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

Huyeng, Tim-Jonathan (2023)
Mobil-autarkes Monitoringsystem auf Basis von IoT und Open Data am Beispiel Hochwasser.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024455
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24455

Kurzbeschreibung (Abstract)

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.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Huyeng, Tim-Jonathan

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

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

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Rüppel, Prof. Dr. Uwe ; Lehmann, Prof. Dr. Boris

Publikationsjahr:

14 Dezember 2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

vii, 223 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

16 Juni 2023

DOI:

10.26083/tuprints-00024455

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24455

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

The dissertation deals with the conception and prototypical development of a mobile-autarkic monitoring system based on the Internet of Things (IoT) and open data. On the one hand, a monitoring system for measuring water levels, people and other environmental parameters based on IoT sensor technology was developed as part of the work. On the other hand, the integration of public data for a central situation picture was implemented by means of a standardisation concept.

Environmental disasters, also caused by climate change, have far-reaching effects on the population and the deployment of security forces such as the fire brigade and THW. In the event of a disaster, sensor-based information for classifying and prioritising effects and measures is of great importance for those affected and the emergency services. In rural areas in particular, there are no or only inadequate systems for this. In addition, the existing systems are dependent on other infrastructures such as mobile communications and power supply and are therefore not or only partially operational in the event of a disaster. Based on an analysis of the radio technologies, the requirements of the emergency services and the hardware requirements, a concept for a monitoring system was developed using the example of the environmental disaster of flooding.

The mobile-autarkic monitoring system (MOTARK) consists of a deployment set with customised sensor kits for temporary use during a flood and a base station. The sensor kits use innovative LoRaWAN wireless technology and IoT sensor technology to record parameters in an area without dependence on existing infrastructure. The recorded data is transmitted from the sensors to the emergency services via a base station. This data can then also be viewed by the public. In addition to the development of the hardware components, the entire required software stack and the necessary interfaces were also developed. The system was tested in laboratory and field trials for its operational capability in terms of measurement accuracy and flood suitability. In addition to the monitoring system, a concept was developed for simple data integration via the SensorThings API standard. The concept called EZSTA makes it possible to convert public data interfaces into the format of the SensorThings API using configuration files that can be created automatically. The data can then be integrated into other applications with an STA interface via a service.

The information from the monitoring system and public data is merged in a web application and is available to emergency services, crisis teams and the public. The focus is on warnings and a clear and easy-to-understand presentation of the situation. The work shows that by combining mobile IoT technology, autonomous and innovative radio technology and the integration of public data, a powerful, cost-effective and comprehensive monitoring system for flood operations can support the emergency services in assessing the situation.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-244553

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institut für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen

Hinterlegungsdatum:

14 Dez 2023 13:26

Letzte Änderung:

15 Dez 2023 11:29

PPN:

Referenten:

Rüppel, Prof. Dr. Uwe ; Lehmann, Prof. Dr. Boris

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung:

16 Juni 2023

Export: