Traktoren als Sensoren

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M ASTER T HESIS

im Rahmen des Universitätslehrgangs

’Geographical Information & Systems’ (UNIGIS MSc) am Zentrum für Geoinformatik (Z_GIS)

der Paris Lodron-Universitzät Salzburg

zum Thema

Traktoren als Sensoren

Sensor Web Enablement und ISOBUS im Precision Farming vorgelegt von

Dipl.Agr.Biol. Hans-Peter Niklaus

U1394, UNIGIS MSc Jahrgang 2008

Zur Erlangung des Grades

’Master of Science (Geographical Information Science & Systems) — MSc(GIS)’

Gutachter:

Ao. Univ. Prof. Dr. Josef Strobl

Weinheim, 31. August 2011

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Traktoren als Sensoren

Erklärung der Urheberschaft

Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit ohne Hilfe Dritter und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe; die aus frem- den Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht. Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder ähnlicher Form in keiner anderen Prü- fungsbehörde vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht.

Ort, Datum Unterschrift

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Zusammenfassung

Für das landwirtschaftliche Arbeitsmanagement im sogenannten ’Precision Far- ming’ hat sich der Standard ISO11783 (ISOBUS) herstellerübergreifend für die Ge- rätesteuerung durchgesetzt. Es mangelt an einer standardisierten echtzeitfähigen, flexiblen Standardschnittstelle für Datenübertragung und -bereitstellung über das (mobile) Internet. Die Anforderungen an diese Schnittstelle decken sich mit den angestrebten Funktionen der als ’Sensor Web Enablement Framework (SWE)’ zusam- mengefassten Standards und Protokolle zur Beschreibung, Steuerung und Abfrage von Sensorsystemen über das Internet.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die prinzipielle Eignung der SWE- Standards für den Einsatz im landwirtschaftlichen Arbeitsmanagement untersucht.

Die Abbildung einer Auswahl von Anwendungsfällen aus dem ISO11783 Task Ma- nagement und der landwirtschaftlichen Praxis wurden über die SWE Standards und Protokolle abgebildet und aktuelle Softwareimplementierungen auf deren Eignung geprüft. Die Abbildung dieser Anwendungsfälle ist gelungen. Defizite bestehen in den aktuellen Standards noch in der Abbildung der zeitlichen Dynamik der Geräte- konfigurationen, der Abfrage komplexer Ergebnisse, mangelnder geeigneter Imple- mentierungen sowie der Flexibilität möglicher Inhalte.

Ein Lösungskonzept für das untersuchte Anwendungsszenario wurde erarbeitet.

Die Ergänzung einer dateibasierten Datenhaltung der ISO11783 TaskData kombi- niert Vorteile der SWE-Standards und des bisherigen dateibasierten Datenaustauschs.

Das Konzept der Sensor Web Enablement Standard verspricht ein erhebliches Poten- tial für weitere Anwendungsfälle in der Landwirtschaft.

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Abstract

In the last years, the industrial Standard ISO11783 for machine control and task managment has been widely accepted by farmers and producers of agricultural ma- chines and tools. However, a significant lack of standardized interfaces and protocols für real-time exchange of configuration data, tasks, results and notifications over the Internet is a growing obstacle for efficient farm management.

The Requirements for these agricultural use cases of data interchange seem to match the goals of a relatively new framework of OGC Standards called Sensor Web Enablement (SWE) aiming at the service-based and interoperable management and tasking of all kinds of phenomenon observing assets (Sensors), acces to the results of their observations and alerting based these results leading to push-notification of users.

In this document the suitability of these Sensor Web Enablement protocols and standards for agricultural workflow information is being investigated. A selection of Use Cases in form of ISO11783 TaskData content will be mapped on SWE standards an protocols, including Device Descriptions, Tasking and tasking results and also logged process data. Some minor drawbacks as the temporal vatriablity of device configurations and complex task descriptions are identified.

A conceptional solution is proposed out to combine advantages of SWE standards with those of the up-to-now used file-based data-transfer. Sensor Web Enablement standards have promising potentials for their application to real-time agricultural data interchange.

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Traktoren als Sensoren Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis VI

Tabellenverzeichnis VII

Listings VIII

Abkürzungsverzeichnis IX

1. Einführung 1

1.1. Ausgangslage und Motivation . . . 1

1.2. Motivation . . . 5

1.3. Thesen und Fragestellungen . . . 6

1.4. Zielsetzung und Vorgehensweise . . . 7

1.5. Abgrenzung . . . 8

2. Literaturüberblick 10 2.1. Precision Farming . . . 10

2.1.1. Vernetzung in de Landwirtschaft . . . 11

2.2. ISOBUS . . . 12

2.2.1. ISOBUS Task Management . . . 13

2.2.2. ISOBUS Aufzeichnungen . . . 15

2.3. Sensor Web Enablement . . . 17

2.3.1. SensorML und O&M . . . 18

2.3.2. Sensor Observation Service . . . 19

2.3.3. Sensor Alert Service (SAS) und Senser Event Service (SES) . . . 20

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Traktoren als Sensoren Inhaltsverzeichnis

2.3.4. Sensor Planning Service (SPS) . . . 22

2.3.5. Aktueller Stand der Entwicklung und Implementierungen . . . . 23

3. Projektbeschreibung 24 3.1. Fragestellungen . . . 25

3.1.1. Anwendungsfälle und beteiligte Anwender . . . 25

3.2. Beurteilungskriterien . . . 25

3.3. Datengrundlagen . . . 27

3.3.1. ISOBUS-Daten . . . 27

3.3.2. SWE-Standards und Implementierungen. . . 27

4. Ergebnisse 29 4.1. Beteiligte Akteure und Anwendungsfälle. . . 29

5. Diskussion 42 6. Zusammenfassung und Ausblick 45 6.1. Zusammenfassung . . . 45

6.2. Ausblick . . . 46

Literaturverzeichnis 50

A. Anhang i

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Traktoren als Sensoren Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1.1. Informationskreislauf im Precision Farmig (Auernhammer, A. 1999) . . . 1

1.2. Einsatzpotentiale der SWE-Standards im Precision Farmin (Nash, E. et al. 2009) . . . 4

2.1. Schematische Darstellung der ISOBUS-Komponenten auf einem Fahrzeug 12 2.2. Struktur einer Gerätebeschreibung nach ISO (2009) . . . 15

2.3. Überblick über die Sensor Web Enablement Architektur (Jirka & Simonis 2009) . . . 17

2.4. Allgemeiner Aufbau eines Observation-Elements Cox (2007a) . . . 18

2.5. Sequenzdiagramm SOS . . . 21

2.6. Funktionen und Schnittstellen des SAS (Simonis 2006) . . . 21

2.7. Sequenzdiagramm des Sensor Planning Services . . . 22

4.1. Aufgezeichnete Erntemengen aus ISOBUS-Daten . . . 35

6.1. . . 48

A.1. Übersicht der Elemente des ISO11783 Task-Managements (ISO 2009) . . i

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Traktoren als Sensoren Tabellenverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1.1. Primäre Funktionen eines Sensor Web (Botts et al. 2008) . . . 4 2.1. Teiles des Standards ISO11783 (’ISOBUS’) (ISO 2009). . . 13 2.2. Funktionsprofile des SOS . . . 19 2.3. Unterschiede zwischen Sensor Alert Service (SAS) und Sensor Event Ser-

vice (SES) nach Bröring et al. (2011) . . . 20 3.1. Rollen . . . 26 5.1. Zusammenfassung . . . 44

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Traktoren als Sensoren Listings

Listings

2.1. Einfache Auftragsbeschreibung . . . 14

4.1. Betriebsmittel aus ISO-Taskfile . . . 30

4.2. Produkte als Datasource in SensorML . . . 30

4.3. Auftragsdaten nach ISO11783 . . . 33

4.4. Auftragsresultate in ISO11783 . . . 38

A.1. InsertObservation der Auftragsresultate . . . i

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Traktoren als Sensoren Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungen

CAN Comment Allocation nach ISO11783:10 CTP Crop Type, Kultur nach ISO11783:10

DAN Device Allocation nach ISO11783:10

DDI Data Dictionary Identifier of Process Data Variable nach ISO11783:11

DVC Device, Maschine(-nkombination) nach ISO11783:10

EML Event Pattern Markup Language

FMIS Farm Management Information System

ISO International Organization for Standardization

O&M Observations and Measurements [OGC]

OGC Open Geospatial Consortium

PAN Product Allocation nach ISO11783:10 PDT Product, Betriebsmittel nach ISO11783:10

SAS Sensor Alert Service SES Sensor Event Service SOS Sensor Observation Service

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Traktoren als Sensoren Abkürzungsverzeichnis

SPS Sensor Planning Service SWE Sensor Web Enablement

TCU Task Controllinmg Unit

VCS Version COntrol System

WAN Worker Allocation nach ISO11783:10 WNS Web Notification Service

XPath Abfragesprache für XML-Ausdrücke und Dokumente

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Traktoren als Sensoren Einführung

1. Einführung

1.1. Ausgangslage und Motivation

Der Begriff ’Precision Farming’ beschreibt ein Managementprinzip der Landbewirtschaf- tung, das durch optimierte Betriebsführung und standortspezifische Anbaumethoden mehrere ökonomische und ökologische Ziele verfolgt: Einsparung von Betriebsmitteln, Ein- sparung von Maschinen - und Arbeitsressourcen, Verbesserung der Ertragsleistungen durch höhere Erträge und verbesserte Produktqualität sowie die Minimierung von Umweltbelas- tungen und die Förderung naturräumlicher Bedingungen (Linseisen, H. 2002)

Auernhammer, A.(1999) nennt vier Anwendungsgebiete des ’Precision Farming’ durch die genannten Ziele erreicht werden können: die teilflächenspezifische Dokumentation als Datengrundlage , die darauf aufbauende teilflächenspezifische Bestandsführung mittels GPS-unterstützter Gerätesteuerung und effizientes Flottenmanagement durch Routing und Lenkunterstützung.

