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Mobile Datenwolke als Krisenhilfe

Informatik Mobile Datenwolke als Krisenhilfe

Wie die überlebenswichtige Kommunikation in Katastrophengebieten auch funktionieren kann, nachdem das Internet lahmgelegt worden ist, dazu haben Marburger Informatiker praktische Krisenbewältigungskonzepte entwickelt.

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Professor Bernd Freisleben (von links) beobachtet eine Versuchsanordnung mit Jonas Höchst, Patrick Lampe, Lars Baumgärtner und Artur Sterz, den Mitgliedern seiner Arbeitsgruppe.

Quelle: Manfred Hitzeroth

Marburg. Das Atomunglück im japanischen Fukushima oder der Hurricane „Katrina“ in der Region rund um New Orleans waren nur zwei Beispiele für Katastrophen in der Vergangenheit, bei denen die elektronische Kommunikation in einem größeren Gebiet für längere Zeit unterbrochen wurde. Es können Naturgewalten oder technisches und menschliches Versagen, aber auch terroristische Gewalt sein, die solche Ereignisse mit Schäden im großen Stil auslösen können.

Besonders in den vermehrt auf Informations- und Kommunikationstechnologie angewiesenen hochentwickelten Ländern ist das Überleben von Menschen in solchen Krisensituationen immer mehr von einem funktionierenden Internet abhängig. Doch wie können Hilfsteams reagieren und beispielsweise verletzte Personen orten, wenn die allgegenwärtigen Smartphones nicht mehr über das Internet kommunizieren können? Hessische Wissenschaftler entwickeln unter Federführung der Technischen Universität Darmstadt seit Anfang 2015 am Beispiel des Bundeslands Hessen Konzepte für die Aufrechterhaltung der Kommunikationstechnologie. Dabei geht es um mehrere Modelle, wie die Kommunikation trotz des Ausfalls der Infrastruktur bei „großflächigen und komplexen Schadenslagen“ und trotz eingetretener Schäden aufrechterhalten werden kann. Die Wissenschaftler erforschen in dem Projekt „NICER“ (siehe Hintergrund) die wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen, die eine Vernetzung von IT-Systemen auch unter extremen Rahmenbedingungen ermöglichen.

Ausfall des Internets

So geht es beispielsweise um den Einsatz von Hilfsrobotern sowie den Aufbau von dezentralen „Kommunikationsinseln“ und „Kommunikationsbrücken“ zwischen den Inseln, die wiederum ein Gesamtnetz etablieren sollen, das eine zuverlässige Kooperation in der Krisensituation ermöglichen soll.

Marburger Forscher unter Leitung des Informatik-Professors Bernd Freisleben haben sich einem speziellen Teilproblem gewidmet: Wie können Bilder und Umweltdaten aus einem Katastrophengebiet möglichst schnell und effektiv an die Hilfsteams weitergesendet werden, so dass diese einen Überblick über die Lage erhalten?

„Wir sind dabei von dem Szenario ausgegangen, dass das öffentliche Internet ausgefallen ist und weder die Mobilfunkmasten verwendungsfähig sind noch das Stromnetz zur Verfügung steht“, erklärt Freisleben. Das bedeute aber auch, dass zentrale Kommunikationsdienste wie Twitter, Facebook, Youtube oder „Crisis Response“ von Google nicht als Hilfsmittel zur Verfügung ständen.

Trotz eines Ausfalls des Internets gebe es aber in den Notfallgebieten weiterhin theoretisch funktionsfähige Smartphones, Tablets oder Laptops, die im Akkubetrieb, mit Hilfe der Aufladung durch Solarenergie oder durch Stromgeneratoren weiter in Betrieb gehalten werden könnten. Und genau darauf setzen die Marburger Forscher bei ihrer Idee des Aufbaus einer „mobilen Cloud“ (Datenwolke). „Wir wollten mit etwas arbeiten, was auf Hardware läuft, die weit verbreitet ist“, macht Freisleben deutlich. Die Weitergabe der vor Ort aufgenommenen Fotos oder erhobenen Daten soll dann in einer Art „Schneeballprinzip“ von dem ersten Einzelgerät über das nächstgelegene Einzelgerät erfolgen und über als Weiterleitungsstationen fungierende mobile Router oder Roboter zu mit Stromgeneratoren betriebenen leistungsfähigeren Rechnern geschickt werden (siehe Artikel unten). Neben der grundlegenden Bedeutung als Notfallhilfe in Katastrophengebiete könnte es für die von den Marburgern verwendete und weiterentwickelte Software auch kommerzielle Verwertungsmöglichkeiten geben, sagte Freisleben der OP.

So könne die Software beispielsweise auf großen Open-air-Festivals als Hilfe bei der Suche nach Bekannten nützliche Dienste tun, wenn der Handyempfang erschwert oder nicht möglich ist. Prinzipiell sei aber auch ein Einsatz in entlegenen Gebieten der Erde wie in Teilen Australiens oder Afrikas denkbar, die noch nicht über das global umspannende Netzwerk erreichbar seien.

von Manfred Hitzeroth

Mini-Rechner bilden Zentrum des Modells

Die Marburger Informatiker nutzen für ihre Erarbeitung einer „mobilen Cloud“ in Katastrophengebieten bereits vorhandene IT-Software als Basis-Hilfsmittel.

