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Verlässlichkeit im Internet der Dinge

2020 sollen im Internet der Dinge über 50 Milliarden intelligente Dinge – smart things – miteinander kommunizieren und so zahlreiche Alltagsanwendungen erst möglich machen. Wie etwa Autos, die miteinander auf der Straße kommunizieren und so Unfälle verhindern, oder maßgeschneiderte Möbel, die den Produktionsmaschinen in der industriellen Fertigung genau sagen, was an ihnen noch gemacht werden muss. Das Internet der Dinge in seiner Gesamtheit wird einmal so wichtig sein wie das Stromnetz heute. Die derzeitigen Forschungsansätze sind noch unzureichend, vor allem in Bezug auf die Verlässlichkeit des Internets der Dinge. Besonders kritische Anwendungen aus den Bereichen Gesundheit, Verkehr oder Produktion müssen zu jeder Zeit einwandfrei funktionstüchtig sein. Die Forschenden des Leadprojektes im Field of Expertise Information, Communication & Computing der TU Graz erarbeiten die Grundlagen, die Kleinstcomputer in Alltagsgegenständen selbst unter schwierigsten Bedingungen verlässlich arbeiten lässt.
Das Projekt Verlässlichkeit im Internet der Dinge wurde von einer internationalen Jury zum Leadprojekt der TU Graz gekürt und erhält eine 3-jährige Sonderfinanzierung.

Die drei Feinde

Störende Umwelteinflüsse wie extreme Witterungsbedingungen und Belastungen, gezielte Attacken durch Terroranschläge oder Hacker und die gewaltige Komplexität des Internets der Dinge sind die 3 großen Feinde, die man ab 2016 im Projekt Verlässlichkeit im Internet der Dinge erforschen will. Es gilt, die Verwundbarkeit des umfassenden Systems Internet der Dinge zu minimieren.
Unter der Leitung von Kay Römer haben sich 10 Wissenschafter der Fakultät für Informatik und Biomedizinische Technik und der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik zum Ziel gesetzt, die Grundlagen für ein zuverlässiges Internet der Dinge zu erforschen und das Wissen in weiterer Folge mit strategischen lokalen und internationalen Partnerinnen und Partnern in reale Anwendungen umzusetzen.

Die Welt 2020 – vernetzte Geräte im Alltag

Bis 2020 sollen mehr als 50 Milliarden smarte Dinge – mit Kleinstcomputern ausgestattete Gegenstände – in das Internet der Dinge integriert werden. Das ermöglicht eine Vielzahl von Alltagsanwendungen: diese müssen im Bereich Gesundheit, Verkehr und Produktion zu 100 % zuverlässig arbeiten, selbst wenn sie Störeinflüssen und gezielten Attacken ausgesetzt sind. Wenn dies nicht gewährleistet ist, kann ein Computerfehler dazu führen, dass unsere Alltagsumgebung nicht mehr funktioniert oder sogar Schaden nimmt.

Beispiele für solche Anwendungen, die eine hohe Verlässlichkeit des Internet der Dinge erfordern:

  • In Zukunft werden Fahrzeuge ins Internet der Dinge integriert. Diese werden mit anderen Verkehrsteilnehmerinnen und -teilnehmern kommunizieren, um schon im Voraus gefährliche Situationen zu erkennen und Schaden abzuwenden.
  • Smart City: Zur Optimierung des Verkehrs werden freie Parkplätze mittels Sensoren ermittelt und ins Internet gemeldet, so dass die Fahrzeuge per App direkt zu einem freien Parkplatz navigiert werden.
  • In zukünftigen Fabriken werden Produkte und Maschinen miteinander vernetzt, um kostengünstig industriell Einzelanfertigungen herstellen zu können – ganz auf die Wünsche einzelner Menschen abgestimmt.
  • „Intelligente“ Rohrleitungen: Wasserleitungen werden mit Minicomputern ausgestattet, die mit Sensoren verbunden sind. Die Leitungen liefern Daten über Durchflussmengen – so können Lecks kostengünstiger aufgespürt, genauer lokalisiert und automatisch Maßnahmen zur Reduktion des Wasserverlustes ergriffen werden.
  • Effiziente Energienetze: Es kommt in Zukunft wahrscheinlich zu großen Schwankungen der verfügbaren Energie aufgrund der zahlreichen kleinen, dezentralen Lieferantinnen und Lieferanten, die ihre aus Wasser, Sonne oder Umgebungswärme eher unregelmäßig gewonnen Energie in das Netz einspeisen. An den Einspeise- und Entnahmestellen werden Computer den Energieverbrauch nicht nur messen (Smart Metering), sondern auch Geräte automatisch dann aktivieren, wenn gerade genügend billiger Strom zur Verfügung steht.
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Mehr als 50 Milliarden smarte Dinge – mit Kleinstcomputern ausgestattete Gegenstände – sollen in das Internet der Dinge integriert werden und selbst unter schwierigsten Bedingungen verlässlich arbeiten.