Düngung Pflanzenschutz

Aussaat Beregnung

Anwendung

Evaluierung Informationssammlung

Analyse und Prognose

Abbildung 1.1.: Informationskreislauf im Precision Farmig (Auernhammer, A. 1999)

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Jeder der genannten Bereiche und vor allem deren Zusammenführung in das landwirtschaftliche Betriebsmanagement haben einen Zuwachs an Datenverarbeitung und Daten- austausch auf verschiedenen Ebenen zur Folge. Ertragskarten werden auf verschiedensten Geräten aufgezeichnet und müßen ausgewertet werden, Applikationskarten werden auf dieser und weiterer Basisdaten erstellt und als Arbeitsaufträge an die Maschinen übertra- gen werden, dort sollen diese teilflächenspezifischen Anweisungen von Geräten verschiedenster Hersteller umgesetzt werden.

Ein optimaler Informationsfluß zwischen diesen Bereichen ist eine Grundvorraussetzung für Erfolg und Akzeptanz des Precision Farming, Aufwand und Komplexität der Betriebs- führung, Koordination und Dokumentation steigen (Reichardt et al.(2009),Schneider, M.

& Wagner, P.(2007)).

Im Bereich der teilflächenspezifischen Gerätesteuerung wurden durch technische Ent- wicklung und Standardisierung Fortschritte gemacht. Softwarelösungen (Farm Manage- ment Information System (FMIS)) unterstützen die Landwirte bereits weitgehend bei der Dokumentation, Auswertung und Aufbereitung der Flächendaten. Automatisierte Auf- zeichnung und Gerätesteuerung bis zu Lenkassistenten haben sich am Markt durchgesetzt. Eine Vorraussetzung für diesen Erfolg war die Interoperabilität der angebotenen technischen Lösungen, die durch einen gemeinsamen Standard für Gerätekommunikation und -steuerung ermöglicht wurde.

Landmaschinenhersteller haben sich auf ein CAN-basiertes Protokoll für die Kommuni- kation zwischen Anbaugeräten, Traktoren und Steuerungscomputern geeinigt.

Vier zentrale Punkte für die effiziente Unterstützung von Entscheidungsprozessen sind ortsbezogene Messungen, Echtzeitverarbeitung der Daten, verkettete automatische Date- nerhebung und -auswertung und Transparenz für den Entscheider (Kitchen, N.R. 2008).

Die bisherige in ISO11783 (ISO 2009) beschriebene Form der Kommunikation zwischen Gerät undFMISerfüllt diese Anforderungen nicht.

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Bisherige Ansätze zur serverbasierten Nutzung von landwirtschaftlichen Prozessdaten erfolgten weitgehend in proprietären Systemen kommerzieller Anbieter oder in individuellen Pilotprojekten unterschiedlicher Art.

Proprietäre Lösungen erfüllen aber nicht die Anforderung eines flexiblen und Einsatzes, wie er für überbetriebliche Maschinennutzung durch Maschinenringe oder Dienstleis- ter gefordert ist. Eine reibungsloser Informationsfluß setzt die Verwendung einheitlicher Standards vorraus.

Als wesentliche Erfolgsfaktoren stelltL.A. Jensen(2007) mehrere Anforderungen heraus:

neben erwiesenen Kosten-Nutzen-Effekte sind Flexibilität und Einfachheit durch weitgehend automatisierte Konfiguration, Datenübertragung und Datenspeicherung sowie die Anbindung an weitere Werkzeuge in der Informationskette genannt. Flexibilität und eine offene Anbindung an weitere Informationssysteme setzt die Verwendung offener Stan- dards vorraus, um nicht an Anbieter geschlossener Systeme gebunden zu sein. Kitchen, N.R.(2008) betont den Bedarf einer Aufbereitung in Echtzeit für zeitkritische Entschei- dungsfindung und die Transparenz der Datenübertragung und Datenverarbeitung.

Ein standardisiertes Verfahren zur Datenübertragung und Datenspeicherung verschiedenster ortsbezogener Daten, die flexible Übertragung von Informationen in Echtzeit und die Steuerung durchzuführender Arbeiten ist also gesucht.

Nash, E. et al. (2009) hat bereits die Vorteile einer Anwendung der Open Geospatial Consortium (OGC)-Standards im landwirtschaftlichen Anwendungsfeld genannt:

• die weitgehende Abdeckung räumlicher Aspekte und Fragestellungen

• die Verfügbarleit bereits bestehender Standards und Schnittstellen

• die bereits bestehende Nutzung dieser Standards bei der Bereitstellung von Daten In1.2erwähnt er bereits die Möglichkeit einer dienstebasierten Kommunikation mit ISO11783- konformen Gerätesteuerungen überSensor Web Enablement (SWE)-Standards,geht dabei aber nicht tiefer auf Inhalte und Protokolle ein.

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sensors inter- face x RS232

protocol x ISO11783

adapter

sensors ISO- BUS

Data Source

Tier Observation

Cache / Repository

Tier (database) Service

Tier

SAS SPS SNS SOS

Client (FMIS)

sensors in-field sensor network

(wired and /or wireless ) sensor network gateway

(monolithic or distributed ) intranet / internet

(private or shared )

TML SensorML

sensors NCAP IEEE1451

adapteradapteradapter

Abbildung 1.2.: Einsatzpotentiale der SWE-Standards im Precision Farmin (Nash, E. et al.

2009)

Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass für die landwirtschaftliche Dateninfra- struktur im Precision Farming eine Lösung gesucht wird, die

• offen ist

• flexibel ist

• eine Datenübertragung in Echtzeit ermöglicht

• automatisierbar in Konfiguration und Verarbeitung ist

• bereits als akzeptierter Standard vorliegt

Ein Sensornetzwerk ist eine Menge räumlich verteilter Systeme für die Erfassung von Umweltphänomenen bezeichnet, die an ein Computernetzwerk angebunden sind. Als ’Sen- sor Web’ werden Sensornetzwerke und deren aufgezeichnete Daten bezeichnet, die im In- ternet über Standardprotokolle und Schnittstellen identifiziert und angesprochen werden können (Botts et al.(2008).

- Identifikation von für einen Anwendungsfall relevanten Sensorsystemen, Beobach- tungen und Prozessen

- Feststellen der Möglichkeiten eines Sensors

- Zugang zu allen benötigten Parametern zur automatisierten Weiterverarbeitung und rämlichen Zuordnung von Beobachtungen

- Abruf von Echtzeitdaten, Zeitreihen oder Geodaten in standardisierter Form - Steuerung von Sensoren

- Ereignisgesteuerte aktive Benachrichtigung bei Eintreten bestimmter Kriterien Tabelle 1.1.: Primäre Funktionen eines Sensor Web (Botts et al. 2008)

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Unter der Bezeichnung SWE wurden unter dem Dach des OGC eine Gruppe von offenen Standards und Schnittstellen zusammengefasst, die die in 1.1 gestellten Aufgaben abdecken sollen. Die Analogie drängt sich auf, landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge mit Anbaugeräte als mobile Sensorplattformen und Teil eines Sensornetzwerkes anzusehen.

Die in ISO11783 mangelnden Kommunikationsschnittstellen (ISO 2009) zur Selbstor- ganisation und Steuerung der Fahrzeuge sowie zur Arbeitsdokumentation (Abfrage und Aufarbeitung der erhobenen Daten) decken sich mit den o.g. Funktionen desSWE.

1.2. Motivation

Das vorrangige Ziel des Precision Farming, der ökonomisch optimalen Landbewirtschaf- tung mit minimalen ökologischen Beeiträchtigungen durch Einsatz von Information und Technik setzt effiziente Prozesse der Informationserfassung, -analyse und verwertung vorraus. Grenzen des Precision Farming werden neben Kosten und Verfügbarkeit der technischen Infrastruktur vorrangig durch den Aufwand für Informationsverarbeitung und -austausch gesetzt.

