Bachelorprojekt 2020/2021

Die IoT-Middleware im Zug: Vernetzte Sensorik für zustandsorientierte Instandhaltung

Prof. Dr. Andreas Polze

Robert Schmid, Arne Boockmeyer, Lukas Pirl

DB Systel

An der Professur für Betriebssysteme und Middleware findet im Wintersemester 2020/21 das Vorbereitungsseminar zu dem Bachelorprojekt "Die IoT-Middleware im Zug: Vernetzte Sensorik für zustandsorientierte Instandhaltung" in Kooperation mit der DB Systel GmbH statt.

Projektbeschreibung

Die DB Systel GmbH mit Sitz in Frankfurt am Main ist mit rund 5.100 Mitarbeitern einer der führenden Anbieter von ICT-Lösungen (Information and Communication Technology) in Deutschland. Das Tochterunternehmen der Deutschen Bahn betreut für seine Kunden rund 600 produktive ICT-Anwendungen. Dazu gehört neben marktgängiger Standardsoftware auch eine Vielzahl selbst entwickelter Applikationen.

Im Betrieb der Deutschen Bahn spielt vorausschauende Verschleißerkennung bei der Wartung von Schienenfahrzeugen eine immer größere Rolle ("Predictive Maintenance"). Durch die langen Lebenszyklen der Fahrzeuge ist allerdings ein großer Teil im heutigen Bestand noch nicht an IT-Systeme angeschlossen und sind andererseits technische Änderungen nur eingeschränkt zulässig. Eine Lösung bietet nicht-invasive Sensorik, indem typischerweise Ton- und Bilddaten "rückwirkungsfrei" (d. h. ohne Einfluss auf sicherheitsrelevante Fahrzeugteile) erfasst und noch auf dem Fahrzeug analysiert werden.

Im diesjährigen Bachelorprojekt soll eine Architektur für industrielle IoT-Anwendungen entwickelt und umgesetzt werden. Die Ausgestaltung der folgenden Fragestellungen kann sich an den Interessen der Teilnehmenden orientieren.

  • Wie kann die Autarkie von Sensor-Knoten gesteigert werden (Energy Harvesting, automatisches Rollback von Updates, etc.)?
  • Welche Übertragungstechinken eignen sich, um die Daten zu einem Edge-Knoten zu übermitteln (LoraWAN, Zigbee, Störanfälligkeit, etc.)?
  • Wie kann eine Middleware als Datenplattform zwischen Bestandssysteme (z. B. CAN-Bus), IoT-Sensoren und Analyseanwendungen dienen (Anforderungen, Architektur, Technologien)?

Weitere Informationen finden sich außerdem in den Folien zur Vorstellung des Projekts.

Aufgaben im Projekt

Im Rahmen des Projekts stellen sich den Teilnehmenden die folgenden Aufgaben:

  • Quellenanalyse zum aktuellen wissenschaftlichen Stand
  • Konzeption der Middleware-Architektur (in Abstimmung mit DB Systel; mFund-Projekt RailChain)
  • Vergleich der Architekturansätze und Erarbeitung von "Best Practices"
  • Prototypische Umsetzung der entworfenen Architektur (Labortests, Simulation, Feldtests im Zug)
  • Entwicklung in agilem Softwareentwicklungsprozess (Scrum)

Projektverlauf

Das Bachelorprojekt ist aufgeteilt in ein Vorbereitungsseminar am HPI und die Projektarbeit beim Projektpartner vor Ort. Das Vorbereitungsseminar findet wöchentlich während des Wintersemesters statt; anschließend startet Mitte/Ende Februar die Vollzeit-Projektarbeit direkt beim Projektpartner (i. d. R. an einem Standort der DB Systel GmbH in Berlin). Ende Juni/Anfang Juli muss dann die Bachelorarbeit abgegeben werden, zudem findet Anfang/Mitte Juli das Bachelorpodium statt.

Vorbereitungsseminar

Dem eigentlichen Projekt geht ein Vorbereitungsseminar voraus, bei dem sich die Teilnehmenden ein breites Spektrum an Ansätzen und Technologien erschließen und experimentell in unserem IoT-Lab evaluieren.

Die erfolgreiche Teilnahme am Seminar erfordert regelmäßige Anwesenheit. JedeR TeilnehmerIn soll einen Vortrag (20 + 5 Minuten) halten, wobei die praktische Evaluierung des jeweiligen Themas eine zentrale Rolle spielt.

Die Vortragsfolien sind bis spätestens am Freitag 23:59 Uhr vor dem Vortragstermin per E-Mail bei den Betreuern vorzustellen. Bitte speichert eure Folien nach eurem Vortrag in unserem Repositorium (Namensschema [Tag des Vortrages YY-MM-DD]_[Titel]_[Vorname] [Nachname].pdf), sodass wir alle darauf zurückgreifen können.

Zusätzlich soll eine schriftliche Ausarbeitung angemessenen Umfangs für das jeweilige Vortragsthema erstellt werden (Abgabe spätestens 7 Tage nach Vortrag).

