Teilprojekt 4: Datenmanagement

Teilprojektleiter Prof. Dr. Thomas Brinkhoff
Teilprojektmitarbeiter Tobias Werner, M.Sc.
Teilprojektvolumen 250.927 €
Fördermittelgeber Nds. Ministerium für Wissenschaft und Kultur - VW-Vorab/Wissenschaft für nachhaltige Entwicklung
Teilprojektlaufzeit 02/2017 bis 07/2020

Die Aufnahme und Verarbeitung von Sensormessdaten durch ein Unterwasserfahrzeug stellt einen Kernbestandteil zur Durchführung von Unterwassermissionen dar. Während die gemessene Drehbeschleunigung, Lageänderung und magnetische Ausrichtung relevant für die Steuerung eines Fahrzeuges sind, dienen weitere Sensoren zu Analyse- und Forschungszwecken. Die dabei anfallenden Sensormessdaten verfügen in der Regel über eine zeitliche und räumliche Ausdehnung (Geodaten) und stellen ein leistungsbeschränktes Unterwasserfahrzeug vor eine Reihe von Herausforderungen.

Visualisierte Daten des Unterwassergeländes
Abbildung 1: Visualisierte Daten des Unterwassergeländes

Sowohl Platz als auch Gesamtgewicht eines Unterwasserfahrzeugs sind stark beschränkt, sodass keine leistungsstarke Hardware untergebracht wird und damit die Verarbeitung und Verwaltung von speicher- und rechenintensiven Daten nur eingeschränkt möglich ist. Ein Beispiel ist die Verwaltung von Geodaten in Form eines Geländemodells unter Wasser aus Abbildung 1. Problematisch gestaltet sich auch die Aufnahme von Sensordaten in hochfrequentem Takt, der bspw. in einem Kamerasystem mit 30 Hz vorgegeben wird. Für den Informationsaustausch zwischen Unterwasserfahrzeugen und ihrer Lokalisierung im Raum stehen Akustik-basierte Lösungen zur Verfügung. Mit einer Datendurchsatzrate von weniger als einem Kilobyte pro Sekunde eignen sie sich allerdings weniger für den zeitkritischen Austausch von großen Datenmengen und können vielmehr nur zur Übertragung grundlegender Basisinformationen verwendet werden. Letztendlich benötigt auch die systeminterne Verteilung von Informationen auf einem Unterwasserfahrzeug entsprechende Schnittstellen, die im Extremfall jeder Systemkomponente den Zugriff auf transiente und persistente Daten ermöglichen muss.

Zentrales Datenmanagement
Abbildung 2: Die Einführung eines zentralen Datenmanagements verringert die Gesamtanzahl individuell entwickelter Datenschnittstellen

In diesem Teilprojekt erfolgt daher der Aufbau eines Datenmanagementsystems für autonome maritime Systeme. Die Nutzung standardisierter Schnittstellen ermöglicht eine einheitliche und zentrale Verwaltung raum-zeitlicher Daten. Wie in Abbildung 2 dargestellt, erlaubt dies eine flexible Erweiterung des Gesamtsystems um zusätzliche Sensorik und Datenverarbeitungsknoten. Die langfristige Bereitstellung der ermittelten Daten soll anschließend durch den Aufbau einer Geodateninfrastruktur (GDI) und unter Berücksichtigung aktueller Standards gesichert werden.

Rechteckanfrage auf Geometrien
Abbildung 3: Rechteckanfrage auf Geometrien

Die Verwaltung von Geodaten erfolgt typischerweise durch ein Geodatenbanksystem (GDBS). Als Kernbestandteil des Geodatenmanagements stellen bekannte Vertreter wie PostgreSQL (mit PostGIS-Erweiterung) und SpatiaLite räumliche Datentypen sowie geometrisch-topologische Operationen zur Verfügung. Ein Beispiel ist die Rechteckanfrage aus Abbildung 3, die auf Basis spezieller Indexstrukturen eine effiziente Beantwortung räumlicher Fragestellungen ermöglicht. Die Verwendung interoperabler Datentypen (bspw. Well-known-text) erlaubt letztendlich eine Integration der Datenbasis in weiterführende Anwendungen.

Für die Evaluation des aufgebauten Datenmanagementsystems erfolgt zunächst die Modellierung und der Aufbau einer virtuellen Testumgebung. Anschließend findet eine Portierung des Systems auf eine reale Hardwareplattform statt, um ihre korrekte Funktionsweise auch unter möglichst realen Bedingungen sicherzustellen.

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