visIT 1 2007 - Fraunhofer IOSB - Fraunhofer
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vis IT Fraunhofer [S i c h e r h e i t ] Essay – Integrierte Sicherheit AMFIS - Aufklärung im Verbund SOBCAH – Überwachung von Grenzen, Küsten und Häfen AMROS – Autonome multisensorielle Roboter SAR-Tutor – Auswertung von Radarbildern Aufklärungsbedarfskarten am »Digitalen Lagetisch« 1/2007 www.iitb.fraunhofer.de ISSN 1616-8240 Impressum Inhalt Essay Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Jürgen Beyerer Redaktion Sibylle Wirth Layout und graphische Bearbeitung Christine Spalek Seite 4 Druck Engelhardt und Bauer Karlsruhe Themen Anschrift der Redaktion Fraunhofer-Institut Informations- und Datenverarbeitung IITB Seite 6 AMFIS: Aufklärung mit mobilen und ortsfesten Sensoren im Verbund Sandro Leuchter Seite 8 SOBCAH – Surveillance of Borders, Coastlines and Harbours Barbara Essendorfer Seite 10 AMROS Ein autonomes mobiles Robotersystem zur multisensoriellen Überwachung von Liegenschaften Thomas Müller, Christian W. Frey Seite 12 SAR-Tutor – Computerunterstützte Ausbildung für die Auswertung von Radarbildern Wolfgang Roller Seite 14 Aufklärungsbedarfskarten am »Digitalen Lagetisch« Susanne Eckel Fraunhoferstr. 1 76131 Karlsruhe Telefon: +49 (0) 7 21 / 60 91-3 00 Fax: +49 (0) 7 21 / 60 91-4 13 [email protected] © Fraunhofer IITB Karlsruhe 2007 ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. München Integrierte Sicherheit Gunther P. Grasemann 8. Jahrgang ISSN 1616-8240 Bildnachweis Deckblatt, Personen Fotos indigio Werbefotografie Seite 4 Ingram Image Library Fraunhofer IITB Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vollständiger Quellenangabe und nach Rücksprache mit der Redaktion. Belegexemplare werden erbeten. vis IT 1/2007 2 Editorial Liebe Freunde des IITB, Nach einem Bonmot von Louis Pasteur begünstigt das Glück den vorbereitenden Geist. Wir streben alle nach Sicherheit und wissen doch, dass wir Risiken in Kauf nehmen und damit immer ein wenig auf unser Glück hoffen müssen. Der vorbereitende Geist bedient sich dabei auch der Fülle technischer Möglichkeiten, Risiken zu mindern. Dabei sind Offenheit für ambitionierte technische Lösungen gepaart mit dem rechten Augenmaß für deren Verwendung gefordert. Die Ihnen vorliegende Ausgabe unseres Institutsmagazins visIT möge Ihnen zeigen, dass sich die Forscher des Fraunhofer IITB mit wissenschaftlicher Leidenschaft und gesellschaftlicher Verantwortung dem drängenden Thema der Sicherheit stellen. Videoüberwachung integriert in ein Gesamtkonzept mit dem Prinzip »weg vom Bild«, so dass Menschen die Daten von Überwachungskameras nur noch dann zu sehen bekommen, wenn automatische Auswertungsverfahren einen Alarm gegeben haben: das ist der Kern des Essays »Integrierte Sicherheit«, mit dem Dr. Gunther Grasemann den Bogen der folgenden Aufsätze einleitet. Beispiel für ein solches System ist die Integrationsplattform AMFIS, das Ihnen Herr Sandro Leuchter ab Seite 6 vorstellt. Unterschiedlichste Sensoren und Trägerplattformen, von Bewegungsmeldern am Zaun über Minihubschrauber mit Infrarotaugen bis zu einem Überwachungsballon mit Videokamera wird ein System bereitgestellt, das flexibel auf Überwachungsaufgaben in einer Liegenschaft konfigurierbar ist. Im großräumigen Maßstab zeigt der Bericht über das Projekt SOBCAH, welche Technologie die europäische Union fördert, um in Zukunft die Unversehrheit ihrer 72 000 km langen Außengrenze zu Lande und zu Wasser gegen unbefugtes Eindringen sichert. Frau Barbara Essendorfer informiert Sie ab Seite 8, wie für solche Sicherungsaufgaben ein Konzert von Sensoren orchestriert und in ihrem Zusammenspiel experimentell überprüft wird - im Sommer dieses Jahres mit einem Großversuch im Hafen von Genua. Gilt es bei AMFIS noch, viele Sensorträger mit jeweils nur wenigen Sensoren koordiniert einzusetzen, zeigen Ihnen Herr Dr.