Die Motivation für diese Arbeit ergibt sich aus dem erkannten aktuellen Bedarf an offenen Schnittstellen und Protokolle für den Austausch landwirtschaftlicher Daten und der Ver- mutung, dass die Standards der Sensor Web Enablement Initiative diesen Bedarf decken können.

Trotz der sehr weiten und und flexiblen Fassung des Geltungsbereichs der Sensor Web Standards (SOS, SensorML, O&M) sind hier einige Besonderheiten des gewählten An- wendungsszenarios näher zu betrachten. Im Gegensatz zu klassischen Sensoren, die mehr oder weniger unverändert klar definierte Messungen durchführen ist im vorliegenden Fall die zeitliche Variabilität und Mobilität der eingesetzten Maschinen, die Komplexität der raumzeitlichen Zuordnung der Beobachtungen und das komplexere Auftragsmanagement im Detail zu betrachten. Eine möglichst lückenlose Einbindung der bestehenden Daten-

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strukturen (TaskData und Timelogs nach ISO11783) ist in diesem Zusammenhang ebenfalls zu beachten.

Die zukünftigen Potentiale der Sensor Web Enablement Standards als universelle Schnitt- stelle für Echtzeitdaten im landwirtschaftlichen Bereich sind nicht Teil dieser Arbeit, stellen aber eine weitere Motivation für diese Arbeit dar und sollen kurz angerissen werden.

Ein Datenaustausch nach ISO11783 ist inhaltlich und formell klar festgelegt um Inkom- patibilitäten möglichst zu vermeiden. Eine inhaltliche Ergänzung z.Bsp. der Arbeitsdo- kumentation um Bonituren oder Begründungen ist damit nicht oder nur begrenzt mög- lich. Die Übermittlung weiterer Beobachtungen über den verwendetenSensor Observati- on Service (SOS)ermöglicht diese Ergänzungen.

Der weite Begriff von ’Sensoren’ und beobachteten ’Phänomenen’ erlaubt neben der Ver- arbeitung der erhobenen Daten auch die weitergehende Analysen in Prognosemodelle und Applikationskarten. Die Möglichkeit der SWE-Standards zur Integration verschiedenster räumlich und zeitlich variabler Daten und deren transparente Verarbeitung und Bereitstel- lung bietet z.Bsp. die Möglichkeit, neben chemischen Bodenanalysen ,Wetterdaten und Befallsbonituren für Schädlinge auch bisherige Dünge- und Pflanzenschutzmaßnahmen in einer einheitlichen Infrastruktur zusammenfließen zu lassen.

1.3. Thesen und Fragestellungen

Die zentralen Thesen dieser Arbeit ergeben sich aus dem Analogieschluß, dass landwirtschaftliche Fahrzeuge als mobile Sensorplattformen angesehen werden können und die Anforderungen an den Datenaustausch bei Ihrer Nutzung sich mit den Funktionen (s.1.1) derSWE-Standards decken.

These 1, Traktoren als Sensoren: Landwirtschaftliche Maschinen lassen sich als Sen- sorsysteme im Sinne derOGCSensor Web Enablement Initiative beschrieben.

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These 2, SWE und ISOBUS: Die OGC Sensor Web Enablement Standards sind für die Kommunikation im landwirtschaflichen Arbeitsmanagement nach ISO11783 (’ISOBUS’) prinzipiell geeignet

Zur Prüfung dieser Thesen ergeben sich folgende Fragestellungen:

• Kann ein Fahrzeug mit Anbaugeräten nach ISO11783 als Sensorsystem nach Sen- sorML angesehen und beschrieben werden ?

• Können die bei der Arbeit erhobenen Daten in ihrem Raumzeitbezug beschrieben werden ?

• Welche Nachrichten und Daten müssen in welcher Form ausgetauscht und abgefragt werden ?

• Können diese Anforderungen bereits mit bestehenden Softwarelösungen abgedeckt werden ?

1.4. Zielsetzung und Vorgehensweise

Ziel der vorliegende Arbeit ist es, die Eignung der OGC-SWE-Standards für den Auf- bau einer Kommunikationsinfrastruktur für den Datenaustausch zwischen landwirtschaftlichen Management-Informationssystemen FMISund Fahrzeug- und Gerätesteuerungen im Precision Farming (Task Controllinmg Unit (TCU) nach International Organization for Standardization (ISO)) zu beurteilen und die Möglichkeit einer Umsetzung zu evalu- ieren.

Zur Beurteilung dieser Eignung werden Anwendungsfälle aus Inhalten und bisherigem Datenaustausch nach ISO11783 abgeleitet und deren mögliche Umsetzung mittelsSWE- Protokollen und -Schnittstellen nach vorher festgelegten Kriterien geprüft.

Die Bearbeitung dieser Fragestellung untergliedert sich in folgende Punkte:

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• Die Anwendungsfälle, beteiligte Elemente und Inhalte werden in Kommunikations- diagrammen dokumentiert und mit Beispieldaten aus der landwirtschaftlichlichen Praxis

• Beurteilungskriterien für die Eignungsfeststellung werden erarbeitet

• Die Umsetzung dieser Inhalte und ausgetauschter Nachrichten werden in Daten- strukturen und Nachrichten desSWEumgesetzt und nach den vorhandenen Sche- mata validiert.

• Aktuell verfügbare Implementierungen der genutztenSWE-Standards werden auf den Implementierungsgrad und Eignung gesichtet

• Aus den festgestellten Anforderungen, Schnittstellen derSWE-Standards sowie der geeigneten Implementierungen sowie festgestellter Lücken soll ein Anwendungs- konzept und Zielen der weiteren Entwicklung für dieses Anwendungsszenario erarbeitet werden

Als Datengrundlage dienen vorrangig die Teile 10 und 11 der ISO-Norm ISO11783 (ISO (2009) undISO(2007)), die Inhalte und Strukturen des Datenverkehrs zwischenTCUund FMISbeschreiben sowie die relevanten Standards und Schemata desOGC. Als Referenz- daten dienten aus verschiedenen FMIS erstellte, validierte und auf verschiedenen TCU abgearbeitete und aufgezeichnete Arbeiten. Als Editor und Validierungswerkzeug wurde der XML-Editor Oxygon 11.2 verwendet. Als Musterimplementierung der verwendeten SWE-Dienste wurden die Implementierungen der 52north-Initiative gewählt. Dies umfasst vorrangig SOS v.3.1 und SOS v.3.2.

1.5. Abgrenzung

Die vorliegende Arbeit umfasst die Frage nach der inhaltlichen Eignung derOGC-SWE- Standards für eine Anwendung in landwirtschaftlichen Management-Informationssystemen FMIS auf Grundlage der dokumentierten Möglichkeiten der Standards und bestehnder

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Implementierungen. Eine Anbindung technischer Geräte (z.Bsp. einer ISO-konformen TCU) sowie die Einbindung in bestehende Informationssysteme sind nicht Inhalt dieser Arbeit.

Neben der Erfüllung inhaltlicher Anforderungen sollen hier die Fragestellungen mit Raum- bezug vorrangig behandelt werden. Dies wären im einzelnen die Beschreibung der Geräte als Sensorplattform, die Dokumentation und Auswertung der Aufzeichnungen im Raum- bezug sowie Möglichkeiten zur Visualisierung dieser Aufzeichnungen.

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Traktoren als Sensoren Literaturüberblick

2. Literaturüberblick

2.1. Precision Farming

Die technischen Vorraussetzungen sind mit der Verbreitung mobiler Internetanbindung und steigender Prozessorleistungen inzwischen gegeben, flexible, einheitliche, offene und automatisierbare Mechanismen für den Datenaustausch sind aber noch nicht etabliert.

Diese Merkmale sind von entscheidender Bedeutung, da eine Vielzahl verschiedener Part- ner beteiligt sind (Sensoren und Maschinencontroller verschiedener Hersteller, zahlreiche Abnehmer der Daten (betriebseigene Farm Management Systeme (FMIS)’, nachgelager- te Logistik und Warenwirtschaft, Dienstleister, ’Auftraggeber’) und zuverlässig und mit geringstmöglichem Aufwand miteinander verbunden werden sollen.

Nikkilä, R. et al.(2010) nennen als Anforderungen an landwirtschaftliche Informations- system die Verwaltung von Geodaten, die Nutzung von externen Diensten und die Ver- meidung von Datenträgern als Kommunikationsmitteln. Die Übertragung von

Vier zentrale Punkte für die effiziente Unterstützung von Entscheidungsprozessen sind ortsbezogene Messungen, Echtzeitverarbeitung der Daten, verkettete automatische Date- nerhebung und -auswertung und Transparenz für den Entscheider (Kitchen, N.R. 2008).

