Campus FreeCity

Reallabor zur Erforschung einer vernetzten Flotte modularer Roboterfahrzeuge

Der heutige Verkehr im städtischen Bereich ist geprägt durch hohe Verkehrsdichte, Staus, lokale Emissionen, Lärm, Unfälle und hohen Flächenverbrauch. Diesen Herausforderungen möchte das Projekt mit einer vernetzten Flotte autonomer Roboterfahrzeuge begegnen. Diese sogenannten CityBots sollen Personenbeförderung, Gütertransport sowie kommunale Arbeitsaufgaben, wie etwa Straßenreinigung oder Bewässerung von Grünanlagen übernehmen.

Ein zentrales Leitsystem steuert, optimiert und überwacht den Betrieb dieses Ökosystems. Das Gesamtsystem wird im Rahmen eines Reallabors auf dem Gelände des Deutsche Bank Park in Frankfurt am Main demonstriert und evaluiert. Acht Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft, aus unterschiedlichen Gebieten arbeiten im Projekt zusammen – die Hochschule Fulda wiederum ist mit vier Fachgebieten beteiligt.

Schlagworte:
Künstliche Intelligenz (KI), IT-Sicherheit, FPGA-Architekturen, Human Machine Interaction (HMI), Usability-Evaluation, Virtual/ Extended Reality

Förderung: 
Bundesministerium für Digitales und Verkehr

Projektlaufzeit: 
11.2021 bis 05.2024

Webseite:
https://www.campusfreecity.de

BEREICH MENSCH-MASCHINE-INTERAKTION

Der CityBot soll ein Human Machine Interface (HMI) bieten, das den Kommunikationsmitteln und -gewohnheiten des Menschen gerecht wird. Zentral ist dabei der Avatar-Kopf des CityBots, kombiniert mit weiteren Komponenten wie etwa visuelle Anzeigen. Die Interaktion mit dem System muss niederschwellig gestaltet sein und an die Erfahrungen der Nutzenden mit bestehenden Transportsystemen im öffentlichen Raum anschließen. Zu diesem Zweck wird ein multimodaler Ansatz realisiert, der leicht verständlich ist und robust funktionieren soll. Multimodalität steht für die kombinierte Verwendung mehrerer Ein-/Ausgabemethoden, im Projekt Sprache, Gestik und visuelle Elemente.
 
Die Nutzeranforderungen und -erfahrungen werden über einen menschzentrierten Gestaltungsprozess systematisch einbezogen, realisiert über eine mehrschrittige, iterative Entwicklung inkl. Evaluation der Usability. Nutzergruppen (Kund*innen, Passant*innen, Personal) und Anwendungsfälle werden analysiert, ein Szenarienkatalog erstellt, das Interaktionskonzept iterativ mit interaktiven Anwendungen in der virtuellen Realität entwickelt und in der Reallabor-Phase abschließend evaluiert.
 
Die Ergebnisse werden in die technische Konzeption des Systems zurückgespiegelt. Am Ende des Projekts liegt ein systematisch evaluiertes Interaktionskonzept für den CityBot-Avatar vor, das passgenau die Anwendungsfälle abdeckt, technisch umsetzbar ist und den Anforderungen des praktischen Einsatzes gerecht wird.

Prof. Dr.

Jan-Torsten Milde

Medieninformatik und Webtechnologien

BEREICH IT-SICHERHEIT

Der CityBot weicht mit seiner modularen und flexiblen Architektur stark von den bisherigen, statischen Automotive-Architekturen ab. Diese Modularität bringt gerade im Bereich der IT-Sicherheit neue Herausforderungen und Risiken mit sich, da bisher als statisch angenommene Schnittstellen und Prozesse plötzlich für externe Geräte offen zugänglich sind. 
Um die dabei entstehenden Risiken zu identifizieren, zu verstehen und frühzeitig zu adressieren, beschäftigt sich die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Michael Zohner mit der Sicherheitsanalyse und dem Aufbau einer Sicherheitsarchitektur für den CityBot. Die Sicherheitsarchitektur soll aus bewährten Methoden im Bereich der Automotive-Security sowie aus neuen und speziell für den CityBot entwickelten Mechanismen bestehen, welche die dynamische Natur der CityBot-Infrastruktur berücksichtigen. Die entwickelten Mechanismen sollen in den CityBot integriert und dort evaluiert werden, um Anstöße für eine spätere, mit Prüfungsanforderungen konforme Umsetzung zu liefern.

Prof. Dr.