 

 

 

Bildquelle Kay Römer - TU Graz
Kay Römer, Projektleiter

2025 wird ein Ausfall des Internets der Dinge mindestens so schwerwiegende Folgen haben wie heute ein Ausfall der Stromversorgung. Unsere Mission ist daher, das Internet der Dinge mindestens so verlässlich zu machen wie das Stromnetz – und dies ist noch ein weiter Weg.

Bildquelle: Baustädter – TU Graz

Insgesamt werden mehr als 10 Modell-LKW im Testlabor zur Verfügung stehen. Adaptiert wurden sie direkt an der TU Graz.

 

 

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Die Key-Researcher vom Leadprojekt Dependable Internet of Things in Adverse Environments (Verlässlichkeit im Internet der Dinge) der TU Graz:
von links: Wolfgang Bösch, Stefan Mangard, Gernot Kubin, Marcel Baunach, Kay Römer, Bernhard Aichernig, Roderick Bloem, Martin Horn, Franz Pernkopf, Klaus Witrisal

Kontakt

Institut für Technische Informatik
Inffeldgasse 16/I
8010 Graz

Kay RÖMER
Univ.-Prof. Dipl.-Inform. Dr.sc.ETH
Projektleiter
Tel.: +43 316 873 6400
roemernoSpam@tugraz.at

Institut für Angewandte Informationsverarbeitung und Kommunikationstechnologie
Inffeldgasse 16a/II
8010 Graz

Roderik BLOEM
Univ.-Prof. Ph.D.
Stellvertretung
Tel.: +43 316 873 5580
roderick.bloemnoSpam@iaik.tugraz.at

Leadprojekte der TU Graz

Das Projekt Dependable Internet of Things in Adverse Environments (Verlässlichkeit im Internet der Dinge) ist das erste Leadprojekt der TU Graz.
Es erhält für mindestens 3, maximal 6 Jahre eine Sonderfinanzierung.

Gewählt wurde es in einem mehrstufigen Auswahlverfahren und einem abschließenden, öffentlichen Hearing vor einer internationalen Jury.

Leadprojekte stärken die wissenschaftliche Profilbildung an der TU Graz und entwickeln bestehende, herausragende Spitzenforschungsbereiche weiter.

2016 findet die nächste Ausschreibung statt.

Bildquelle: Baustädter – TU Graz

Das Projekt „Verlässlichkeit im Internet der Dinge“

Das Forschungsprojekt Dependable Internet of Things in Adverse Environments“ (Verlässlichkeit im Internet der Dinge) der TU Graz ist in 4 Teilprojekte gegliedert.

Römer beschreibt den Vorteil der interdisziplinären Zusammenarbeit: Die Forscherinnen und Forscher arbeiten dabei disziplinübergreifend in den Teilprojekten zusammen. Gerade durch das gemeinsame Betrachten eines Problems aus verschiedenen disziplinären Blickwinkeln sollen hier neue, kreative Lösungen entstehen.

Teilprojekt A

Verlässliche Drahtloskommunikation und Lokalisierung:
Hier werden Methoden erforscht, um beweisbare Garantien bezüglich Häufigkeit von Nachrichtenverlusten, Verzögerungen und der Genauigkeit von Positionsbestimmungen zu geben.

Teilprojekt B

Sichere Echtzeitsoftwareausführung: 
Hier werden Methoden erforscht, um Software vor physischen Attacken zu schützen und die rechtzeitige Bearbeitung von Eingaben sicherzustellen.

Teilprojekt C

Verlässliche Komposition von mehreren Smarten Dingen zu einem Gesamtsystem:
Hier werden Methoden erforscht, um die Verlässlichkeit einer Gruppe interagierender smarter Dinge zu ermitteln und zu erhöhen.

Teilprojekt D

Verlässliche vernetzte Regelung: 
Hier werden Methoden entwickelt, um trotz Nachrichtenverlust und Verzögerungen im Internet der Dinge verlässlich Prozesse steuern und regeln zu können.