Als wesentliche Erfolgsfaktoren stelltL.A. Jensen(2007) mehrere Anforderungen heraus:

neben erwiesenen Kosten-Nutzen-Effekte sind Flexibilität und Einfachheit durch weitgehend automatisierte Konfiguration, Datenübertragung und Datenspeicherung sowie die Anbindung an weitere Werkzeuge in der Informationskette genannt. Flexibilität und eine offene Anbindung an weitere Informationssysteme setzt die Verwendung offener Stan- dards vorraus, um nicht an Anbieter geschlossener Systeme gebunden zu sein.

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2.1.1. Vernetzung in de Landwirtschaft

Die Kommunikation zwischen Maschinenterminals und den beteiligtenFMISist ursprüng- lich dateibasiert (ISO 2009). Als Nachteile einer datei- und datenträgerbasierten Kommu- nikation (also des manuellen Austauschs und Auslesens von Datenträgern) sind unter anderem unregelmässige und verzögerte Übertragung, mangelnde Zuverlässigkeit durch Verschmutzung und Verlust sowie der Zeitaufwand für Durcjführung und Organisation Rothmund, M. (2007). Die zunehmende Verbreitung drahtloser Netzwerke und mobiler Internetzugänge ermöglichen die Anbindung mobiler landwirtschaftlicher Arbeitsmaschi- nenFMIS

Bisherige Ansätze zur serverbasierten Nutzung von landwirtschaftlichen Prozessdaten wie FarmPilot (Börnsen 2011) erfolgten weitgehend in proprietären Systemen kommerzieller Anbieter oder in individuellen Pilotprojekten.

Steinberger et al.(2006) skizziert bereits eine serverbasierte Verarbeitung von ISO11783- basierten Prozessdaten für die Bereitstellung für den Konsumenten (i.d.R. der Landwirt).

Ein Protokoll für die automatisierbare Verarbeitung, Weiterverarbeitung und Abfrage dieser Daten insbesondere unter Berücksichtigung des Raumbezugs dieser Daten nennt er aber nicht. Für den Konsumenten werden nur eine Downloadmöglichkeit und eine agroXMNL- Schnittstelle genannt, wobei zu beachten ist, das agroXML zur Beschreibung für landwirtschaftliche Daten im XML-Format dient und keine Schnittstellen zur Übermittlung oder Abfrage dieser Daten umfasst (Steinberger et al.(2007).

Für die Vernetzung landwirtschaftlicher Geräte lassen sich mehrere Kernanforderungen zu nennen: (Murakami, E. et al. 2007) nennt weitgehend aitomatische Bedienung, Ska- lierbarkeit, volle Kontrolle.Olaf Nölle(2004) betont die Schnelligkeit und Sicherheit als weitere Anforderungen für die Akzeptanz von Geodateninfrastrukturen,

Fountas et al. (2006) nennt 3 Ebenen der Entscheidungsfindung (strategische, taktische und operationelle), die alle den Zugriff auf raumbezogene Datenquellen verschiedener Herkunft erfordern.

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Die Informationsflüsse auf strategischer, taktischer und operationeller Ebene zwischen dem Landwirt als Entscheider und verschiedenen Datenquellen stelltSorensen et al.(2010) dar. Neben externen Datenquellen wie Anbauempfehlungen der Beratunsgdienste, Wet- terinformationen und rechlichen Richtlinien werden Aufzeichnungen zu Standorteigen- schaften, Anbauhistorie und Ertragsdaten herangezogen. Die Konzentration dieser Dar- stellung auf den Landwirt als Entscheider reduziert die Darstellung der tatsächlichen In- formationswege auf diese zentrale Rolle. Operationale Planung, Durchführung und Eva- luation der Arbeiten werden durch zunehmende Auslagerung der Arbeiten auf mehrere Beteiligte verteilt, deren Informationsstand, Entscheidungen und Arbeitsresultate koordi- niert werden müssen. Gerade auf der Ebene der operationalen Planung und Durchführung sind Echtzeitinformationen von entscheidender Bedeutung.

2.2. ISOBUS

Abbildung 2.1.: Schematische Darstellung der ISOBUS-Komponenten auf einem Fahr- zeug

ISOBUS (= ISO11783) vereinheitlicht die Kommunikation zwischen Traktoren und An- baugeräten, aber auch zwischen diesen mobilen Systemen und der vor- und nachgelager- ten Datenverarbeitung in (FMIS) oder Logistikmanagementsystemen.

Unter dem Begriff ISO11783 werden aktuell 13 Teile zusammengefasst, weitere Erwei- terungen sind in der Entwicklung. Die Teile 1-9 sind weitgehend der Vereinheitlichung der Gerätesteuerung und der Gerätekommunikation gewidmet, während die Teile 12 und

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13 der Diagnose und Datenhaltung dienen. Für diese Arbeit sind vorrangig die Teile 10 und 11 von Bedeutung, die Auftragsmanagement und Datenaustausch beschreiben (Teil 10) sowie einen allgemeingültigen Katalog von numerischen Meß- und Stellgrößen als gemeinsame Grundlage für Maschinensteuerung und Dokumentation bereitstellen.

ISO-Standard Titel

ISO11783.1 General standard for mobile data communication ISO11783.2 Physical layer

ISO11783.3 Data link layer ISO11783.4 Network layer

ISO11783.5 Network management ISO11783.6 Virtual terminal

ISO11783.7 Implement messages application layer ISO11783.8 Power train messages

ISO11783.9 Tractor ECU

ISO11783.10 Task controller and management management information system data interchange

ISO11783.11 Mobile data element dictionary ISO11783.12 Diagnostics

ISO11783.13 File Server

Tabelle 2.1.: Teiles des Standards ISO11783 (’ISOBUS’) (ISO 2009)

2.2.1. ISOBUS Task Management

Teil 10 (ISO 2009) behandelt die inhaltliche Beschreibung des Auftragsmanagements und der Arbeitsdokumentation für ISO11783-kompatible Fahrzeuge. Da die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Auftraggeber grundsätzlich noch auf einen manuellen Austausch von inhaltlich und formell definierten Dateien beruht stellt deren Aufbau ein allgemein akzeptiertes Modell für die Inhalte der Kommunikation zwischen Fahrzeug und Manage- ment dar.

Der Austausch erfolgt mittels einer schema-definierten XML-Datei TASKDATA.XML und (optional) weiteren Binärdateien zur Arbeitsdokumentation, die Zeit- und ortsbezogene Werte für jeden Auftrag enthalten.

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• zugeordnete Arbeiter und Maschinen

• einzusetzende Betriebsmittel

• aufzuzeichnende Daten und

• Angaben zur Fläche, also Zuordnung zu einem bestimmten Feld als auch Beschrei- bung von Zonen verschiedener Behandlung als Vektordaten oder Verweis auf Ras- terdaten definierter Form als Applikationskarten

Detaillierte teilflächenspezifische Auftragsbeschreibung Behandlungszonen kann innerhalb des Auftrags erfolgen oder durch Verweis auf Rasterdaten.

<TSK A="TSK-1297" B="PS Fungizid Getreide" C="CTR2222" D="FRM2222" E="PFD211244" F="

WKR190001" G="1" H="5">

< / PDV>

< / TZN>

< /TSK>

Listing 2.1: Einfache Auftragsbeschreibung

An diesem sehr einfchen Beispiel können die Hauptkomponenten einer Auftragsbeschrei- bung dargestellt werden. Dem Auftrags-Element TSK sind eindeutige Kennung, Bezeich- nung und ZUordnungen zu Feld, Betrieb, durchführender Person und Auftragsstatus at- tributiv zugeordnet. Im weiteren wird ein Anwendungsraum TZN mit Sollwerten (PDV, hier die Volumen-Sollaufwandmenge einer Tankmischung festgelegt - hier ohne Angabe des Flächenumrisses. Es folgen die anzuwendende Technik (OTP), der geplante Ausfüh- rungszeitraum (TIM) und die aufzuzeichnenden Einzeldaten (DLT). Hier ist zu anmerken, dass für jeden Auftrag selektiv ausgewählt werden kann, welche Meßwerte aufgezeichnet werden sollen.

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Die Auftragsbeschreibung verweist auf einen ebenfalls enthaltenen Stammdatenkatalog mit Betriebsmitteln (Product, Betriebsmittel nach ISO11783:10 (PDT)), Kulturen (Crop Type, Kultur nach ISO11783:10 (CTP)) und Arbeitskräften sowie Kommentaren, sowie bewirtschafteten Flächen(glsPDF) und ggf. Kunden mit. Diese Kataloge dienen der flexiblen Anpassung bestehender Aufträge bzw. Erstellung neuer Arbeiten vor Ort.

