Touchscreen-basiertes Campus-Navigationssystem für die Universität der Bundeswehr München

[toc]Dieser Artikel beschreibt die wesentlichen Ergebnisse der Bachelorarbeit “Konzeption und Umsetzung eines Touchscreen-basierten Campus-Navigationssystems für die Universität der Bundeswehr München” von Markus Schran. Ziel der Bachelorarbeit war die Konzeption und prototypische Umsetzung eines stationären Navigationssystems auf einem Outdoor-Kiosk-Terminal. Hierzu wurde zunächst zur Verfügung stehendes Kartenmaterial gesammelt und anwendungsspezifisch bewertet. Anschließend wurde der Besucherverkehr der Universität über mehrerer Tage protokolliert, bevor verschiedene Umsetzungsmöglichkeiten im Bezug auf Programmiersprache und Software Entwicklungstools gegeneinander abgewogen werden konnten. Das Ziel der praktischen Arbeit bestand darin, ein benutzerfreundliches und übersichtliches Programm für das touchscreen-basierte Terminal  zu programmieren. Neben den Grundfunktionen des Programms befasste sich die Arbeit vor allem mit späteren Weiterentwicklungsmöglichkeiten. Nach einer kurzen Einführung in die grundlegende Problematik werden in diesem Artikel die wichtigsten Schritte der Arbeit sowie die erzeugten Artefakte vorgestellt.

Problemstellung

Die Universität der Bundeswehr München ist darum bemüht, für ihre Besucher trotz ihres stetigen strukturellen Wandels eine hervorragende Infrastruktur zu bieten. Für externe Besucher ist die geografische Aufteilung der Universität zum Teil sehr unübersichtlich, da Fakultäten und Verwaltungsstellen auf unterschiedliche Gebäude aufgeteilt oder weit über das Gelände disloziert sind. Ähnlich verhält es sich mit Sportstätten auf dem Universitätsgelände, die von vielen Gästen genutzt werden. Aus diesem Grund wurde im Jahr 2010 an der Universität ein neues Schilder-Leitsystem errichtet, das es Universitätsangehörigen und Besuchern ermöglicht, sich einfacher auf dem Universitätsgelände zu orientieren. Aufgrund seines statischen Charakters schafft es jedoch auch dieses neue Leitsystem nicht, alle Anliegen potenzieller Besucher bestmöglich zu unterstützen. Das Leitsystem kann sich nicht optimal darauf einstellen, ob sich die Gäste mit dem Auto, zu Fuß oder vielleicht mit einem Fahrrad über das Gelände bewegen. Eine weitere Problemantik besteht darin, dass dieses Leitsystem dem Hauptanliegen der Besucher nicht entgegenkommen kann. Die meisten Besucher suchen eine bestimmte Person an der Universität, haben jedoch oft keine weiteren Informationen zum geografischen Aufenthalt der gesuchten Person. Da kein statisches Wegeleitsystem die Vielzahl der Personen an der Universität direkt abbilden kann, musste hierfür eine alternative Lösung gefunden werden.

Zielsetzung

Im Zuge der Installation des Leitsystems wurde auch das im Bild gezeigte Terminal „arctic 32“ der Firma Friendlyway an der Wache aufgestellt.

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Aus den in der Problemstellung beschriebenen Gründen beschäftigte sich die nachfolgend beschriebene Bachelorarbeit damit, für dieses Terminal eine interaktive aktionsbasierte Ergänzung des statischen Stelenleitsystems zu entwickeln, das die Besucher je nach individuellen Präferenzen und Zielwünschen optimal bei ihrer Navigation auf dem Campus unterstützt.