Projektphase beim der Systel

In der zweiten Hälfte des Bachelorprojekts – also im Sommersemester an einem Standort der DB Systel – wird sich das Projekt auf eine konkrete Herausforderung fokussieren. Dieser Phase geht ein professionell geleiteter Design-Thinking-Workshop voraus. In enger Betreuung bzgl. der Problemdomäne und des Software-Entwicklungsprozesses durch die Systel, werden praxisnahe Erfahrungen die Teilnehmenden bereichern.

Bachelorarbeit

Die Bachelorarbeit wird gemäß der Studienordnung integriert im Projekt während des Sommersemesters erstellt und kann physisch z. B. als ein (klar abgegrenztes) Kapitel der Projektgesamtdokumentation erstellt werden. Benotet wird die Arbeit jedes/jeder einzelnen TeilnehmerIn - Engagement, technische Fähigkeiten, organisatorische Fähigkeiten, und schriftliche Ausarbeitung. Die jeweiligen Einzelthemen der ProjektteilnehmerInnen werden im Februar dafür schriftlich fixiert.

Unser Vorbereitungsseminar findet wöchentlich in der Kommunikationszone C-1 statt. Den Wochentag und die Uhrzeit für dieses Treffen legen wir bei Projektstart gemeinsam fest. Das Vorbereitungsseminar wird ggf. immer gemeinsam mit den TeilnehmerInnen aller Bachelorprojekte des Fachbereichs durchgeführt. Die Treffen mit den Projektpartnern finden an zusätzlichen Terminen statt.


Informationen zu COVID-19

Die Gesundheit der TeilnehmerInnen und Dritter hat oberste Priorität. Die Möglichkeiten von Treffen in Präsenz wägen wir fortwährend entsprechend der aktuellen Infektionslage ab. Selbstverständlich werden die Bestimmungen und Empfehlungen der Universität eingehalten.


Tipps zu den schriftlichen Ausarbeitungen

Im Internet finden sich zwar bereits zahlreiche Anleitungen zum strukturierten Vorgehen bei der Planung und Erstellung einer wissenschaftlichen Ausarbeitung – um für zukünftige Arbeiten die Herangehensweise zu erleichtern und die Form zu vereinheitlichen, fassen wir unter /theses/tipps die wichtigsten Aspekte einer schriftlichen Ausarbeitung zusammen.

Achtung: Das zu verwendende Template für technische Berichte am HPI (hpitr) ist nicht dasselbe wie die auf der zuvor genannten Seite verlinkte Vorlage für die Bachelorarbeiten.

Spezielle Hinweise für Ausarbeitungen im Bachelorprojekt-Vorbereitungsseminar

  • Repositorium
    • Pro Thema bitte einen Unterordner mit den nötigen Dateien anlegen (siehe Ordner "sample").
      • Namensschema für den Ordner: [Erster Buchstabe Vorname als Kleinbuchstabe][Nachname in Kleinbuchstaben]_[Titel des Themas]. Der Titel des Themas kann gekürzt werden.
      • Innerhalb des Ordners die Einstiegs-TEX-Datei ebenso benennen (z. B. mmustermann_testautomatisierung-in-iOS.tex).
    • Pro Projekt gibt es gegebenenfalls ein separates Dokument (BP20xyP1.tex sowie BP20xyP2.tex).
      • Im Projekt-Dokument bitte euer Kapitel im contributions-Teil ergänzen.
  • Dokument
    • Ein Inhaltsverzeichnis direkt in den Ausarbeitungen braucht ihr nicht. Falls ihr die Struktur unbedingt darlegen wollt, solltet ihr das als Prosatext in der Einleitung machen.
    • Den Abstract bitte in die LaTeX-Abstract-Umgebung einfügen (nicht als erste Section).
    • ⚠️ Kein \newpage, \pageBreak, \vspace, \smallskip etc. verwenden. Damit optimiert ihr das Layout für eine einzige Ausgabeart, zerstört aber in der Regel alle anderen.
    • Die entsprechenden Befehle wie \autoref, \autopageref etc. funktionieren auch Dokumentenübergreifend (im Gesamtdokument). Da die Verweisziele im Einzeldokument jedoch nicht bekannt sind, sollte dafür eine Fallunterscheidung eingebaut werden: Wenn das Label bekannt ist, auf das verwiesen werden soll (=Gesamtdokument), kann der entsprechende Text ("siehe Abbildung 11 auf Seite 47" o. ä.) gerendert werden, ansonsten (=Einzeldokument) halt nicht. Dies geht mit: \ifcsdef{r@labelname}{ Kommandos wenn definiert }{ Kommandos wenn nicht definiert } Beispiel: "\label{fig:BoundedContext}\ifcsdef{r@fig:BoundedContext}{(siehe \autoref{fig:BoundedContext} auf \autopageref{fig:BoundedContext})}{} …".
  • Ablauf
    • Eine Woche nach dem Vortrag müssen die Quell-Dateien der Ausarbeitung im Repository sein und die Betreuenden erhalten eine PDF-Version per E-Mail vom CI.
    • Eine Woche nachdem ihr Feedback von den Betreuenden bekommen habt, müssen die überarbeiteten Quell-Dateien der Ausarbeitung im Repository sein und die Betreuenden erhalten eine PDF-Version des überarbeiteten Dokuments per E-Mail vom CI.