Indoor location systems
Giovanni Alunni
Allgemeines
Mit "location system" werden alle Systeme bezeichnet, die in der Lage sind die Position eines Objekts in einem physikalischen Bereich festzustellen. Diese werden oft auch als "positioning system" gekennzeichnet.
Es gibt unterschiedliche Technologien, die in diesem Bereich eingesetzt werden, am bekanntesten ist wahrscheinlich zurzeit GPS (Global Positioning System), deren Entwicklung von der Automobilindustrie stark gefördert wurde. Die aktuellen GPS-Systeme finden Anwendung in einem sehr weiten Feld (dank breiter Strahlung der Satelliten) und bieten eine ziemlich hohe Präzision.
In Gebäuden wird allerdings das GPS-Signal nur schwer empfangen. Dies hängt ab von den verwendeten Baustoffen, beispielsweise Mauerziegel, Beton oder Stahl im Gebäudeinneren und äußeren, deren atomische Struktur sich meistens ungern vom GPS-Signal durchqueren lässt und wie eine Barriere wirkt. Außerdem spielt der genaue Standort des Empfängers bei der Qualität des Signals eine große Rolle: In Fensternähe beziehungsweise in Räumen mit sehr großen Fenstern und freier Sicht in Richtung Himmel kann eine GPS-Standortbestimmung mit geringer Genauigkeit noch durchführbar sein. In Innenräumen wie z.B. in einem Keller, oder allgemeiner gesagt in einem Untergeschoss, ist der GPS-Empfang grundsätzlich nie möglich.
Eine andere Technologie, die in Frage kommen würde, ist die MPS, Mobile Positioning System. Wenn ein Handy genügend Empfang hat, ist es möglich es zu lokalisieren, anhand der Signal-Zellen in denen es sich befindet, und von denen es sich bedient. Es ist generell denkbar ein Handy zu lokalisieren, das sich im Gebäudeinneren befindet, aber oft erlaubt die architektonische Struktur des Gebäudes keinen Empfang (z.B. in einem gut geschützten Untergeschoss). Außerdem können die Position- Informationen, welche die Mobile Positioning System Technologie berechnen, sehr ungenau sein. Die Präzision ist sehr, sehr niedrig, man kann z.B. erfahren, in welcher Zone der Stadt das Handy sich befindet, aber nicht genau im welchem Häusern, und natürlich nicht im welchem Raum des Gebäudes. In einigen Fällen jedoch ist es notwendig zu erfahren, in welchem Teil eines Raum sich eine Person aufhält, oder ein Objekt sich befindet.
Diese Anforderungen haben zur Entwicklung anderer Technologien geführt, die sich als Ziel vornehmen mit einer hohen Präzision innerhalb von Gebäuden (indoor) zu funktionieren. Sie sollen im Innern eines Bauwerks die Position eines Gegenstandes oder einer Person berechnen: folgende Fragen werden beantwortet: in welchem Raum und wo genau in jenem Raum befindet sich das zu lokalisierende Objekt bzw. die zu ortende Person.
Systeme, die solche Ziele anstreben werden als "Indoor location systems", oder oft auch als "Indoor positioning systems" gekennzeichnet.
Installationsstrategien
Es können verschiedene Methoden eingesetzt werden, um die Position im Raum festzustellen. Dabei spielt die Position der einzelnen Sensoren im Raum bei der Installation eine entscheidende Rolle. Oft gibt es mehrere Sender (die z.B. an der Decke befestigt werden) und einen Empfänger, der z.B. am Körper einer Person getragen wird, deren Position zu berechnen ist. Es kann aber auch der Fall sein, dass eine Person einen Sender mit sich trägt, und in dem Raum, in dem sie sich aufhält, mehrere Empfänger installiert wurden.