Eine Sonderstellung nimmt hier die Gerätebeschreibung inDevice, Maschine(-nkombination) nach ISO11783:10 (DVC)-Elementen ein, die Funktionen un räumliche Anordnung des Fahrzeuges und der Anbaugeräte beschreibt. Die Gerätebeschreibung ist rekursiv angelegt, jedes DVC kann also beliebige weitere DVC-Unterelemente wie Tanks, Anbaugerä- te, Regelventile etc. enthalten. Für eine vollständige Abbildung dieser Gerätebeschreibun- gen ist auch in anderen Beschreibungssprachen wie SensorML die Möglichkeit rekursiver Strukturen gefordert.

Abbildung 2.2.: Struktur einer Gerätebeschreibung nachISO(2009)

Stammdaten und Gerätekonfiguration sind nicht unveränderlich und ihre Gültigkeit ist strenggenommen auf den Bearbeitungszeitraum eines Auftrags begrenzt.

2.2.2. ISOBUS Aufzeichnungen

Zentrale Punkte für die Anbindung des ISOBUS Task Management an serverbasierte Dienste stellt (L. Pesonen & Kivipelto 2007) dar. Die kritischen Punkte der Offenheit, Die Arbeitsdokumentation kann verschiedene Aufzeichnungen mit unterschiedlichem räum- lichen und zeitlichen Bezug enthalten. Hier sind aggregierte Werte, Einzelereignisse und

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• Aggregierte flächenbezogene Ergebnisse zur gesamten durchgeführten Arbeit wie Gesamtdauer, bearbeitete Fläche. Diese Werte beziehen sich auf die während der Arbeitsdurchführung bearbeitete Fläche

• Aggregierte streckenbezogene Ergebnisse zur gesamten durchgeführten Arbeit wie Gesamtdauer, gefahrene Strecke, Treibstoffverbrauch . Diese Werte beziehen sich auf die während der Arbeitsdurchführung gefahrenen Strecken

• Einzelereignisse werden als sogenannte Allocations mit definiertem Ort und Zeit- punkt bzw. Zeitspanne aufgezeichnet. Als Beispiele seien hier Kommentare und Bonituren als Comment Allocation (Comment Allocation nach ISO11783:10 (CAN)) genannt, Fahrer- und Geräteeinsatz als Worker Allocation (Worker Allocation nach ISO11783:10 (WAN)) und Device Allocation sowie Tankbefüllungen und -entleerungen (Product AllocationProduct Allocation nach ISO11783:10 (PAN))

• Eine kontinuierliche Aufzeichung von Position, Zeitpunkt sowie weiteren Stell- größen und Meßwerten erfolgt für jeden Auftrag in Binärdaten, deren Inhalt und Aufbau ebenfalls in Teil 10 festgelegt ist. Der räumliche und zeitliche Gültigkeits- bereich dieser aufgezeichneten Werte ist durch Fahrspur und inhaltlichem Kontext (Arbeitsbreite, Teilbreitenschaltung, etc.) festgelegt.

• Neben Beschreibung des auszuführenden Arbeiten in sogenannten Tasks und der Dokumentation ausgeführter Arbeiten enthält diese TASKDATA.XML alle für die Beschreibung der Arbeiten benötigten Stammdaten wie Gerätebeschreibungen, zur Verfügung stehende Arbeiter und Betriebsmittel, Felder, Betriebsmittel. Diese An- gaben sind allgemein gültig aber nicht unveränderlich.

Steinberger et al. (2006) hat bereits früh eine dienstebasierte Architektur für ISO11783- Prozessdaten vorgeschlagen und eine Beispielimplementierung vorgestellt. Konkrete Aus- sagen zu Schnittstellen wurden dabei nicht gemacht. Die als Schnittstelle angesprochene landwirtschaftliche Beschreibungssprache agroXML enthält keine Kommunikationspro- tokolle (Steinberger et al. 2007) . Die Verknüpfung der verschiedenen Informationsflüsse und lang- sowie kurzfristigen Entscheidungsprozesse legt Sörensen, C. G. et al. (2010)

(28)

dar. Insbesondere die kurzfristige taktische Einsatzplanung mit Evaluierung aktuell lau- fender Arbeiten setzt die Einbindung von Echtzeitinformationen der Gerätesteuerungen in die Management-Informationssysteme der Entscheider.

2.3. Sensor Web Enablement

A sensor network is a computer accessible network of many, spatially distributed devices using sensors to monitor conditions at different locations, such as temperature, sound, vibration, pressure, motion or pollutants. A Sen- sor Web refers to web accessible sensor networks and archived sensor data that can be discovered and accessed using standard protocols and application program interfaces (APIs).

Als zentrale Begriffe der Definition eines Sensornetzwerkes nennt (Botts et al. 2008) hier die weite Fassung des Begriffs ’Sensor’ Einrichtung zur Beobachtung von Umweltbe- dingungen , den Raumbezug dieser Beobachtungen und die Einbindung, Abfrage und Steuerung der verwendeten Sensoren über ein Netzwerk über Standard-Protokolle und Schnittstellen.

Von der Sensor Web Enablement Working Group des OGCwurde eine Sammlung von Standards zur Beschreibung von Sensordaten und zugehörigen Metadaten sowie Schnitt- stellen zum Austausch dieser Daten festgelegt.Jirka & Simonis(2009) unterteilen diese Standards in funktionale und inhaltliche Teile (2.3).

Sensor Web Enablement (SWE) Informations-Modell Service-Modell

SOS SPS

SAS WNS

O&M SensorML

SWE Common TML

Abbildung 2.3.: Überblick über die Sensor Web Enablement Architektur (Jirka & Simonis 2009)

(29)

2.3.1. SensorML und O&M

Nach der Begriffsdefinition inBotts & Robin (2007) ist ein Sensor ein Prozess oder Ob- jekt dass zur Beobachtung eines Phänomens dient, also einer Eigenschaft des betrachteten Objektes. Die Begriffsdefinitionen sind bewußt sehr weit gefasst und umfassen damit sowohl Geräte zur Messung physikalischer Parameter als auch menschliche Betrachter oder Modellrechnungen zu bestimmten Fragestellungen. Die Beschreibungsspreche SensorML dient daher nicht in erster Linie der Beschreibung des Aufbaus eines Gerätes sondern allgemeiner der beteiligten Prozesse an der Betrachtung Phänomene.

Dieser sehr weite Begriff von Sensoren umfasst damit auch die in der Eingangsfrage, ob Traktoren als Sensor bzw. Sensorsysteme betrachtet werden können. Die Betonung von Raum- und Zeitbezug der Beobachtungen eines Sensors und deren Resultate deckt sich mit dem Flächenbezug jeder landwirtschaftlichen Arbeit.

Abbildung 2.4.: Allgemeiner Aufbau eines Observation-ElementsCox(2007a) Die StandardsCox (2007a) und Cox(2007b) dienen der Festlegung welche Informatio- nen zur Beschreibung einer Beobachtung nötig sind. Neben dem Raum- und Zeitbezug (wann wurde die Beobachtung gemacht, wo wurde die Beobachtung gemacht, für welchen Bereich und Zeitraum ist sie gültig?) sind dies eine eindeutige Bschreibung des beobachteten Phänomens, für die Beobachtung relevante Parameter (Sensoreinstellungen, beein- flußende Umweltbedingungen etc.) und die zur Beobachtung des Phänomens verwendete

’Prozedur’, wobei es sich explizit nicht um ein technisches Gerät handeln muß sondern ebenso Modellrechnungen für abgeleitete Beobachtungen oder sujektive Wahrnehmung von Individuen handeln kann.

(30)

2.3.2. Sensor Observation Service

Die grundlegenden Funktionen desSOSumfassen nur die Abfrage der Möglichkeiten des Dienstes, der Beschreibung des relevanten Sensors und der gewünschten Ergebnisse. Das Einfügen neuer Sensoren oder Aufzeichnungen übder Schnittstellen des SOS ist einer Er- weiterung, dem sogenannten transactional SOS (SOS-T) vorbehalten, ebenso wie weitere Funktionen wie die Abfrage der geografischen Zuordnung einer Beobachtung oder die vereinfachte Abfrage größerer Datenmengen.

Core Profile Transactional Profile Enhanced Profile GetCapabilities RegisterSensor GetResult

DescribeSensor UpdateSensor GetObservationById GetObservation InsertObservation GetFeatureOfInterest

GetFeatureOfInterestTime DescribeFeatureType DescribeObservationType DescribeResultModel Tabelle 2.2.: Funktionsprofile des SOS

Nötige Anpassungen an mobile, also räumlich und zeitlich veränderbare Sensoren wurden von Stasch, C. et al. (2008) erarbeitet. UpdateSenor dient dazu, Eigenschaften bereits registrierter Sensoren zu aktualisieren. Zum jetzigen Zeitpunkt ist nur die Aktualisierung der Sensorposition und die Verfügbarkeit des Sensors implementiert.