-Ing. Thomas Müller und Herr Christian Frey mit dem Projekt AMROS ab S. 10, wie vielfältige Sensoren kompakt auf einem fahrenden Miniroboter zu integrieren sind. Ein solcher Roboter führt autonom Inspektions- und Überwachungsaufgaben, vornehmlich innerhalb großer Gebäude, aber auch in deren unmittelbarer Außenumgebung durch. Bilder von gewöhnlichen Videokameras sind von Menschen relativ leicht zu interpretieren. Umfassende Sicherheit erfordert jedoch den scharfen Blick bei Tag und Nacht und ungestört vom Wetter. Hier bietet sich das abbildende Radar (SAR) an, das besonders in der Flugzeug- und Satellitengestützten Aufklärung immer häufiger eingesetzt wird. Um Sicherheitskräfte für die Interpretation solcher ungewohnter Bilder zu schulen und in Übung zu halten, wurde vom IITB die Ausbildungssoftware »SARTutor« entwickelt, die Ihnen Herr Wolfgang Roller ab S. 12 vorstellt. Je mehr Sensoren und Sensorträger zur Überwachung eingesetzt werden, desto schwieriger ist es, den Überblick zu behalten und die sensorischen Ressourcen ökonomisch effizient zu nutzen. Ein solches Sensormanagement muß sich sprichwörtlich von den Bäumen lösen und den Wald in den Blick nehmen. Frau Susanne Eckel führt Sie abschließend mit Ihrem Aufsatz über die Aufklärungsbedarfskarten in eine neue Sicht auf die Aufklärungs- und Überwachungsprozesse ein. Karlsruhe, im April 2007 Jürgen Beyerer 3 vis IT 1/2007 Jürgen Beyerer Essay Integrierte Sicherheit diese Technologie heute aber immer noch rasch an Grenzen. Denn auf Grund fehlender Kooperation von Insellösungen kann keine optimale Detektion und Charakterisierung der Lage und dementsprechend keine geeignete und weitgehend automatisierte Reaktion erfolgen. K O N TA K T Sicherheit gibt es nicht – soviel ist sicher. Sicherheit ist ein Idealbild, die Vorstellung dass zu keinem Zeitpunkt irgendwo etwas Gefährliches passieren kann. Das ist ebenso wenig realistisch wie wünschenswert. Was man erreichen kann und so gut wie möglich sollte, ist ein umfassender Schutz vor Bedrohungen und ein weitestgehendes Abmildern der Folgen, wenn ein Unfall, ein Verbrechen oder eine Naturkatastrophe nicht verhindert werden konnte. Dass dies gleichermaßen für zufällig entstandene Bedrohungslagen gilt wie für solche, die absichtlich herbeigeführt wurden, liegt in erster Linie daran, dass es nach dem Eintreten der Bedrohungslage kaum noch eine Rolle spielt, aus welchem Grund sie entstanden ist. Dr. Gunther P. Grasemann Interaktive Analyse und Diagnose Fraunhofer IITB Karlsruhe Telefon:07 21/60 91-4 41 [email protected] www.iitb.fraunhofer.de/IAD Die heutige Technologie der Sensoren, Rechenleistung und Telekommunikation hat einen Stand erreicht, der bereits an vielen Stellen eine schnelle Detektion von Gefahren, eine rasche Meldung und zeitnahe Reaktion und damit oft eine Verhinderung oder zumindest Abmilderung von Folgen ermöglicht. In komplexen Gefährdungslagen stößt vis IT 1/2007 4 Gefährdete Gebäude und Liegenschaften, bei denen dies anzutreffen ist, sind beispielsweise alle großen öffentlichen Gebäude, in denen sich viele Menschen aufhalten (wie Flughäfen, Bahnhöfe und öffentliche Plätze), aber auch temporäre Ansammlungen wie bei großen Sportveranstaltungen (z. B. Tour de France) und politischen Kundgebungen (z. B. Castor-Transport). Die Reihe von Beispielen, bei denen es auf Grund mangelnder Funktionalität der Schutzsysteme zu schlimmen Folgen kam, ist leider sehr lang. Die Fraunhofer-Gesellschaft hat sich im Rahmen ihres Verbunds für Verteidigungs- und Sicherheitsforschung (VVS) zum Ziel gesetzt, die Entwicklung von integrierten Schutzsystemen voranzutreiben. Das IITB übernimmt dabei die Aufgabe, die Sensorik, Entscheidungsfindung und Aktorik im Rahmen einer informationstechnischen Referenzarchitektur optimal zu verbinden und zur Entfaltung zu bringen. Für die Erkennung von Gefahrsituationen wird eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren eingesetzt. Ereignisgesteuerter Arbeitsablauf in einer Leitstelle. Die größte Bedeutung hat dabei die Videotechnik. Sie ist jedoch nicht unproblematisch, was die Persönlichkeitsrechte und den Datenschutz betrifft. Gerade deshalb ist eine weitestgehend automatische Auswertung der Bilder erforderlich, damit im Normalfall niemand diese Bilder zu sehen bekommt, sondern nur in automatisch detektierten Ausnahmesituationen. Die einer erweiterten Videoüberwachung entgegengebrachte Akzeptanz in der Öffentlichkeit wird entscheidend davon abhängen, wie groß das Vertrauen in die Wahrung der Persönlichkeitsrechte und der Privatheit ist (»weg vom Bild«). Entscheidend ist dabei eine aufgabenorientierte Informationsverdichtung von den Daten der einzelnen Sensoren bis hin