„Unsere mobile Cloud funktioniert als eine Art Software für die Darmstädter Roboter. Wir statten die mit Intelligenz aus“, erklärt der Marburger Informatiker Professor Bernd Freisleben. Seit Anfang 2015 arbeitet er mit Mitgliedern seiner Arbeitsgruppe an dem Projekt, das den Aufbau einer autarken Kommunikations-Infrastruktur für den Notfall auf Basis von drahtlos vernetzten privaten mobilen Endgeräten zum Ziel hat. Dieses soll besonders in den ersten Stunden oder Tagen nach dem Ausbruch einer Katastrophe zum Einsatz kommen.

„Die Erfahrungen vom Hurricane ‚Katrina‘ oder aus Fukushima zeigen, dass besonders in den ersten 48 bis 96 Stunden Hilfseinsätze wichtig sind“, erläutert Freisleben. Da aber in einem solchen Krisenszenario nicht von einer funktionierenden Internet-Infrastruktur auszugehen ist, stehen dann auch zentrale Kommunikationsdienste nicht zur Verfügung. Die Marburger Arbeitsgruppe sondierte zunächst, welche aktuellen Lösungen als Alternative zur Kommunikation per Internet es bereits gibt und stieß dabei unter anderem auf die Freifunk-Initiative, deren Mitglieder untereinander vernetzt sind. Ihr „Open access“-Modell“ funktioniert so ähnlich wie das klassische Internet, basiert aber auf statischen Geräten.

Technologisches Zentrum des Marburger Modells sind kleine mobile „Mesh-Router“, die auf dem Prinzip des „Raspberry Pi“ funktionieren. Diese eigenständige „Mini-Rechner“ müssen per Ballon oder Roboter in das Krisengebiet bewegt werden und sind als „Brückenköpfe“ gedacht, um schnell größere Entfernungen zu überbrücken. So können sie im Ernstfall schnell Lagebilder zu mit Notstromaggregaten betriebenen Einsatzfahrzeugen der Hilfskräfte weitersenden.

Ausgerüstet sind die Mini-Rechner auch mit nützlichen „Werkzeugen“ wie Geigerzählern sowie Helligkeits- oder Temperatursensoren, die zusätzliche Informationen übermitteln können.

In einem Rechencluster haben die Marburger Informatiker bereits überprüft, wie ihre Software in der virtuellen Realität funktioniert. Simuliert wurde, wie 500 mit der speziellen Software ausgestattete Handys in den der Realität nachgeformten Katastrophen-Abläufen interagierten. Dabei wurden zusätzlich noch besondere Bewegungsmuster der Handynutzer in das Computermodell eingearbeitet. Ein zweiter Test fand übrigens mithilfe eines Computerspiels statt, in dem die Auswirkungen eines Blizzards (schwerer Gewittersturm) in New York simuliert wurden.

Zusätzlich soll es nun noch einen weiteren Testlauf bei den Kooperationspartnern auf dem Gelände der Technischen Hochschule Darmstadt geben. Dort soll die Übertragung von Bildern zwischen zwei Uni-Gebäuden getestet werden, wobei mehrere Smartphones sowie Ballons und Roboter zum Einsatz kommen werden, erläutert Freisleben.

 
Hintergrund
Im „Loewe“-Schwerpunkt „NICER“ geht es um „Vernetzte infrastrukturlose Kooperation zur Krisenbewältigung“. Unter Federführung von Professor Mattias Hollick (TU Darmstadt) sind daran neun Arbeitsgruppen aus Darmstadt sowie je eine AG der Uni Kassel und der Universität Marburg beteiligt. Die Marburger AG wird von Professor Bernd Freisleben geleitet. Über das Landesförderprogramm „Loewe“ wird das Projekt seit Anfang 2015 für eine Zeitdauer von zunächst drei Jahren mit 4,5 Millionen Euro gefördert. Eine Verlängerung um ein Jahr wäre möglich.
 
Zur Person
Professor Bernd Freisleben (58) stammt aus Bad Vilbel. Er studierte von 1977 bis 1981 Computerwissenschaften an der Universität Frankfurt und an der Pennsylvania State University. Von 1981 bis 1982 war er in der Forschungsabteilung von IBM tätig. Nach akademischen Zwischenstationen an den Hochschulen in Darmstadt und Siegen wurde er 2002 Professor für Computerwissenschaften an der Universität Marburg. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Themen „Verteilte Software-Infrastrukturen“ und Multimedia-Anwendungen.
 
Zur Person
Lars Baumgärtner (35) wurde in Offenbach geboren. Er studierte von 2003 bis 2010 Informatik an der Marburger Universität. Dort ist er seit 2010 wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Professor Bernd Freisleben. Derzeit verfasst er seine Doktorarbeit über Kommunikationssysteme in Notfallszenarien. Sein Forschungsschwerpunkt ist die IT-Sicherheit.
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