Im Verlauf der Arbeit wurde ermittelt welche Funktionen eine mögliche Anwendung auf diesem Terminal bereitstellen muss und auf welchen Informationen diese Funktionen basieren. So wurde im ersten Schritt der Arbeit, durch Umfragen und Protokolle, erfasst, worin der Informationsbedarf unter den Besuchern liegt. Des Weiteren ist festgestellt worden wie sich der akademische und militärische Bereich der Universität nach außen präsentierten kann und welche Informationen Sie über diese Plattform teilen möchten. Im Zweiten Schritt muss festgestellt werden, woher das System diese Informationen bezieht und welche Art gewählt wird, diese später dem Nutzer zu präsentieren. Nachdem dann eine angemessene Möglichkeit gefunden wurde, diese geplante Benutzeroberfläche zu erzeugen, galt es im vorletzten Schritt diese zu implementieren und auf dem Terminal in Betrieb zu nehmen. Das zu entwickelnde Programm muss später durch Dritte einfach zu warten und erweiterbar sein, um somit auch der Verwaltung zu ermöglichen Veränderungen vorzunehmen. Im letzten Schritt gibt die Arbeit einen Ausblick auf mögliche Erweiterungen und Zusatzfunktionen, die später einmal in die Software mit aufgenommen werden könnten.

Vorgehen bei der Umsetzung

Das folgende Kapitel beschriebt die einzellnen Schritte der Bachelorarbeit. Hierzu fasst jeder Absatz einen Schritte zur Umsetzung zusammen.

Vorstudie – Analyse Besucherverkehr

Um eine Software zu erstellen, die konkret auf die Anliegen der Besucher der Universität eingeht, wurde das Besucherverhalten erst genauer erforscht. Dazu wurden der Besucherverkehr an einem Dienstag und einem Mittwoch von 7:00 bis 20:00 Uhr protokolliert. Dabei wurde genauestens notiert, aus welchem Grund die Besucher das Gelände aussuchen und welches Ziel sie haben. Da alle Besucher das Gelände über das Westtor betreten müssen, um sich dort bei der militärischen Wache auszuweisen, war es einfach, den gesamten Besucherstrom zu erfassen.  Dabei war es sogar möglich, die wichtigsten Informationen zu erfassen, ohne dabei die Besucher aufzuhalten.[ref]Brigitte, Ringbauer; Romy, Kniewel & Cornelia, Hipp (2009): Fußgänger sind keine Autos – Benutzerzentrierte Entwicklung eines Fußgängernavigationssystems. In: Usability Professionals 2009. Stuttgart: Henning Brau, S. 18-22.[/ref] Aus Gründen der Geheimhaltung und des Datenschutzes ist hier nur das Diagramm über die zeitliche Verteilung der Gäste abgebildet. [singlepic id=250 w=480 h=618 float=center]

Kartenmaterial

Im nachsten Schritt wurden die Anforderungen an das Kartenmaterial spezifiziert. Die daraufhin gesammelten Karten der Universität wurden anhand dieser Anforderungen bewertet um eine geeignete Karte für die Software zu finden. Alle untersuchten Karten werden an dieser Stelle kurz mit ihren Merkmalen beschrieben.[ref]Furutani, Tomoyuki (2005): A Study on Tourist Navigation with the use of Application Service Provider of Location Positioning System – A Case Study in Kamakura. Proceedings of the Eastern Asia Society for Transportation Studies, 1996/2005 (5), S. 1239 – 1240.[/ref]

3D- Karte eines FH- Studenten

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Die gezeigte Karte ist von einem externen Fachhochschulstudenten vor fast 40 Jahren erstellt worden. Diese zeigt die Universität der Bundeswehr in einer Art Vogelperspektive aus nord-östlicher Sicht des Geländes. Sie zeigt auserdem alle Gebäude des damaligen Geländes in drei Dimensionen, sowie die vorhanden Sportstätten, den Parkplatz an der östlichen Seite, sowie die Grünflächen. Die Vorteile dieser Karte liegen ganz klar in der drei dimensionalen Darstellung der Gebäude. Diese hilft den Besuchern bei der Orientierung auf dem Gelände, weil es ihnen einfacher fällt ein Gebäude anhand des Aussehens zu identifizieren. Die Karte enthält neben den Formen der Gebäude auch noch Informationen über weitere Merkmale, wie z. B. die Farbe oder die Fassade.