zum aggregierten Lagebild, unterstützt durch vielfältige automatische und interaktive Assistenten. Die Umsetzung dieser komplexen und sich ständig wandelnden Aufgabe kann nur mit Hilfe einer variablen und leicht konfigurierbaren Systemarchitektur bewältigt werden. Eine webbasierte service-orientierte Dienstearchitektur bietet sich deshalb an, weil auf diese Weise neu hinzukommende Sensoren weitestgehend automatisch integriert werden können (»plug & protect«). Um die Vielzahl von zur Verfügung stehenden Sensoren zielgerichtet einzusetzen, ist eine Integration in ein komplexes Gesamtsystem zwingend erforderlich, damit eine zeitnahe und umfassende Analyse der aktuellen Gefährdungslage auf der Basis aller zur Verfügung stehenden Informationen durchgeführt werden kann. Hierfür müssen effiziente Schnittstellen zwischen den Informationsquellen und den analysierenden und bewertenden Stellen geschaffen werden. Von zentraler Bedeutung bei der Konzeption von Schutzsystemen sind die Interaktionskomponenten zur Bedienung durch die Anwender. Im Mittelpunkt steht dabei der oben schematisch dargestellte Prozess. Angestoßen durch ein detektiertes Ereignis wird zyklisch geprüft, welche Informationen noch zu beschaffen sind, welche Gegenmaßnahmen zu ergreifen sind und wie diese Maßnahmen ihre Wirkung entfalten konnten. Die Plattformen für die Interaktionskomponenten reichen von einer detallierten Darstellung am großen Lagetisch (siehe Beitrag S. 14) bis hin zum kondensierten »summary executive view« auf dem Notebook oder PDA. Im Rahmen des derzeit im Aufbau befindlichen Innovationsclusters »Future Security Baden-Württemberg1« wird das IITB an einer Reihe von sicherheitstechnischen Verbundprojekten teilhaben und hier die oben skizzierten Inhalte einbringen. Flankiert durch eine Innovationspartnerschaft mit dem Innenministerium des Landes sowie einem Kooperationsvertrag mit dem LKA erfolgt dies in enger Abstimmung mit den künftigen Nutzern der entstehenden Systeme. Aktuell entsteht am IITB ein videobasiertes Referenzüberwachungssystem am Beispiel der eigenen Liegenschaft. 1 Die Fraunhofer-Gesellschaft hat das Instrument des Innovationsclusters geschaffen, um schnell und ergebnisorientiert optimale Projektkonsortien aus FhI, Hochschulinstituten, Industrieunternehmen und Nutzern zusammenzustellen und in ihrer Arbeit zu unterstützen. 5 vis IT 1/2007 Themen AMFIS: Aufklärung mit mobilen und ortsfest Integrationsplattform für Sensorik im Nahbereich K O N TA K T Das Fraunhofer IITB betreibt eine Reihe von unterschiedlichen Sensoren auf mobilen und ortsfesten Plattformen für Aufklärung und Überwachung wie z. B. unterschiedliche Quadrocopter (fliegende Drohnen mit vier Rotoren, Fluglagekontrolle und Steuerung werden durch die Änderung der Drehgeschwindigkeit dieser Rotoren bewirkt), einen heliumgefüllten Ballon, ein Blimp, ad hoc verknüpfte Funk-Sensornetze, unterschiedliche Webcams und in Zukunft auch mobile Land- und Unterwasserroboter. Dipl.-Inform. Sandro Leuchter Interoperabilität und Assistenzsysteme Fraunhofer IITB Karlsruhe Telefon: 07 21 / 60 91-4 24 [email protected] www.iitb.fraunhofer.de/IAS Die Herausforderung für die Forschung und Entwicklung ist, diese einzelnen Sensordatenquellen in einen Verbund zu integrieren, der eine gemeinsame Planung und Steuerung der Einzelsensoren erlaubt und mit dem durch Fusion eine Effektivitätssteigerung bei der Aufgabenbearbeitung erreicht werden kann. Das AMFIS System des Fraunhofer IITB ist eine Integrationsplattform, mit der sich Systemkomponenten und Algorithmen verbinden lassen. Zu den konkreten Aufgaben, die mit dem AMFIS System bearbeitet werden können, gehören die Überwachung von Szenen und Wegen, die Detektion, Lokalisierung und Identifikation von vis IT 1/2007 6 Personen und Fahrzeugen, Feststellung und Klassifikation auffälligen Verhaltens von Personen oder Fahrzeugen sowie die Beweissicherung. Das System ist generisch konzipiert und kann an unterschiedliche Einsatzszenarien angepasst werden. Denkbar sind die Aufklärung im urbanen Umfeld, oder Konvoibegleitung, aber auch Innenraumüberwachung wie z. B. in Messehallen oder bei Konferenzen. Damit die Anwender nicht aufwändig in der Steuerung der Quadrocopter geschult werden müssen ist eine einfache Bedienbarkeit der Geräte