Dezentrale Sensoreinsatzplanung

Fragestellung

Bei der Beobachtung von verteilten physikalischen Phänomenen ist es von wesentlicher Bedeutung, die begrenzten Energie-, Rechen- und Kommunikationsressourcen in optimaler Weise zu nutzen. Der ständige Einsatz aller Sensoren belastet unnötig die zur Verfügung stehenden Ressourcen, was zu einer Verkürzung der Lebenszeit des Sensor-netzwerks führt, ohne dabei notwendigerweise hilfreiche Information bereitzustellen. Zudem wird typischerweise auch das Kommunikationsnetzwerk überlastet, was zusätzlich eine geringere Informationsausbeute bewirkt.

Es muss also vielmehr die bestmögliche Messkonfiguration gefunden werden, was typischerweise die Messorte, die Messzeitpunkte und die Messparameter beinhaltet. Dabei werden sowohl das Verhalten des beobachteten Phänomens als auch die Eigenschaften des verwendeten Sensor-Aktor-Netzwerks berücksichtigt, wobei insbesondere die konkreten Messsysteme und die Kommunikationsmechanismen eine große Rolle spielen.

Die Berechnung der Sequenz von Messkonfigurationen geschieht mit Hilfe einer vorausschauenden Planung über einen endlichen Zeithorizont, welche eine Bewertung des Nutzens vornimmt und unter den gegebenen Randbedingungen diejenige Sequenz auswählt, welche diesen Nutzen maximiert, d. h. typischerweise die Unsicherheit über das beobachtete Phänomen minimiert. Eine zentrale Herausforderung ist dabei die Prädiktion zukünftiger Messungen innerhalb des Zeithorizonts.

Ziele

Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung von dezentralen Verfahren zur optimalen Ressourceneinsatzplanung, welche lokal und verteilt auf den Sensorknoten ablaufen. Damit wird im Vergleich zu zentralen Verfahren der Kommunikationsaufwand deutlich reduziert und eine hohe Zuverlässigkeit sowie Skalierbarkeit gewährleistet. Da für die Bestimmung der optimalen Sequenz von Messkonfigurationen aber grundsätzlich globales Wissen notwendig ist, besteht die Hauptherausforderung in der Bereitstellung einer reduzierten, aber ausreichenden Informationsbasis in den einzelnen Sensorknoten.
Dazu müssen Verfahren zur Aufteilung der Gesamtinformation, der Repräsentation der Teilinformationen und zum Informationsaustausch entwickelt werden. Insbesondere sind enge theoretische Schranken für den Qualitätsverlust im Vergleich zu einer zentralen Vorgehensweise anzugeben.

Neben der optimalen Nutzung der Sensorik müssen in der Planung in integrierter Art und Weise die zur Verfügung stehenden Ressourcen wie begrenzte Energie, Rechen- und Kommunikationskapazitäten verwaltet werden. Dazu müssen vor allem die Eigenschaften realer drahtloser Kommunikationsnetzwerke, wie beispielsweise beschränkte Kommunikationsreichweite und Paketverluste, berücksichtigt sowie das verwendete Routingverfahren entsprechend angepasst werden.

Neben einer diskreten Auswahl von Sensoren sind häufig auch kontinuierliche Konfigurationen vorzunehmen. Dies betrifft beispielsweise die Position von mobilen Sensorknoten, deren Messzeitpunkte oder kontinuierliche Sensorparameter. In diesem Fall ist die Anwendung von diskreten Planungsverfahren nach einer entsprechenden Diskretisierung häufig nicht sinnvoll, da die entstehenden diskreten Konfigurationen eine zu große Mächtigkeit besitzen und sich damit einer Berechnung entziehen.

Für diesen Anwendungsfall sollen geeignete kontinuierliche Planungsverfahren entwickelt werden, die eine direkte Behandlung des Problems erlauben. Damit wäre der Einsatz von mobilen Sensorknoten möglich, die ihren Einsatzort derart verändern, dass sowohl eine optimale Beobachtung des Phänomens als auch eine Schonung der zur Verfügung stehenden Ressourcen ermöglicht wird.
Zudem sollen dynamische Messsysteme, d. h. Messsysteme mit einer internen Dynamik sowie Verzögerungen wie z. B. Ultraschallsensorsysteme, betrachtet werden, die in der Ressourceneinsatzplanung besonders schwierig zu behandeln sind.