Diese Entscheidung hängt u.a. davon ab, wer die Position erfahren soll (d.h. wer macht sich die gemessenen Koordinaten zu Nutzen): Fall 1 - Wenn das zu trackende Objekt eine Person ist, und die Person selbst soll seine Koordinaten im Raum erfahren, empfiehlt sich die erste genannte Methode (mehrere Sender, ein Empfänger). Von der Art der Verteilung der Sensoren ist diese auch z.B. diejenige Methode, die vom GPS-System eingesetzt wird: die Satelliten sind nicht in der Lage die Position des Empfängers festzustellen, sie dienen nur als Sender von Information, die vom Empfänger verwendet werden. Der Empfänger kann dem Benutzer die gemessenen Werte mitteilen (typischerweise durch ein am Gerät angebrachtem Display). Fall 2 - Wenn andererseits eine zweite Person (oder Gruppe von Personen oder eine Maschine) die Position des Beobachtenden erfahren soll (z.B. ein Gefängnisleiter will sich die Position der Häftlinge anzeigen lassen) könne man die zweite Methode anwenden (ein Sender, mehrere Empfänger). Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass man in jenem zweiten Fall (dritte Person soll die Daten erfahren) sich trotzdem für einen einzigen Empfänger entscheidet. Sollte diese Wahl in diesem spezifischen Fall getroffen werden, muss aber eine zusätzliche Technologie eingesetzt werden, die es dem Empfänger-System erlaubt, die gewonnenen Daten zu einer zentralen System-Verwaltung zu schicken. Der "Empfänger" wirkt einerseits also tatsächlich zum Empfänger, wenn es darum geht die von den Sendern gesendeten Signale zu empfangen, die zur Berechnung der Position dienen, und wird aber andererseits selbst zum Sender, wenn es darum geht die berechnete Position (oder die Daten, die zur Positionsberechnung benötigt werden) zur zentralen System-Verwaltung zu schicken.
Verwendete Signal Technologien
Es kann zwischen mehrere Technologien gewählt werden, um den Erfolg der Kommunikation zwischen Sender und Empfänger zu garantieren. Diese haben alle Folgendes gemeinsam: es sind Signale, die sich über die Luft übertragen lassen. Alle haben unterschiedliche Frequenzen, bieten eine höhere oder niedrige Präzision. Bei der Entscheidung spielt auch eine große Rolle wie stark die gewählte Technologie die Kosten des gesamten Projekts beeinflusst. Mögliche Ansetze sind: Infrarot, Radio Wellen, W-LAN, Elektromagnetische Gleichstrom-Signale, Ultraschal.
Mögliche Berechnungstheorien
Ein oft verwendeter Ansatz zur Positionsberechnung ist die Messung der Entfernung zwischen mehreren Sendern und einem Empfänger. Nehmen wir an, wir haben einen viereckigen Raum mit vier Sendern. Jeder Sender wird in einer Ecke des Raumes positioniert. Der Empfänger befindet sich an einem nicht näher spezifizierten Ort im Raum. Wenn man in der Lage ist die vier Distanzen zwischen Sender und Empfänger zu messen, ist es möglich die Position des Empfängers im Raum zu berechnen. Normalerweise reichen drei Sender für diese Aufgabe aus (triangulation).
Die Messung der Distanz zwischen einem Sender und einem Empfänger kann auf mehrere Weisen erfolgen: - "Attenuation of signal": der Sender sendet ein Signal mit einer gewissen Stärke. Das Signal kommt abgeschwächt beim Empfänger an. Je höher die Distanz zwischen Sender und Empfänger, desto schwächer wird das Signal ankommen. Die Stärke des Signals wird vom Empfänger gemessen, und die Distanz vom Sender wird dadurch berechnet. - "Time of flight of signal" - Die Geschwindigkeit der gewählten Signal-Technologie muss bekannt sein. Wenn man Sender und Empfänger synchronisiert, kann man einen Zeitunterschied messen zwischen dem Zeitpunkt an dem das Signal gesendet wurde, und dem Zeitpunkt an dem es empfangen wurde. Diese Messung erlaubt die Distanz des Senders abzuleiten, wenn man die Übertragungsgeschwindigkeit des Signal (die konstant ist) in Betrachtung zieht. - "Multiple synchronized signal" - Man kann zwei unterschiedliche Signal-Technologie verwenden, mit einer unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeit. Der Sender ist z.B. in der Lage ein elektromagnetisches Signal (sehr schnell), und gleichzeitig einen niedrigen (auch nicht hörbaren) Ton (langsamer) zu senden. Diese zwei Signale kommen beim Empfänger zu unterschiedlichen Zeitpunkten an. Die Zeit zwischen den Empfang des ersten und zweiten Signals wird gemessen. Je größer diese Zeit, desto größer ist die Distanz (die durch Berechnung abgeleitet werden kann) zwischen Sender und Empfänger.