zwingend. Konkret verfügt deshalb der Quadrocopter z. B. über eine teil-autonome Navigation. Der gewünschte Flugweg wird als Trajektorie in einer AMFIS-eigenen GIS-Anwendung geplant, welche der Quadrocopter dann autonom abfliegt. Der Bediener kann im Bedarfsfall die Steuerung jederzeit übernehmen. en Sensoren im Verbund grundlage für die folgenden Entscheidungen. Parallel dazu wird ein Quadrocopter, ausgerüstet mit einem geeigneten Videosensor, gestartet, um über ein flexibles Beobachtungsmittel am Ort des Geschehens zu verfügen. Das AMFIS System ist mobil, d. h. es kann ohne großen Aufwand an einen Einsatzort gebracht und dort in Betrieb genommen werden, wo es als Ergänzung zu vorhandenen stationären Überwachungssystemen dient. Die Sensorträger des multisensoriellen Systems können zu unterschiedlichen Konfigurationen kombiniert werden, um jeweils spezielle Aufgaben zu erfüllen. Gegenwärtig werden optische Sensorik (infrarot, visuell) und Alarmmelder (PIR, akustisch) unterstützt, chemische Sensoren sollen in der Zukunft angebunden werden. Zur Integration der Sensorträger und zur Anbindung an eine übergeordnete Leitstelle dient eine Bodenkontrollstation. Der aktuelle Demonstrator ist für die Sicherung gegen unbefugtes Eindringen einer ausgedehnten, sicherheitskritischen Liegenschaft ausgelegt. Die Aufgabe beginnt mit der Detektion des Eindringlings, der durch Bewegungsdetektoren eines Sensornetzes an der Außengrenze des Geländes festgestellt werden kann. Verschiedene, fest installierte, Überwachungskameras – die über die Bodenkontrollstation gesteuert werden – dienen zur Klassifikation des Ereignisses und bilden eine Informations- Eine Analyse der Anforderungen aus diesem und ähnlichen Szenarien hat ergeben, dass zwei Operateure zur Aufgabenbearbeitung erforderlich sind. Einer der beiden Operateure ist ausschließlich für die Steuerung und Kontrolle der mobilen Sensorplattformen zuständig (gegenwärtig eine Plattform einzeln, Konzepte für die gleichzeitige Benutzung mehrerer Sensorplattformen – durch teilautonomen Flug – werden gegenwärtig entwickelt). Der andere Operateur ist für die Auswertung der Sensordatenströme und die Kommunikation mit der Einsatzleitstelle verantwortlich. Für die Zukunft sind vernetzte Schwärme von solchen Flugaufklärern denkbar, die mit mobilen Bodenrobotereinheiten (wie dem System AMROS) kooperieren. Sensor Platforms and Sensory Operation control centre 7 vis IT 1/2007 Themen SOBCAH – Surveillance of Borders, Coastlin Konzeption eines integrierten Grenzüberwachungssyst Mit dem Jahresbeginn 2007 ist die EU auf 27 Mitgliedsstaaten angewachsen. Die Außengrenzen erstrecken sich nun auf über 60.000 km See- und 12.000 km Landesgrenzen. K O N TA K T Diese verlaufen oft in nicht erschlossenem, kaum zugänglichem Gelände. Warenschmuggel, illegaler Grenzübertritt und kriminelle Operationen sind schwer zu überwachen. Barbara Essendorfer, M.A. Sicherheitskritische Bereiche wurden in der Vergangenheit meist ausschließlich unter Safety-Aspekten1 betrachtet. Beispielsweise gibt es im Bereich von Häfen zwar Systeme um ankommende Schiffe zu orten, allerdings liegt deren Fokus auf der Vermeidung von Kollisionen und sicherheitsgefährdenden Handlungen (z. B. Navigieren in flachem Gewässer) sowie der geregelten Abwicklung des Be- und Entladens. Abb. 1: EU-27 (aus CIA Factbook (https://www.cia.gov/cia/publications/factbook/geos/ee.html)). Interoperabilität und Assistenzsysteme Fraunhofer IITB Karlsruhe Telefon: 07 21/60 91-5 96 [email protected] www.iitb.fraunhofer.de/IAS 1 Security: Schutz vor zielgerichteten und böswilligen Angriffen von innen und außen. Safety: Technisches und menschliches Versagen (Systemausfälle, Bedienungsfehler etc.) vis IT 1/2007 8 nes and Harbours ems für die EU Werden Grenzen und kritische Bereiche zielgerichtet attackiert oder infiltriert (Security-Aspekte) ändert sich der Blickwinkel: 1. Ein zielgerichteter Angriff wird geplant. Vorbereitende Handlungen, die lange vorher, außerhalb des eigenen Beobachtungsbereichs erfolgen können, und scheinbar unzusammenhängende Tätigkeiten müssen in Relation gebracht werden. 2. Auch verteilte Informationen und Informationsquellen (Intelligence Data) sind von Interesse. Die Bestimmung und Auswertung von »typischen« Handlungsmustern muss gewährleistet werden. 