für eine Online- Kopplung zwischen Realwelt-Objekten im Basissystem und der Steuerungs-Ebene des Informationssystems