Wissenschaftliches Ziel

Das wissenschaftliche Ziel ist die Entwicklung von Konzepten, Methoden und Werkzeugen für den systematischen Entwurf eines Internets der Dinge, das auch unter den schwierigsten Bedingungen absolut zuverlässig arbeitet:

Um dieses Ziel zu erreichen, erarbeiten die Forschenden ein tiefgreifendes Verständnis für die Umgebungseinflüsse und integrieren dieses Wissen in die Geräte, sodass diese ihr Verhalten intelligent an Störungen aus der Umgebung anpassen. Dazu entwickeln sie lernende Modelle der Realität, die auch gefährliche Situationen wahrnehmen können. In Notfällen koppelt sich das bedrohte Gerät vom Gesamtsystem ab und kann dadurch die Gefahr in Grenzen halten.

Die Forschenden des Projektkonsortiums der TU Graz haben bereits in der Vergangenheit an Teilaspekten des Internets der Dinge gearbeitet. Neu ist aber, dass nicht nur einzelne Aspekte betrachtet werden, sondern das große Ganze und alle möglichen Wechselwirkungen der Systemkomponenten untereinander.

Ziele im Detail

  • Als Hauptziel soll die Verlässlichkeit des Internets der Dinge erhöht werden.
  • Es soll auch möglich werden, beweisbare Garantien bezüglich der Verlässlichkeit zu geben.
  • Die in einer realen Umgebung zu erwartende Verlässlichkeit soll ferner vorhersagbar werden, um vorab bewerten zu können, ob eine bestimmte Anwendung den Verlässlichkeitsanforderungen genügen wird.

Fokus: Smart Cars

Besonderer Fokus wird auf den Anwendungsbereich der vernetzten Fahrzeuge gelegt, die untereinander kommunizieren und ihr Fahrverhalten abstimmen. Momentan wird ein Labor aufgebaut, in dem mit Modell-Lkws verschiedene Szenarien durchgespielt werden können.

Im sogenannten Platooning fahren die Lastkraftwaten beispielsweise selbstständig in exakt berechnetem Abstand hintereinander her – nur im ersten Fahrerhäuschen sitzt tatsächlich ein Mensch am Steuer, ansonsten kommunizieren die Fahrzeuge miteinander und steuern Fahrrichtung und Geschwindigkeit selbst. Nun werden gezielt Störungen (zum Beispiel hoher Funkverkehr) herbeigeführt, wobei im Idealfall das Verhalten der Fahrzeuge nicht negativ beeinflusst werden darf.

Bildquelle: Baustädter – TU Graz
Bildquelle: Baustädter – TU Graz

Zusammenarbeit macht erfolgreich

Um die Forschungsziele zu erreichen, kooperieren Forschende im Projekt Dependable Internet of Things in Adverse Environments“ (Verlässlichkeit im Internet der Dinge) im Field of Expertise „Information, Communication & Computing“ der TU Graz mit internationalen Forschungspartnerinnen und -partnern. So ist am Projekt neben den 10 Grazer Key-Researchern ein internationales Advisory Board von 5 Experten renommierter Universitäten weltweit in beratender Funktion beteiligt.

Projektkonsortium

Wissenschafter der Fakultät für Informatik und Biomedizinische Technik sowie der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik engagieren sich im Projekt als Key-Researcher:

  • Prof. Kay Römer, Projektleiter
  • Prof. Roderick Bloem, stellvertretender Leiter
  • Ao. Prof. Bernhard Aichernig 
  • Prof. Marcel Baunach 
  • Prof. Wolfgang Bösch 
  • Prof. Martin Horn 
  • Prof. Gernot Kubin 
  • Prof. Stefan Mangard 
  • Assoc. Prof. Franz Pernkopf 
  • Assoc. Prof. Klaus Witrisal

Advisory Board mit 5 Experten renommierter Universitäten

  • Karl Henrik Johansson, KTH Stockholm – Networked control
  • Kim G. Larsen, Aalborg University – Real-time modeling & verification
  • Bart Preneel, KU Leuven – Security
  • Dominique Schreurs, KU Leuven – Wireless
  • Lothar Thiele, ETH Zurich – Dependable computing

Kooperationen mit folgenden Universitäten

  • École polytechnique fédérale de Lausanne, Schweiz
  • ETH Zürich, Schweiz
  • Massachusetts Institute of Technology, USA
  • McMaster University, Kanada
  • Rice University, USA
  • Rutgers University, New Jersey, USA
  • Technische Universität Darmstadt, Deutschland
  • Technische Universität Dortmund, Deutschland
  • Technische Universität München, Deutschland
  • University of Washington, USA
  • University of Valencia, Spanien