3. Kritische Bereiche müssen neu definiert werden: Unter Safety-Aspekten liegt der Fokus auf dem reibungslosen Betriebsablauf, unter SecurityAspekten sind vor allem Bereiche kritisch, in denen durch gezielte Angriffe hoher (ökonomischer) Schaden entstehen kann. Zusätzlich müssen »blinde« Bereiche, also solche mit geringer Überwachung, miteinbezogen werden um Schmuggel und Menschenhandel zu unterbinden. Im Bereich der Überwachung haben Nutzer und Anbieter bisher auf unabhängige isolierte Systeme und proprietäre Datenformate gesetzt. Daten und Informationen werden häufig nicht gespeichert, kombiniert und an benachbarte Überwachungseinheiten weitergegeben. So können Systeme zur Bewertung auffälliger Objekte nicht selbständig auf Daten aus anderen Einheiten zugreifen. Folglich ist derzeit grenz- und zeitübergreifende Überwachung kaum möglich. Das Projekt SOBCAH (Surveillance of Borders, Coastlines and Harbours) ist Teil der PASR (Preparatory Action in the field of Security Research) Aktivitäten 2005. Vertreter von Firmen, Forschungsinstituten und Anwendern aus 11 europäischen Nationen bearbeiten oben genannte Herausforderungen. Es wird untersucht, wie vorhandene Sicherheitssysteme mit innovativen Technologien kombiniert werden können um zu einem verbesserten Lagebewusstsein (Situation Awareness) zu gelangen. Der besondere Fokus des Projektes liegt auf der Verteilung und Fusion von (Sensor-)Daten und Informationen. Um relevante Informationen (mit)teilen zu können, müssen die Schnittstellen standardisiert, ein Zugriffsmechanismus auf alle relevanten Daten definiert und Informationen anforderungsgerecht aufbereitet werden. Neben der Entwicklung eines Gesamtkonzepts zur Grenzüberwachung werden die zentralen Elemente anhand eines Demonstrators dargestellt. Dabei werden in einem Teil des Hafens von Genua Sensorik wie Kameras, Sonar, Radar, Bewegungsmelder und Containerüberwachungssysteme mit im Hafen fest installierter Technik (CCTV, Radar) kombiniert und die aggregierten Daten und Informationen verteilt. Das IITB entwickelt die Architektur des Gesamtsystems (Abb. 2), stellt die Funktionalitäten zum Datenmanagement (Speicherung, Verteilung, Filter) sowie das ad-hoc Sensornetz aus dem Projekt Amfis (Beitrag S. 6) zur Verfügung. Konzepte aus wehrtechnischen Vorhaben konnten hier verwendet werden (»dual use«). Des weiteren werden Algorithmen und Verfahren zur Verarbeitung von Bildfolgen integriert, welche einerseits von eigenen Kameras gewonnen, andererseits von anderen Partnern über den Datenspeicher abgerufen werden. Externe Partner stellen weitere Sensorik zur Verfügung, die Gesamtleitung liegt bei Galileo Avionica (I). Aufbauend auf Erfahrungen aus dem Projekt SOBCAH sollen weitere Projekte mit dem Schwerpunkt »Situational Awareness« im Bereich der zivilen Sicherheit aquiriert werden. Abb. 2: Grobdarstellung der SOBCAH Architektur. 9 vis IT 1/2007 Themen AMROS K O N TA K T K O N TA K T Ein autonomes mobiles Robotersystem zur multisensor Dr.-Ing. Thomas Müller Autonome Systeme und Maschinensehen Fraunhofer IITB Karlsruhe Telefon: 07 21 / 60 91-4 58 [email protected] www.iitb.fraunhofer.de/ASM Die Sicherung von gefährdeten öffentlichen und industriellen Liegenschaften, wie z. B. Kraft- oder Wasserwerke aber auch Verkehrsknotenpunkte wie Bahnhöfe und Flughäfen, wird angesichts einer steigenden Unberechenbarkeit krimineller Aktivitäten immer schwieriger. Die Fähigkeit, flexibel und schnell neue Bedrohungserkenntnisse zu gewinnen, ist von ausschlaggebender Bedeutung. Multisensoriell operierende Inspektionsroboter können hierzu einen entscheidenden Beitrag leisten. Effizient und zuverlässig sind sie in der Lage, weitgehend autonom zu patrouillieren, verdächtige Situationen automatisch zu detektieren, zu diagnostizieren und geeignete Sicherungsmaßnahmen auszuführen. Dipl.