Es gibt natürlich auch andere, vielleicht weniger verbreiterte Funktionsweisen, z.B. die "Intertial systems". Bei diesem Verfahren wird ein Gyroskop auf ein sich im Raum bewegendes Element montiert. Die Anfangsposition des zu messendes Objekts muss aber bekannt sein, und die Fehlerrate steigt, wenn man das System für eine lange Zeitspanne verwendet (ein Reset der Position des zu messendes Objekts wäre immer dann erneut notwendig, wenn die Präzision "konstant" bleiben soll).
Man darf auch nicht vergessen, dass die Berechnung der Position im Raum zwei- oder dreidimensional sein kann. Zwei Dimensionen sind meistens ausreichend, manchmal entsteht auch der Wunsch die Höhe zu berechnen (Höhe nennen wir hier Y), neben Breite und weiteren Koordinaten (Breite mit X, und Tiefe mit Z). Die Systeme, die alle drei Dimensionen berechnen sind natürlich teuerer in der Anschaffung und aufwendiger zu installieren. Es gibt sehr viele Anwendungen in denen eine zweidimensionale Messung neben Raum- Aufnahme- Kennzeichnung die gewünschten Ergebnisse liefert.
Man will z.B. die Position einer Person in einem mehrstockigen Gebäude messen. Wenn die in jedem Raum installierten Sensoren die X- (Breite) und Z- (Tiefe) Koordinaten der Position liefern (es wird also die Breite und die Tiefe berechnet, aber nicht die Höhe), geht man davon aus, dass es nicht möglich ist zu erfahren in welcher Etage der Mensch sich gerade aufhält. Das ist natürlich nicht der Fall, denn das Zentralsystem bekommt nicht nur die gemessene Position geliefert, sondern weiß auch genau von welchem Sensor diese Position gemessen wurde. Das Zentralsystem muss außerdem natürlich auch wissen welche Sensoren in welchem Raum installiert sind.
Anwendungen
Indoor Positioning Systems können angewendet werden, um Menschen und Ausrüstung zu tracken. Mit "tracken" verstehen wir: die Position zu erfahren, und wie sich die Position ändert (durch Bewegungen). In einem Krankenhaus ist es beispielsweise möglich die Position von lebenswichtigen Geräte zu erfahren, wie viele im Einsatz sind, wie viele im Abstellraum noch zu Verfügung stehen, usw... Wichtig wäre auch die Position der Patienten zu erfahren: ist ein Patient noch in der Intensivstation? Hat er sein Zimmer verlassen? Seit wie vielen Minuten ist er auf der Toilette? Man könnte z.B. Indoor Positioning System mit einer Software verbinden, die einen Alarm auslöst, wenn der Patient nach einer gewissen Zeit nicht wieder in seinem Bett ist. Aber man kann noch viel mehr als das: Mit "Tracker" meinen wir ein Gerät, das man z.B. am Körper tragen kann, und dem System seine Position mitteilt. Das kann entweder ein Sender oder ein Empfänger sein (dies ist abhängig von der gewählten Technologie). Wenn jeder Mitarbeiter des Krankenhauses einen "Tracker" bekommen würde, könnte man erfahren wie viele Krankenschwestern und Pfleger im Haus unterwegs sind oder welche und wie viele Ärzte in jenem Moment noch operieren. Oder wie viel Zeit die frisch operierten Patienten durchschnittlich im Aufwachraum nach einer Anästhesie verbringen. Dank einer angepassten Software und einer Datenbank-Anbindung, kann man auf diese Weise Statistiken betreiben: Wie lange benötigt durchschnittlich Arzt X für eine bestimmte Operation? Sind alle vorhandenen Krankenschwestern und Pfleger zurzeit in der Klinik im Einsatz (und folglich wird mehr Personal benötigt), oder haben sie eher weniger zu tun? Wie viel Zeit verbringt wöchentlich Krankenpfleger Y während der Arbeitszeit in der Cafeteria? Wie hoch ist dieser Wert im Vergleich zu dem Durchschnitt der anderen Krankenpfleger? Der Aufwand der Datenvorbereitung muss nicht notwendigerweise groß sein, die