3D-Modelierung in Google Earth

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Im Rahmen einer Bachelorarbeit entstand Anfang 2010, dieses 3D-Modell der Universität. Dieses ist für die Plattform von Google Earth ausgelegt worden und alle zugänglichen Daten sind im programmeigenen Format. Die Idee hierbei war es, die Modelle zu exportieren, in einer anderen Umgebung nachzubauen und sie dann für die Navigationssoftware zu nutzen. Die Vorteile die Darstellung wären wieder in der drei-dimensionalen Darstellung. Zudem könnte man flexibel agieren und z.B. Probleme wie verdeckte Informationen umgehen, würde man diese Modelle selbst exportieren und auf eigener Entwicklungsumgebung wiederverwenden.

2D-Karte des Stelen Leitsystems

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Diese Karte wurde im Rahmen der Beschaffung eines Leitsystems für die UniBwM erstellt. Sie zeigt alle Gebäude des Universitätsgeländes in zwei Dimensionen sowie alle Straßen und weitere wichtige Objekte. So sind neben Parkplätzen auch Straßennamen auch einige Sportstätten verzeichnet. Der wesentliche Vorteil, der zur endgültigen Verwendung der Karte in der Navigationssoftware führte, ist die Darstellung in Form einer Vektorgrafik. Diese ermöglicht entscheidende Implementierungsvorteile mit der verwendeten Programmiersprache JavaFX [ref]JavaFX ist ein neues Framework für plattformübergreifende Internetapplikationen – Oracle Produkt Seite[/ref], auf die an späterer Stelle eingegangen wird. Denn durch den Zugriff auf die Vektordaten ist es möglich, Gebäude und Straßen separat zu verändern. Dies ermöglicht es im Programm, das Zielgebäude farblich hervorzuheben oder die Route zum Ziel direkt zu markieren. Weiterhin können einzelne Objekte ein- oder ausgeblendet, verschoben oder in Größe und Form verändert werden. Durch das Vorliegen der Quelldaten ist auch gewährleistet, dass die Karte bei weiteren Veränderungen an der Universität aktualisiert wird.[ref]Schöttle, Felix (2007): Automatisches Generieren von graphischen Wegbeschreibungen für Fußgänger. Diplomarbeit, Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät I, Fachrichtung Informatik, Universität des Saarlandes, S. 25,26.[/ref]

Realisierungsmöglichkeit – JavaFX und Production Suite

Zur Umsetzung des Navigationssystems bieten sich verschiedene Programmiersprachen und Erweiterungen an. In der Arbeit wurde zwischen der Realisierung durch Java mithilfe von Baltik SVG Tool oder JavaFX mit Produktion Suite abgewogen.  An dieser Stelle wird nun die zur Realisierung verwendete Möglichkeit über JavaFX aufgezeigt.

JavaFX ist ein recht neues Framework für plattformübergreifende Internetapplikationen. Es basiert auf JavaScript und kann auf Funktionen und Schnittstellen der Java-Klassenbibliothek zurückgreifen. Somit verbindet JavaFX die objektorientierten Vorteile der Programmiersprache Java und die einer webbasierten Applikationssprache wie JavaScript. Zusätzlich schafft JavaFX mit der Production Suite eine Verbindung zwischen Designer und Entwickler. Es stellt Plugins für Adobe Illustrator und Adobe Photoshop zur Verfügung. FXZ-Grafiken können zur Laufzeit mit JavaFX sehr einfach verändert werden. Einzelne Bestandteile können zum Beispiel über eine im SVG-Programm oder in Illustrator zugewiesene ID angesprochen werden und es lassen sich damit sehr einfach Eigenschaften, wie Transparenz, Position, Größe oder Form des Objekts ändern. Die Funktionsweise von JavaFX und Produktion Suite wird im Artikel “Howto zum Export von JavaFX Dateien durch Production Suite” beschrieben.