-Ing. Christian W. Frey Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme Fraunhofer IITB Karlsruhe Während für die Inspektion der überwiegend klar strukturierten IndoorBereiche bereits leistungsfähige Robotersysteme am Markt zur Verfügung stehen, besteht noch erheblicher Entwicklungs- Telefon: 07 21 / 60 91-3 32 [email protected] www.iitb.fraunhofer.de/MRD vis IT 1/2007 10 iellen Überwachung von Liegenschaften bedarf für die autonome multisensorielle Überwachung des weitaus komplexeren, stark variierenden Outdoor-Umfeldes. Hier dominieren nach wie vor stationäre TV-basierte Technologien, die in verdeckten Objektbereichen wenig wirksam sind. Am Fraunhofer IITB wird in diesem Zusammenhang eine Entwicklungs- und Demonstrationsplattform zur roboterbasierten Sicherheitsüberwachung gegenüber vorsätzlichen Bedrohungen (Security) oder zufälligen Gefährdungen (Safety) für den In- und Outdoorbereich privater, industrieller und öffentlicher Gebäude und Anlagen entwickelt. Mit dem AMROS-System (Autonomous Multisensoric Robots for Security Applications) soll einerseits die rasche Entwicklung und prototypische Erprobung von innovativen Konzepten von Hard- und Softwarekomponenten ermöglicht werden (Fast Prototyping), andererseits soll die Plattform als Entwicklungsgrundlage dienen, mit deren Hilfe vorhandene Lösungskonzepte auf gefahrenspezifische Aufgabenstellungen adaptiert und demonstriert werden können. AMROS ist ein Gemeinschaftsprojekt der Abteilungen MRD (Navigationsund Missionsplanung) und ASM (bildgestützte Überwachung, Objektdetektion, Tracking). system ermöglicht die Hinderniserkennung in unstrukturierter Umgebung. Die Übertragung der Videoströme zur externen Auswertestation erfolgt über Videodigitalfunk (OCFDM) und / oder WLAN-Übertragung. In der ersten Entwicklungsstufe der Bildauswertekomponenten wurden Verfahren zur Navigations- und Inspektionsunterstützung integriert (u. a. m3motion-Bildstabilisierung, Bildteppichgenerierung zur Umgebungserfassung, Bewegungsdetektion). Hier spielt insbesondere die m3motion-Bewegungsdetektion eine wichtige Rolle, um bewegte Objekte auch während der Roboterfahrt robust detektieren zu können. Darauf bauen die zentralen Bildauswertungsfunktionen des AMROS-Systems auf, d. h. eine Objektbewegungserkennung und -verfolgung sowie eine Änderungsdetektion zur Erkennung von z. B. offenen Türen bzw. Fenstern oder von platzierten, potentiell gefährlichen oder auf Gefahren hindeutenden Gegenständen. Um eine robuste Lokalisierung, Navigation (SLAM) und Bahnplanung der mobilen Roboter zu gewährleisten, sind diese neben den herkömmlichen, relativ messenden Positionssensoren (Odometriesensoren, Gyro und 2-D / 3-D Laserscanner) zusätzlich mit absolut messender Sensorik, wie GPS und Kompass, ausgestattet. Durch Fusion dieser heterogenen Sensordaten mittels Kalmanfilter- und Partikelfilterverfahren wird eine sehr leistungsfähige Lokalisierung und somit eine zuverlässige Navigation und Bahnberechnung ermöglicht. Zur flexiblen Steuerung und Koordination der roboterbasierten Überwachung wurde am IITB ein bedienerfreundliches Leitsystem entwickelt, welches eine intuitive graphische Eingabe von Roboterpatrouillen ermöglicht sowie eine effektive Kooperation von mehreren Robotern bei Überwachungsmissionen gewährleistet. Um als Entwicklungsumgebung vielfältige Aufgaben abdecken zu können, wird die AMROS-Plattform mit einer Vielzahl an Sensoren ausgestattet. Für die Bildauswertung decken NIR-, IR-, UVund Videokameras einen breiten Spektralbereich ab und ein Stereokamera- 11 vis IT 1/2007 Themen SAR-Tutor – Computerunterstützte Ausbild Mit dem Start des ersten SAR-Lupe Satelliten am 19.12.2006 wird Deutschland in die Lage versetzt, Aufklärungsinformationen von nahezu jedem Ort der Erde und zu jeder Tageszeit zu erhalten. Im Vollausbau werden fünf Satelliten Radardaten zur Bodenstation in Gelsdorf senden, wo ein Team von Auswerteexperten relevante Informationen aus den Bilddaten extrahiert. Weltweite Aufklärung K O N TA K T Internationaler Terrorismus, organisierte Kriminalität, die Weiterverbreitung von Massenvernichtungswaffen und Trägermitteln sowie die Folgen auch weit entfernter regionaler Krisen und Konflikte beeinträchtigen zunehmend die Sicherheit Deutschlands sowie der anderen Mitgliedstaaten von NATO und EU. Dipl.