Neben der Abfrage der Möglichkeiten des Dienstes selbst und der Beschreibungen der damit verwalteten Sensoren bietet der SOS als obligatische Funktion die Abfrage von Er- gebnissen nach inhaltlichen, räumlichen und zeitlichen Kriterien. Darauf aufbauend dient das ’transactional profile’ dem direkten Hinzufügen von Sensoren und Beobachtungen über denSOS. DAs ’Enhanced Profile bietet darüber hinaus die Möglichkeit gezielt die räumliche Bezugsrahmen der Beobachtungen abzufragen (GetFeatureOfInterest, Descri- beFeatureOfInterest,GetFeatureOfInterestTime) oder die Beobachtungen auf vereinfachte und effizientere Art abzufragen. UpdateSensor dient der Aktualisierung einfacher Para- meter eines Sensors, insbesondere dessen Position bei mobilden Sensoren oder dessen

(31)

2.3.3. Sensor Alert Service (SAS) und Senser Event Service (SES)

Der Sensor Alert ServiceSASwurde mit dem Ziel entwickelt, nach einem publish/sub- scripe eine aktive Übermittlung von Sensordaten nach bestimmten Kriterien zu ermögli- chen (Simonis 2006). Durch dieOGCwurde SAS nicht als Standard verabschiedet.

Die Filtermöglichkeiten des SAS sind beschränkt und für komplexere Fragestellungen unzureichend. Mit dem SES(Echterhoff & Everding 2008) wurde ein neuer, flexiblerer Ansatz vorgeschlagen. Aktuelle Implentierungen befinden sich noch im Entwicklungs- stadium (Echterhoff & Everding(2008),Bröring et al.(2011))

Funktion SAS SES

Filtermöglichkeiten eingeschränkt auf einfache Verglei- che und Grenzwerte

OGC Filter Encoding Räumliche Filter nur über Boun-

dingBox

Event Pattern Markup Language (EML) Markup Language

Abfragesprache für XML- Ausdrücke und Dokumen- te (XPath)

Ergebnisse eigenes Format Observations and Measu-

rements [OGC] (O&M)

Tabelle 2.3.: Unterschiede zwischenSASundSESnachBröring et al.(2011) SES wird über deutlich weitergehende Filterfunktionen für die Beschreibung zu übermit- telnder Ereignisse. Mit der Verwendung desOGCFilter Encoding wird derselbe Macha- nismus wie in anderenOGC-Standards eingesetzt, zudem bietet die Event Pattern Markup LanguageEML die Möglichkeit der Beschreibung abgeleiteter und kombinierter Ereig- nisse. Das Verlassen eines Feldes als Ereigniss (Ereignis wenn außerhalb Feld und zuvor innerhalb) oder einer Statusänderung (TaskID anders als bei vorherigem Meßwert oder Taskstatus ändert sich) sind hier als Beispiele zu nennen.

(32)

GetCapabilities() Capabilities Response SOS instances

SOS1:SOS SOS2:SOS

Catalog :CSW Catalog Consumer

GetRecords()

GetCapabilities() Capabilities Response

GetCapabilities() Capabilities Response DescribeSensor() TML or SensorML

DescribeSensor() TML or SensorML GetObservation()

O&M Data GetObservation()

O&M Data

GetObservation() O&M Data

Abbildung 2.5.: Sequenzdiagramm SOS

Abbildung 2.6.: Funktionen und Schnittstellen des SAS (Simonis 2006)

(33)

Web Notification Service (WNS) beschrieben, auf dem im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter eingegangen wird abgesehen von der prinzipielen Verfügbarkeit eines bestehenden Mitteilungnmechansimus für Nachrichten an Anwender.

2.3.4. Sensor Planning Service (SPS)

Der Sensor Planning Service (Sensor Planning Service (SPS), (Simonis 2007)) dient der Steuerung von Sensoren.

Abbildung 2.7.: Sequenzdiagramm des Sensor Planning Services

Neben dem obligatorischen GetCapabilities gibt der SPS über DescribeTasking nähere Informationen über die verfügbaren Parameter der Sensorsteuerung. GetFeasability und GetReservation bieten die Möglichkeit die Durchführbarkeit eines ’Taskings’ zu prüfen bzw. die Ressourcen für diesen Task zu reservieren. Mit Submit wird der Task letztendlich an das Sensorsystem übertragen und die Annahme mit Rückgabe einer eindeutgen TaskID bestätigt.

Die Form und Inhalte der Steuerungsparameter sind inner halb des SPS-Schemas nicht festgelegt. Mit GetStatus kann aktiv der Bearbeitungsstatus eines Taskes abgerufen werden letztendlich dieser Task mit Canceloder Update verändert oder abgebrochen werden.

Also zusätzliche Information liefert der SPS auf eine DescribeResultAccess-Anfrage die

(34)

Information, über welche Wege die Ergebnisse des beauftragen Task abgerufen werden können.

2.3.5. Aktueller Stand der Entwicklung und Implementierungen

Der vorliegende Anwendungsfall verlangt das Zusammenspiel zumindest der drei Stan- dardsSOS,SPSundSASoderSES.Bröring et al.(2011) nennt nur zwei Projekte, die bereits alle drei benötigten Aspekte (Verwaltung der Beobachtungen, Steuerung der Senso- ren, Benachrichtigungen) abdecken. Die vollständigste Implementierung der SWE-Standards ist durch die 52north-Initiative erfolgt. Neben pen Profilen CoreSOS, Enhanced SOS und Transactional SOS (reftab:tabSOSProfiles besteht auch eine Erweiterung für Mobile Sen- sorplattformen (Stasch, C. et al. 2008).

(35)

Traktoren als Sensoren Projektbeschreibung

3. Projektbeschreibung

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Eignung derOGCSensor Web Enablement Stan- dards für die Verwendung im Kontext landwirtschaftlicher Arbeitssüberwachung und Do- kumentation zu prüfen.

Die Eignung einer Sammlung von Standards und Protokollen für ein Anwendungssze- nario mit mehreren Anwendungsfällen ist eindeutig und vollständig erst mit der Imple- mentierung einer voll funktionalen Lösung nachgewiesen. Wie bereits in Abschnitt 1.5 erwähnt ist eine vollständige Umsetzung mit Anbindung von ISO11783-kompatiblen Fah- rezeug als Zielplattform im Rahmen dieser Arbeit nicht vorgesehen.

Auf den Nachweis der hinreichenden Bedingung einer funktionierenden Beispielanwen- dung wird verzichtet, Aussagen zur prinzipielle Eignung sind aber mit der Überprüfung der notwendigen Bedingungen hierfür auf konzeptioneller, syntaktischer und inhaltlicher Ebene möglich.

Die Identifikation dieser Bedingungen umfasst folgende Aspekte:

• Welche Funktionen sollen mit der Anwendung dieser Standards erfüllt werden ?

• Welche Inhalte, also Datentypen, Strukturen und Zusammenhänge sollen abgebildet und ausgetauscht werden ?

• Welche Nachrichten sollen syntaktisch und inhaltlich ausgetauscht werden.

• Welche Informationen sollen in welcher Form aus abgefragt werden können ? Die für das untersuchte Anwendungsszenario benötigten verschiedenen Komponenten derSWE-Standards befinden sich in unterschiedlichen Stufen des Standardisierungs- und Umsetzungsprozessen.

(36)

Während der Standards SWE Service Model (Echterhoff 2011), der Sensor Planning Ser- vice (Simonis, I. & Echterhoff, J. 2011) für die Steuerung und die Beschreibung von Ob- servations and Measurement (O&M, (Cox 2010) in den letzten Monaten bereits in einer weitgehend überarbeiteten Version 2.0 veröffentlicht wurden sind der Sensor Observation Service (Na et al. 2007) noch auf dem Stand 1.0 aus dem Jahre 2007. Für diese kürzlich veröffentlichten

Der Sensor Alert Service (Simonis 2006) wurde bisher nicht verabschiedet und wird vor- raussichtlich durch den Senbsor Event Service ersetzt, der noch nicht als Standard veröf- fentlicht wurde und für den es zum jetzigen Zeitpunkt weder Schema-Informationen noch (abgesehen von Entwickler-Versionen) veröffentlichte Implementierungen gibt.

Die Beantwortung der Frage nach der Eignung derSWE-Standards sollte also mindestens 3 Perspektiven berücksichtigen: den Stand der aktuellen Implementierungen, den Stand der aktuell als Standard veröffentlichten Versionen oder den Stand, der nach Konzeption und angestrebten Funktionen nach Abschluß der Standardisierungsarbeiten zu erwarten ist.