Programm Design

Bei der Gestaltung des Programm Designs wurden sehr viele Entwürfe angefertigt die immer wieder die Benutzeroberfläche verfeinert haben, um sie möglichst intuitiv und einfach zu gestalten. Dabei war es wichtig den vorhandenen Platz optimal auszunutzen, und trotzdem keine Informationen zu überdenken oder Bedienelemente an ungünstigen Stellen anzuordnen. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass es sich um ein vertikales Display mit kapazitiver Thoughglass Touchscreen Technologie handelt. Dies schränkt zum Einen den effektiv zu nutzenden Bereich ein, in dem Touchscreen-Eingaben getätigt werden können. Zum Anderen müssen die Eingabeelemente eine gewisse Größe besitzen, da die Technologie eine gewisse Ungenauigkeit besitzt. Durch einige Experimente an Modeloberflächen, wurden die Fläche des Displays in gewisse Bereiche eingeteilt, sowie Mindestgrößen für Schrift und Eingabeelemente festgelegt. Diese sind in der folgenden Abbildung  eingezeichnet.[ref]Maguire, Mc (1999): A review of user-interface design guidelines for public information kiosk systems. International Journal of Human Computer Studies, 3/1999 (50). Citeseer, S. 263-280.[/ref] [singlepic id=332 w=240 h=618 float=center]

• Die Rote Fläche zeigt den Bereich in dem eine Touchscreen Eingabe schwer umzusetzen ist und somit nur zur Anzeige genutzt wird.
• Die Blaue Fläche zeigt den zu nutzende Bereich des  Touchscreen Displays.
• Die Grüne Fläche markiert den Bereich in dem der Focus des Nutzers liegt. Alle Hauptfunktionalitäten sowie Programminteraktionen werden in diesem Bereich ausgeführt.
• Die Gelben Objekte zeigen die Größen umzusetzender Bedienelemente, sie besitzen eine Kantenlänge von 50/60/75 Pixel
• Der Text zeigt die zu verwendende Größe einer Überschrift und eines normalen Textes (Arial, Schriftgröße 24/12)

Unter Berücksichtigung dieser Bereiche ergaben sich nach wiederholter Analyse und Überarbeitung das untern abgebildete Model der Benutzeroberfläche. Darin sind im Focus die Suchfunktionen wiederzufinden, sowie die Buttons zum Zoomen und Zurücksetzen der Karte. Im unteren Display-Bereich sind die weitern Funktionen angeordnet, um Informationen ein und auszublenden. Es wurde hier in der Abbildung auf eine zusätzliche Beschriftung verzichtet, da die Button-Titel sehr aussagekräftig sind und dies die Darstellung nicht zu verfälschen.[ref]Sandnes, F.E.; Jian, H.L.; Huang, Y.P. & Huang, Y.M. (2010): User Interface Design for Public Kiosks: An Evaluation of the Taiwan High Speed Rail Ticket Vending Machine. Journal of information science and engineering, 1/2010 (26). Institute of Information Science, Academia sinica, S. 307–321.[/ref]

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Anpassung der Vektordaten

Die gelieferten Daten Vektordaten mussten im ersten Schritt der Realisierung nun soweit angepasst werden, dass diese mit Hilfe der JavaFX Produktion Suite in das FXZ- Format umgewandelt werden konnten. Da ein Designer die Elemente einer Vektordatei oftmals nur auf das Nötigste gruppiert und in Ebenen separiert, war an dieser Stelle viel Aufwand notwendig. Die erhaltene Adobe Illustrator Datei enthielt jeweils eine Ebene für die Symbole der Karte, die Gebäude, deren Schatten, die Straßen und die Grundfläche im Hintergrund. In diesen Ebenen waren die einzelnen Elemente jedoch nicht weiter sortiert oder beschriftet worden. Ohne eine solche Beschriftung und Gruppierung wäre es nicht möglich, später im Programm, die Objekte anzusprechen und zu verändern. Somit bestand die erste Aufgabe darin, diese Ebenen und Gruppen, neu zu strukturieren.