-Phys. Wolfgang Roller Interoperabilität und Assistenzsyssteme Fraunhofer IITB Karlsruhe Telefon: 07 21 / 60 91-2 47 [email protected] www.iitb.fraunhofer.de/IAS Das Aufgabenspektrum der Bundeswehr umfasst deshalb auch die internationale Konfliktverhütung und Krisenbewältigung, einschließlich des Kampfes gegen den internationalen Terrorismus. Aufgrund der geographischen Erweiterung der möglichen Einsatzgebiete werden bisher nicht vorhandene Teilfähigkeiten der Bundeswehr wie z. B. »Weltweite Aufklärung« mit Priorität hergestellt. vis IT 1/2007 12 Allerdings unterscheidet sich die Auswertung von Radarbildern hinsichtlich der Bewertung und Analyse maßgeblich von der Auswertung von optischen Bildern. Das Synthetische Apertur Radar, kurz SAR, kann mit Hilfe elektromagnetischer Wellen selbst Bilder, welche beispielsweise bei »Nacht und Nebel« entstanden sind, interpretierbar darstellen. Wie diese SAR-Bilder zu deuten sind und welche Bildinformationen sich daraus ableiten lassen ist Teil der Ausbildung für Radarbildauswerter. Durch die Kombination von Präsenzveranstaltungen und E-Learning-Systemen, auch Blended Learning genannt, werden die Vorteile beider Lernformen optimal genutzt. Lehrgänge, bei denen der Lehrstoff in Klassenverbänden vermittelt wird, werden durch den Einsatz von E-LearningSystemen, die ein zeit- und ortsunabhängiges Lernen ermöglichen, ergänzt. ung für die Auswertung von Radarbildern SAR-Tutor Das IITB entwickelt einen SAR-Tutor, der in das Themengebiet der bildgebenden Radarsensoren einführt. Damit werden Grundlagen des Synthetischen Apertur Radars vermittelt. Auf spezielle Effekte der Abbildungsgeometrie eines Radarsystems wird eingegangen. Ausgehend von einer Lehrbuchmetapher bedient sich SAR-Tutor verschiedener Multimedia- und Hypertexttechniken zur Unterstützung des Lernprozesses. Interaktive Skizzen und Animationen bieten Raum zur Exploration der den SAR-Bildern zugrunde liegenden Eigenschaften. Übungen und Selbsttests dienen zur Festigung des Gelernten bzw. zur Feststellung des eigenen Wissensstandes. Typische an die Praxis angelehnte Bildauswerteaufgaben sind zu lösen. SAR-Tutor wurde mit Hilfe der IITB eigenen Autoren- und E-LearningUmgebung Crayons® realisiert, die wiederum auf dem Content- und Community-Management-System WebGenesis® aufsetzt. Damit ist SARTutor sowohl auf Einzelplatzrechnern als CBT (Computer Based Training) als auch im Intra- und Internet als WBT (Web Based Training) nutzbar. Glossare, Hilfe und Navigationsmöglichkeiten stehen zur Verfügung. Ergänzungen und Anpassung der Inhalte können von Autoren jederzeit durchgeführt werden. Erweiterungen hinsichtlich SCORM-Kompatibilität, nutzerangepasste Lernpfade sowie die Integration weiterer Aufgabentypen sind für die Zukunft vorgesehen. Dadurch wird die Handlungskompetenz des Radarbildauswerters als ein wichtiges Zahnrad im Getriebe der »Weltweiten Aufklärung« effizient gesteigert. SAR-Tutor wird als Teil der Radarbildauswertelehrgänge in die Bundeswehr eingeführt. Der weitere Ausbau um spezifische Lektionen erfolgt im Auftrag des BMVg/BWB. Fernausbildung Als Baustein eines umfassenden Fernausbildungskonzepts für die Radarbildauswertung lässt sich SAR-Tutor sowohl zur Vor- und Nachbereitung als auch zur Unterstützung während eines Radarbildauswertelehrgangs nutzen. Weitere Dienste wie moderierte Themenforen, Veranstaltungs- / Terminkalender, Online-Formulare, Bestell- und Benachrichtigungsdienste erlauben eine optimale Betreuung durch Tele-Tutoren. 13 vis IT 1/2007 Themen Aufklärungsbedarfskarten am »Digitalen Am 15. April 2007 starteten »RecceTornados« der Bundesluftwaffe im Auftrag der Nato zu ihrem ersten Bildaufklärungsflug über Afghanistan. K O N TA K T Dem Start eines Aufklärungsflugzeugs geht ein aufwändiger Planungsprozess voraus, in dem der Informationsbedarf der militärischen Führung mit dem Potenzial der Aufklärungskräfte zur Deckung gebracht werden muss. Die Tornados der Bundeswehr sind nur ein Teil dieses Aufklärungspotenzials, das durch Fortschritte in der Sensor- und Datenübertragungstechnologie einer- seits und andererseits durch die internationale militärische Zusammenarbeit immer umfangreicher und vielfältiger wird. Damit steigt die Komplexität des Planungsprozesses steil an, da es gilt, die vielen und unterschiedlichen Ressourcen – von der Videokamera bis zum Radarbildsensor, von der unbemannten Kleindrohne bis zum Recce-Tornado oder sogar zum Aufklärungssatelliten – optimal aufeinander abzustimmen. Im Projekt »Generische Konzepte Multisensor« wird im Auftrag des Bundesministeriums der Verteidigung (BMVg) Dipl.