3.1. Fragestellungen

3.1.1. Anwendungsfälle und beteiligte Anwender

3.2. Beurteilungskriterien

Für die Bewertung der Eignung einer SWE-Infrastruktur als Kommunikationsplattform im Precision Farming nach ISO11783 werden folgende Beurteilungskriterien herangezogen:

• Ist die inhaltliche Beschreibung Beschreibung aller zu übermittelnden Informatio- nen möglich, ausreichend und eindeutig ?

(37)

Rolle Beschreibung

Disponent Vergibt und aktualisiert Aufträge (Arbeit X auf Feld Y) an Fahrzeuge) Ruft aktiv Zustand und Position/Fahrstrecke zu Fahrzeug ab

Benötigt Mitteilung bei Statusänderung, Erledigung, Abweichung von Soll

Ruft aktiv Zustand und Position/Fahrstrecke zu Fahrzeug ab Fahrer Registriert Fahrzeug in System

Informiert über Änderung Position, Gerätestatus, Ladevorgang Informiert über Änderung Auftragsstatus

Übermittelt Aufzeichnungen zu aktuellem/abgeschlossenen Auftrag Ruft aktiv Zustand,Position, Auftrag anderer Fahrzeuge in Flotte ab Benötigt Mitteilung bei Statusänderung anderer Fahrzeuge in Flotte Auftraggeber übermittelt Auftrag an Disponent

- Flächen - Art der Arbeit

- einzusetzende Betriebsmittel

- Aufwandmengen, ggf. Applikationskarten Benötigt Mitteilung für seine Aufträge bei - Statusänderung

- Erledigung

- Abweichung von Soll - Ladevorgang

Ruft Aufzeichnungen zu aktueller/erledigten Arbeiten ab - bearbeitete Fläche

- Aufwandmengen - Erntemengen - Ladevorgänge

Tabelle 3.1.: Rollen

(38)

• Decken die Strukturen der vorgesehenen Schnittstellen alle zu übermittelnden Nach- richten ab?

• Ist eine Weiterverwertung der aufgezeichneten Daten in anderen Informationssys- temen möglich

3.3. Datengrundlagen

3.3.1. ISOBUS-Daten

Zur Abbildung gängiger ISOBUS-Taskdata wurden vorhandene und von Landwirten über- lassene Auftragsdaten und Aufzeichnungen der gängigenFMIS-Hersteller verwendet bzw.

diese Auftragsdaten selbst erstellt.

Zur Prüfung der Ausgangsdaten wurde eine Validierung nach Schemadaten zu ISO11783 durchgeführt.

3.3.2. SWE-Standards und Implementierungen

Zur Abbildung der Inhalte in Strukturen und Schnittstellen desSWEwurden die aktuellen Schemadaten desOGCgenutzt.OGC(2011)

Als Testimplementation wurde die vollständigste verfügbare Implementierung eines SOS verwendet, 52north-SOS (52^◦North 2010). Im Bearbeitungszeitraum waren die Versionen 3.0.1, 3.1.1 und zuletzt die Version 3.2 vom 20.6.2011 im Einsatz.

Die frühen Versionen waren noch auf die Unterstützung einfacher Meßwerte beschränkt und für die Abbildung komplexerer Beobachtungen oder komplexerer räumlicher Bezie- hungen nicht geeignet. Die zuletzt erschienene Version 3.2 setzt bereits einige erst für SOS 2.0 vorgesehene Strukturen um, die bisher als SOS-T oder SOSmobile (Stasch, C.

et al. 2008) Erweiterungs-’profile’ des SOS 1.0 in die Entwicklung Eingang fanden.

(39)

Auf den Einsatz des nicht mehr weiterentwickleten SAS und des noch nicht als Standard veröffentlichten SES in der zuletzt veröffentlichten Version 0.0.1 vom 25.10.2009 wurde angesichts des jeweiligen Standes der STandardisierung bzw. Implementierung verzichtet.

Die Eignung dieser Teile desSWEberuht daher ausschließlich auf Literaturangaben.

Weitere SOS-Implementierungen in einem vrgleichbar umfassenden und aktuellen Ent- wicklungsstand lagen nicht vor. Der ebenfalls frei verfügbare deegree-SOS-ServerMays (2010) erfüllt nur das SOSCore-Profil mit den Funktionen (GetCapabilities, DescribeSen- sor, GetObservation) plus GetFeatureOfInterest und ist damit nicht für den vorgesehenen Anwendungsfall ausreichend.

(40)

Traktoren als Sensoren Ergebnisse

4. Ergebnisse

4.1. Beteiligte Akteure und Anwendungsfälle

In Tab.3.1sind die beteiligten Akteure der untersuchten Anwendungsfälle und deren An- forderungen zusammengestellt. Bei der Umsetzung dieser Anforderungen ist zu beachten, dass alle Beteiligten zumindest von der technischen Seite bereits ISO11783-kompatible Daten erstellen, verarbeiten und auswerten können (Erstellung, Umsetzung und Auswer- tung der Auftragsdaten sowie Verwaltung der Gerätekonfigurationen). Eine vollständige Umsetzung der zu übermittelnden Inhalte ist nur bei Verwendung in Zusammenhang mit SWE-Diensten erforderlich.

Die Handlungen der einzelnen Akteure lassen sich 5 Anwendungsfälle verallgemeindernd zusammenfassen:

Anwendungsfall 1: Hinzufügen/Ändern einer Gerätekombination

Bei Inbetriebnahme eines neuen Fahrzeuges/Gerätes sollte dieses automatisch seine aktuelle Gerätekonfiguration und Position bekanntgeben. Die nach ISO11783 als DVC- Element beschriebene KOnfiguration sollte unverändert übermittelt werden und nur die für die Funktionen desSWEbenötigten Informationen gesondert übermittelt werden.

Es wird also eine Funktion zum aktiven Hinzufügen und nachträglichen Verändern einer Gerätebeschreibung in ein Verwaltungssystem geben als auch die Möglichkeit ein nicht mehr zur Verfüung stehendes Fahrzeug aus dem System zu entfernen. Inhaltlich ist die Übertragung der Identifikationsmerkmale sowie der Gerätebeschreibung mit Bauteilen,

(41)

Funktionen und räumlicher Anordnung zu gewährleisten. Die geforderte Übertragung von Ereignissen zu einzelnen Anbaugeräten (Tank leer) oder der Verarbeitung von Teilbreiten verlangt die Übertragung der genauen Systemkonfiguration SWE-konforme Systembe- schreibung.

Listing 4.1: Betriebsmittel aus ISO-Taskfile

< s m l : c o m p o n e n t name="Products">

< s m l : D a t a S o u r c e >

< s m l : d a t a D e f i n i t i o n >

< s w e : D a t a B l o c k D e f i n i t i o n >

< s w e : c o m p o n e n t s name="PDT">

< s w e : D a t a R e c o r d >

< s w e : f i e l d name="ProductID">

< s w e : T e x t

d e f i n i t i o n ="urn:x-ogc:def:phenomenon:ISO11783:ProductID"/ >

< / s w e : f i e l d > < s w e : f i e l d name="ProductDesignator">

< s w e : T e x t

d e f i n i t i o n ="urn:x-ogc:def:phenomenon:ISO11783:ProductDesignator"/ >

< / s w e : f i e l d > < s w e : f i e l d name="ProductGroupIDRef">

< s w e : T e x t

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< / s w e : f i e l d > < s w e : f i e l d name="ValuePresentationIDRef">

< s w e : T e x t

d e f i n i t i o n ="urn:x-ogc:def:phenomenon:ISO11783:ValuePresentationIDRef"/ >

< / s w e : f i e l d >

< / s w e : D a t a R e c o r d >

< / s w e : c o m p o n e n t s > < s w e : e n c o d i n g >

< s w e : T e x t B l o c k d e c i m a l S e p a r a t o r ="." b l o c k S e p a r a t o r =""

t o k e n S e p a r a t o r =" "/ >

< / s w e : e n c o d i n g >

< / s w e : D a t a B l o c k D e f i n i t i o n >

< / s m l : d a t a D e f i n i t i o n > < s m l : v a l u e s >

"PDT3" "ROVRAL" "PGP1" "VPN1" "PDT4" "Spritzbruehe" "PGP4" "VPN2" "PDT5"

"Winterraps" "PGP2" "VPN3"

< / s m l : v a l u e s >

< / s m l : c o m p o n e n t >

< / s m l : D a t a S o u r c e >

(42)

Die offene Struktur der Sensorbeschreibungen in SensorML sind ausreichend für die Abbildung des Aufbaus einer Fahrzeug-/Gerätekombination nach ISO11783. Auch die rekursiv-hierarchische Struktur von Komponenten, die weitere Komponenten enthalten kann abgebildet werden. Eine exakte und interoperable (also hersteller- bzw systemüber- greifende) Beschreibung ist aber durch die Vielfalt der möglichen Varianten vorab auf eine bestimmte Voransgehensweise oder in einem Profilmechanismus festzulegen. Auch die Übermittlung der originalen Gerätebeschreibung als ISO11783-DVC-Elemente ist mög- lich.