In der Ebene der Gebäude musste die meiste Arbeit geleistet werden. Hier wurden zuerst alle Pfade die zu einem Gebäude gehören gruppiert. Die Beschriftung der einzelnen Bauteile der Gebäude wurde auch mit aufgenommen, da es bisher sehr wenige Karten des Geländes gibt die auch diese mit abbilden. Nachdem alle diese neuen Informationen in die Karte mit eingezeichnet wurden, mussten dies auch entsprechend benannt und gruppiert werden. Nach dieser erneuten Gruppierung umfasst jedes Gebäude drei Untergruppen. Den Aufbau dieser Gruppe und der Untergruppen Label, Shape und Shadow zeigt die folgende Abbildung. [singlepic id=333 w=240 h=618 float=center]Um später einmal eine Route in den Plan einzeichnen zu können, bedient man sich wieder dem gleichen Prinzip, wie schon zuvor beim Hervorheben eines Gebäudes. Die zum Ziel führenden Straßenabschnitte werden rot gefärbt, um somit die Route erkenntlich zu machen. Dafür muss aber jeder Straßenabschnitt ein eigener Pfad sein. Somit kann für jeden dieser Abschnitte die Farbe einzeln bestimmt zu werden. Somit mussten alle bestehenden Straßen an jeder Kreuzung zerteilt werden und schließlich alle mit einer ID versehen werden. Der letzte Schritt dieser Anpassung wurde von einer Grafikerin übernommen. Dabei wurde der Lageplan um die fehlenden Sportstätten, Park- und Antreteplätze und fehlenden Wege der Universität ergänzt. Die nächste Abbildung zeigt den fertig überarbeiteten Lageplan nach all diesen Schritten. Die Anzahl der einzelnen Elemente im Lageplan hat sich dadurch verdoppelt und die Anzahl der Gruppierungen und Beschriftungen sind um das Fünffache angestiegen. [singlepic id=563 w=320 h=618 float=center] Bei Einblendung aller Elemente sieht der Lageplan etwas überladen aus. Doch das gezielte Ein- und Ausblenden von Informationen während der Programmlaufzeit ermöglicht eine benutzerfreundliche Navigationshilfe.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Arbeit begann im Oktober 2010 mit der Aussicht auf eine lauffähige Navigationssoftware für das Gelände der Bundeswehruniversität. Dabei haben die Recherchen und Analysen der Problemstellung ergeben, dass diese Software, neben einer einfachen Grundfunktion, eine Vielzahl von nützlichen Zusatzfunktionen beinhalten könnte. Jede dieser Funktionen wäre dabei eine große Bereicherung, sowohl im Bereich der Benutzerfreundlichkeit, wie auch im Hinblick auf die Wartung. Sie könnten helfen die Universität der Bundeswehr positiv nach außen zu präsentieren. Zunächst blieb der Fokus jedoch auf einer gut konzeptionierten Analyse der genauen Anforderungen an die Software. Um möglichst viele Erkenntnisse zur Problematik zu sammeln wurden unterschiedlichste Forschungsbereiche beleuchtet.

Die Auswertungen bezüglich des Kartenmaterials waren äußerst ernüchternd, da sie im Grunde keine Auswahlmöglichkeit lassen. Die Wahl des Realisierungsverfahrens hingegen blieb unterer den vorgestellten Möglichkeiten ausgeglichen. Auch wenn sich die Umstellung auf JavaFX schwerer als zunächst angenommen erwies, bleib es die richtige Entscheidung und wird sich auch an späterer Stelle weiter auszahlen. Dies hatte sich bei der Anpassung der Vektordaten von gezeigt. Dieser vorher nicht bedachte Arbeitsabschnitt hat bei weitem am meisten Zeit in Anspruch genommen. Die Entscheidung, sich an dieser Stelle intensiver mit der Umstrukturierung und Aufbereitung der Vektordaten zu befassen und vorerst von einer vollständigen Realisierung des Programmes abzusehen, war vollkommen richtig. Die eigentlichen Vorteile, die zur Auswahl von JavaFX und einer vektorbasierten Karte geführt haben, werden dabei eigentlich erst an späterer Stelle deutlich. Denn zurzeit beschränken sich die Funktionen des Programms sowie ein Zusammenspiel der angesprochenen Komponenten noch auf ein Minimum, doch nun gilt es dies umgehend zu einer Version zu erweitern, die auf dem Terminal in Betrieb genommen werden kann.