-Math. Susanne Eckel Interaktive Analyse und Diagnose Fraunhofer IITB Karlsruhe Telefon: 07 21 / 60 91-5 43 [email protected] www.iitb.fraunhofer.de/IAD Legende: Relevanz: hohe Relevanz Aktualität am Beispiel der hohen Relevanz: aktuelle Information mittlere Relevanz weniger aktuelle Information niedrige Relevanz veraltete / keine Information Abb.1: Aufklärungsbedarfskarte aus einem Beispielszenario. Zu Gebiet 1 wurden zum ersten Zeitpunkt, zu Gebiet 2 und Gebiet 3 zum zweiten Zeitpunkt und zu Gebiet 4 und Gebiet 5 zum dritten Zeitpunkt Daten akquiriert. Der Schleier über den Gebieten 4 und 5 ist somit am durchlässigsten. vis IT 1/2007 14 Lagetisch« an einem formalen Modell für den Aufklärungsprozess gearbeitet, das helfen soll, diese Komplexität auch in Zukunft im Griff zu behalten. Am Beginn dieses Prozessmodells steht eine verdichtete und intuitiv zugängliche Darstellung des Aufklärungsbedarfs mittels sogenannter Aufklärungsbedarfskarten. Aufklärungsbedarfskarten vermitteln dem Anwender auf einen Blick, von welchen Gebieten zu welchem Zeitpunkt Information welcher Qualität vorliegt und wie relevant einzelne Teilgebiete im Bezug auf eine Aufgabenstellung sind. Im Umkehrschluss ermöglichen sie es somit festzustellen, in welchem Gebiet zu welchem Zeitpunkt zusätzliche Beobachtungsdaten akquiriert werden müssen. Zur Erstellung einer Aufklärungsbedarfskarte wird der allgemeine Informationsbedarf, z. B. über die Bedrohung der eigenen Kräfte, auf das geographische Interessensgebiet abgebildet. Daraus ergibt sich, dass verschiedene Regionen unterschiedliche Relevanz im Bezug auf den Informationsbedarf haben. Diejenigen Regionen, von denen die höchste Bedrohung ausgeht, besitzen auch die höchste Relevanz für die Aufklärung. Die Relevanz wird durch Überlagerung der Gebietskarte mit einem farbigen Schleier angezeigt (Abb. 1). Ein roter Schleier bedeutet hierbei, dass die Zone von hoher Relevanz für den Aufklärungsauftrag ist, gelb symbolisiert eine mittlere und grün eine niedrige Relevanz. Je jünger die Information ist, die über ein Gebiet vorliegt, desto durchlässiger wird dessen Farbschleier. Ein Abb. 2: Aufklärungsbedarfskarte, dargestellt an einem »Großen Lagetisch«. solches Gebiet ist also im wahren Sinne der Wortes »aufgeklärt«. Der Farbschleier zeigt dabei nur das Alter und den Sicherheitsgrad der Information an. Er gibt keine Auskunft darüber, was beobachtet wurde. Die Dichte des Schleiers ist somit direkt proportional zum Grad des Unwissens, das über ein Gebiet herrscht. Die Kombination von »Relevanz«, symbolisiert durch die Farben rot bis grün und »Wissensgrad«, ausgedrückt in der Dichte des Farbschleiers, gibt dem Aufklärungsplaner somit einen intuitiv zugänglichen Überblick darüber, wo gerade der höchste und wo ein eher niedriger Aufklärungsbedarf besteht. Aufklärungsbedarfskarten werden in einem Geoinformationssystem (GIS) repräsentiert und an einem digitalen Lagetisch dargestellt (Abb. 2). Sie ermöglichen somit die übersichtliche Darstellung des aktuellen Aufklärungsbedarfs für ein Planungsteam. Die weiteren Arbeiten in dem Projekt »Generische Konzepte Multisensor« widmen sich dynamischen Modellen der Bedrohungslage, mit denen der Grad des Wissens zwischen den einzelnen sensoriellen Beobachtungen fortgeschrieben werden kann. Weiterhin wird ein Modellrahmen für die Ermittlung der optimalen Sensorkombination zur Deckung des Aufklärungsbedarfs entwickelt und es werden wahrnehmungspsychologische Untersuchungen zur Optimierung der Visualisierung durchgeführt. Mit den Aufklärungsbedarfskarten wurde somit ein erster Schritt gemacht, die Effizienz der zukünftigen Aufklärung sowohl für militärische als auch zivile Sicherheitsaufgaben wesentlich zu erhöhen. 15 vis IT 1/2007 Karlsruhe Fraunhofer-Institut für Informations- und Datenverarbeitung IITB Fraunhoferstraße 1 76131 Karlsruhe Telefon: +49 (0) 7 21 / 60 91-0 Fax: +49 (0) 7 21 / 60 91-4 1 3 [email protected] www.iitb.fraunhofer.de Ilmenau Fraunhofer-Anwendungszentrum Systemtechnik AST Am Vogelherd 50 98693 Ilmenau Telefon: +49 (0) 36 77 / 4 61-1 31 Fax: +49 (0) 36 77 / 4 61-1 00 [email protected] www.ast.iitb.fraunhofer.de Beijing Representative for Production and Information Technologies Unit 0610, Landmark Tower 2 8 North Dongsanhuan Road Chaoyang District 100004 Beijing, PR China Telefon: +86 10 65900 621 Fax: +86 10 65900 619 E-Mail: [email protected]