Sogenannte Stammdaten, also dem TaskController zur Verfügung gestellte Datensamm- lungen können als sog. Datasource direkt in der Sensorbeschreibung eingeschlossen werden. SensorML ermöglicht es, sogenannte Datasources als Systemkomponenten einzu- binden. Diese Datasources können u.a. tabellarische Sammlungen von Systemparametern bereitzustellen.

Die mögliche rekursive Struktur der Device-Elemente aus ISO11783 als SensorML abgebildet werden. Komplexe, Rekursive Sensorbeschreibungen werden in der aktuellen 52north-SOS-Implementierung nicht unterstützt.

Die Beschreibung eines Sensorsystems ist im Rahmen des SWE statisch angelegt. Das transaktionale Profil desSOSsieht mit RegisterSensor nur eine einmalige Registrierung eines Sensorsystems vor (Na et al. 2007). DieSOS-Implementierung der 52North-Initiative implementiert eine weitere Funktion updateSensor, die aber aktuell nur Änderungen der Position und der Statuswerte für Mobilität und ’Aktivität’ unterstützen.

Landwirtschaftliche Fahrzeuge sind in Ihrer Geräteausstattung, hinterlegten Basisdaten und bereitgestellten Daten prinzipiell dynamisch, also mit der Zeit veränderlich. Diese Veränderbarkeit ist in SOS 1.0 und nicht direkt abzubilden. Die von Stasch, C. et al.

(2008) beschriebene Funktion beschriebene Funktion des UpdateSensor umfaßt nur die Aktualisierung des Standorts und des Funktionsstatus eines Sensors, nicht die AKtualisie- rung der gesamten Sensorbeschreibung. Echterhoff(2011) beschreibt bereits die Aktua- lisierung der gültigen Sensorbeschreibungen zum Zeitpunkt einer Beobachtung mit der

(43)

Funktion UpdateSensorDescription. Eine Beurteilung dieses Kriterium fällt geteilt aus, hier sind Art und Umfang der zukünftigen Umsetzung in den einzelnen Komponenten der SWE-Standards und deren Implementierungen abzuwarten.

Als Ergebnis ist hier festzuhalten, dass alle Gerätekonfigurationen über SensorML be- schreibbar sind, der komplexe und flexible Aufbau eine wirklich interoperable Beschrei- bung viel Abstimmungsarbeit oder einen zuverlässigen Profilmechanismus erzwingt, damit durch alle Gerätehersteller die Beschreibung der ISO11783 Devices in SensorML auf die selbe Art und Weise erfolgt (Bröring et al. 2011).

Anwendungsfall 2: Übertragung eines neuen Tasks

Vom Disponenten wird ein neuer Auftrag mit zgehörigen Stammdaten und ggf. Applikati- onskarten auf ein Fahrzeug übertragen. Hier gilt wieder, dass sowohl beim Auftraggeber, beim Disponenten als auch auf Geräteseite die Auftragsdaten bereits ISO11783-konform vorliegen und daher möglichst unverändert in dieser Form übertragen werden sollten. Eine eindeutige Rückmeldung zur Übernahme des Auftrags sollte erfolgen. Aufträge werden im Normalfall einem konkreten Fahrzeug mit genauen Angaben zu Fahrer, der zu bearbeitenden Fläche und einzusetzenden Betriebsmitteln übergeben. Diese Aufträge umfassen im Precision Farming auch teilflächenspezifische Angaben z.Bsp. zu Aufwandmengen in bestimmten Bereichen des Feldes. Diese Auftragsdaten werden bisher bereits in den Ma- nagementsystemen der Landwirte bzw. Disponenten erstellt und sollten in dieser Form übertragen werden. Die Annahme eines Auftrages sollte definitiv bestätigt oder abgelehnt werden. In Listing4.3wird ein entsprechender Auftrag mit Verweis auf Betrieb, Feld und Fahrer, Auftragsstatus (<TSK . . . G="1») und der zu bearbeitenden Fläche (Treatment Zo- ne <TZN>) mit Umriss <PLN> und Betriebsmitteleinsatz dargestellt. Die geforderte Auf- wandmenge in VOlumen/Fläche <PDV A="0001» wird in diesem Fall als Gesamtmenge und Zusammensetzung einer Tankmischung angegeben.

Aufträge nach ISO11783 dienen nicht nur der unmittelbaren Steuerung des oder der Gerä- te hinsichtlich der (teilflächenspezifischen) Steuerung der Arbeiten sondern vorrangig der

(44)

<TSK A="TSK-1294" B="PS Fungizid Getreide 04.06.09" C="CTR2222" D="FRM2222" E="

PFD211206" F="WKR190001" G="1" H="8">

. . .

< / LSG>

< / PLN>

< / PDV>

< / TZN>

< /TSK>

Listing 4.3: Auftragsdaten nach ISO11783

Anleitung des Fahrers (wohin, welche Arbeit bzw. Tankmischung etc.) und als Container zur Dokumentation genau dieser Arbeit.SPSdient der Übetragung der Aufträge und der Rückmeldung bzw. Rückverfolgung über Auftragsstatus und Auftragserledigung. Diese Anforderungen sind mit den Funktionalitäten Submit, GetStatus, Update bzw. Cancel mit den jeweiligen Rückmeldungen erfüllt. Mit der Möglichkeit einer Voranfrage zur Mach- barkeit (GetFeasability) gehen hier die MÖglichkeiten sogar über die Anforderungen hinaus. Ebenso ist die Aufschlüsselung der möglichen ZUstände eines Auftrages innerhalb des SPS feiner aufgegliefert als in ISO11783, womit auch hier keine Einschränkungen der EIgnung des SPS für die Anwendung im ISO11783 Task Management vorliegen.

Die attributiven Angaben zum Auftrag, also Bezeichnung, betreffendes Feld, Auftragge- ber,Betrieb, angewiesenes Fahrzeug und Fahrer können direkt als Parameter übergeben werden.

Die vom Auftraggeber vorbereiteten Auftragsbeschrebungdaten können unverändert an das Fahrzeug übergeben werden, also sind keine inhaltlichen und syntaktischen Ein- schränkungnen vor. Als Verweis auf die Resultate der Auftragsverarbeitung sollte neben dem obligatotischen Verweis auf eine Instanz eines SOShier auf die resultierenden ISO11783-TASKDATA aufgeführt werden, um eine direkte Übernahme der Rohdaten in

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weiterverarbeitende FMIS zu ermöglichen. Neben der Übertragung der Steuerdaten ist das <TSK>-Eleemnt auch der Container für auftragsbezogene Aufzeichnungen zu als Allocations zusammengefasste Ereignissen (Lade- und Nachfüllvorgänge, Fahrer- oder Gerätewechsel, Kommentare etc.) Es sind noch keine Implementierungen des SPS 2.0 bekannt.

Anwendungsfall 3: Aufzeichnungen übertragen und archivieren Timelog

Aktuelle Soll- und Ist-Zustände zahlreicher Betriebsparameter werden in regelmässigen Zeitabständen aufgezeichnet. Das ISO11783 Data Element Dictionary (ISO 2007) nennt über 150 Elemente, neben Angaben zur Aufwandmenge (Soll-, Ist-,Min- und Max-Werte) in verschiedenen Bezugsgrößen, verschiedene Maschinen- und aggregierte Auftragspara- meter wie Arbeitsbreite, Geschwindigkeit oder bereits bearbeitete Fläche sowie Meßgrö- ßen wie Feuchte, Dichte etc. der Erntegüter.

Hier sind technische Meßwerte, statische Beschreibungsparameter als auch aggregierte Werde zu unterscheiden., Es liegen technische Meßwerte zum Maschinenstatus, Aussagen zur aktuell bearbeiteten Fläche (z.Bsp. ’Actual Volume Per Area Application Rate’,Data Dictionary Identifier of Process Data Variable nach ISO11783:11 (DDI)2) entweder mit Bezug auf die zurückgelegte Strecke/Spur (’Accumulated Distance/Time, DDI117-120,

’Total Fuel Consumption’,DDI 148) oder auf die bearbeitete Fläche ’Application Total Volumne/Mass/Count’(DDI80-82), ’Yield Total Volumne/Mass/Count (DDI89-91).

Je nach inhaltlichem Zusammenhang beziehen sich Beobachtungen auf verschiedene räum- liche Objekte. Beobachtungen zu Fahrzuständen beziehen sich auf die aktuelle Position bzw. die seit der letzten Aufzeichnung zurückgelegte Fahrstrecke. Beobachten zur Flä- chenbearbeitung beziehen sich im einfachsten Fall auf die Fläche, die durch zurückgeleg- te Strecke und Arbeitsbreite festgelegt sind. Die Ermittlung dieser Fläche kann durch die