Datenbank sollte persönliche Informationen aller Mitarbeiter und Patienten des Krankenhauses enthalten. Nun diese Aufgabe ließe sich leicht durchführen, wenn die Software direkten Zugriff auf die bereits bestehende Krankenhaus-Software hat: - jeder Mitarbeiter und seine Daten sind bekannt - jeder Patient wird beim Eintreten des Krankenhauses registriert (und bekommt ein Tracker zugewiesen) Eine andere mögliche Anwendung wäre der Versuch die Gestaltung des Krankenhauses zu optimieren. Man kann z.B. zählen wie oft gewisse Räume täglich durchschnittlich betreten werden. Dadurch wäre es möglich zu erfahren welche Teile des Gebäudes weniger genutzt werden. Will man die Gründe dieser Erkenntnisse forschen, so kann man vielleicht wieder die Statistiken im Indoor Positioning System benutzen. Man kann z.B. erfahren, dass eine Toilette sehr selten benutzt wird, weil sie schlecht zu erreichen ist: aus diesem Grund verwenden sogar Männer die Frauentoilette im Erdgeschoss, anstatt die im dritten Stock gelegene Toilette für Männer (und alle diese Informationen sind gespeichert). Man kann sehen, dass der Fernsehraum nur von Patienten über einem bestimmten Alter betreten wird und viel zu oft von Krankenschwester (die eigentlich zu der Zeitpunkt arbeiten sollten). Es ist offensichtlich, dass diese Systeme nur rational und unter einem gewissen Sicherheitsaspekt angewendet werden sollten, denn sie können leicht die Privatsphäre eines Individuums verletzen.
Andere Anwendungen eines Indoor Positioning System können in Museen, Supermärkten und Bibliotheken benötigt werden. Stellen Sie sich vor sie gehen einkaufen, und ein Gerät führt sie zu dem Standort eines bestimmten Produktes, welches Sie auf Ihrer Einkaufsliste geschrieben haben und nun suchen. Oder vielleicht befinden Sie sich in einer riesigen Bibliothek, und ein kleines tragbares Gerät bringt Sie schnell zu dem Buch, das Sie gesucht haben. In einem Museum könnte das tragbare Utensil auch ein Lautsprecher enthalten, das Ihnen Informationen über die Kunstwerke in Ihrer Umgebung mitteilt. Verwendet man ein Indoor Location System, das mit präzise Signal Technologien aufgebaut ist, so ist es auch möglich zu messen in welche Richtung der Empfänger orientiert ist. In diesem Fall wäre es beispielsweise bei der Anwendung in einem Museum für den User möglich mit dem Gerät auf ein bestimmtes Kunstwerk zu zeigen, und sofort Informationen darüber zu erhalten.
Fazit
Die Möglichkeiten der Anwendung eines Indoor Location Systems sind heutzutage fast unbegrenzt und können, in Abhängigkeit von dem Anwendungsbereich, mit einer spezifisch entwickelten Software zu einer exakten Datenerhebung führen, die durch die Anwendung traditioneller Methoden bisher undenkbar war. Mit "traditionellen Methoden" sind hier z.B. Menschen gemeint, deren Aufgabe es ist zu registrieren, welche Personen welche Räume eintreten. Die Grenzen und die Nachteile dieser Technologie liegen meiner Meinung nach zurzeit in der Beschaffung- und Installations-Kosten der: - Geräte (Sender und Empfänger) - des Zentralen Rechner Systems - Software.
Zu guter Letzt sollte man bedenken, dass sich solche Systeme nicht in allen Anwendungsbereichen einsetzen lassen, weil das Recht auf die Privatsphäre verletzt werden könnte.
Liste der Web-Referenzen:
Allgemeine Unterschiede zu GPS: Global Positioning System - gefunden am 3.2.2007
Bescheibung: Mobile Positioning Systems - gefunden am 5.2.2007
Paper: Indoor Location Systems for Pervasive Computing - gefunden am 5.2.2007
Anwendungen: Indoor Positioning System Can Track Equipment and People - gefunden am 5.2.2007
Beispiele: Wearable Positioning Systems - gefunden am 5.2.2007