Michael Zohner

IT-Sicherheit

BEREICH ENERGIEEFFIZIENTE KI

Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) liefern Schlüsseltechnologien für die Umsetzung autonomer Fahrzeuge wie dem CityBot. Viele der KI-Aufgaben müssen in Echtzeit und somit im Fahrzeug erfolgen (Edge Computing). Dies ist sehr rechenintensiv und erfordert auf CPUs/GPUs einen hohen Energiebedarf, was hinsichtlich Akkulaufzeit und Kühlung problematisch ist. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) sind dafür bekannt, KI-Aufgaben sehr energieeffizient und performant zu realisieren. Hierbei benötigen FPGAs im Vergleich zu GPUs nur etwa ein Zehntel der Energie, die eine GPU-Implementierung bei gleichem Durchsatz benötigt. Darüber hinaus erlauben FPGAs sehr viel kürzere Latenz-Zeiten, was wichtig für die Echtzeit-Verarbeitung ist. 
 
Allerdings ist die Entwicklung effizienter FPGA-Architekturen zeitaufwendig und benötigt Expertenwissen aus der KI und dem Chip-Entwurf. Ziel ist daher die Entwicklung einer domänenspezifischen Entwurfssoftware, welche große Teile des Architektur-Entwurfs automatisiert und eine Realisierung im CityBot-System ohne größeres Expertenwissen erlaubt. Hierbei sollen bereits beim Training des neuronalen Netzes Besonderheiten des FPGAs berücksichtigt werden, um eine hohe Energieeffizienz bei voller Genauigkeit zu erreichen.

Prof. Dr.

Martin Kumm

Embedded Systems

BEREICH SUPPLY-CHAIN-INTEGRATION

Neben den zahlreichen Anwendungen des CityBots in der Mobilität sollen auch umfassende Logistikaufgaben vom autonomen Fahrzeug bewältigt werden. Wo bisher große LKW im Innenstadtbereich weite Teile der Versorgung gewährleisten, stellt das neuartige Fahrzeug eine emissionsarme und zuverlässig planbare Logistik-Alternative dar. Der Güterumschlag am Rande der SmartCity und die Prozessmodellierung der Logistikketten stellen spannende Herausforderungen in dieser Zukunftsvision dar.
 
Diese Logistikaspekte in der zukünftigen SmartCity werden von Angehörigen des Fachbereichs Wirtschaft untersucht. Dabei werden in Zusammenarbeit mit der Bundeswehruniversität in München Algorithmen entwickelt, welche auf strategischem, taktischem und operativem Level die Supply Chain Prozesse des CityBot planen und ausführen.

 

Prof. Dr.

Michael Huth

Allgemeine BWL, insbesondere Logistik

KOOPERATIONSPARTNER

PROJEKTTEAM

Bereich Mensch-Maschine-Interaktion

+49 661 9640-3114
+49 661 9640-3009
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 31, Raum 108
Sprechzeiten
Dienstag, 17:00 Uhr; siehe moodle-Kurs Sprechzeiten
+49 661 9640-3221
+49 661 9640-3009
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 31, Raum 001a
Sprechzeiten
Termine nach Vereinbarung
+49 661 9640-3222
+49 661 9640-3009
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 31, Raum 001b
Sprechzeiten
Termine nach Vereinbarung
+49 661 9640-338
+49 661 9640-3009
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 31, Raum 018
Sprechzeiten
Termine nach Vereinbarung

Bereich IT-Sicherheit

+49 661 9640-3105
+49 661 9640-3009
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 46, Raum 324
Sprechzeiten
Dienstag, 16:00-17:00 Uhr; siehe Kurs in moodle (eLearning).
+49 661 9640-3224
+49 661 9640-3009
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 31, Raum 001b
Sprechzeiten
Termine nach Vereinbarung

Bereich Energieeffiziente KI

+49 661 9640-3113
+49 661 9640-3009
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 46, Raum 124
Sprechzeiten
Termine nach Vereinbarung; siehe moodle-Kurs Sprechzeiten
+49 661 9640-3103
+49 661 9640-3009
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 31, Raum 124
Sprechzeiten
Dienstag und Freitag, 8:30 - 9:30 Uhr; NUR online, siehe moodle-Kurs Sprechzeiten
+49 661 9640-3060
+49 661 9640-3009
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 46, Raum 106
Sprechzeiten
Termine nach Vereinbarung.

Bereich Supply-Chain-Integration

+49 661 9640-2557
+49 661 9640-252
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 23, Raum 101
Sprechzeiten
Siehe eFBW
+49 661 9640-266
+49 661 9640-252
Hochschule Fulda
Leipziger Straße 123
36037 Fulda
Gebäude 30, Raum 19
Sprechzeiten
Siehe eFBW