Individuell trainierte Sensoriksysteme: KI-basierte Softsensoren in der Automation

347532 aufmacher
Bild: SSV Software Systems GmbH

Um mit einer Low-Code-Anwendung ein Formular in der IT-Welt zu digitalisieren, reichen als Quellsysteme einfache Datenbankanbindungen aus. Doch Anwendungsentwicklungen im OT-Umfeld erfordern diesbezüglich spezielle Maßnahmen. Hier benötigen Systeme in der Regel verschiedene Sensordaten, um eine Aufgabenstellung wirtschaftlich zu erfüllen. Aber nicht alle Sensordatenquellen liefern einfach zu handhabende Messwerte, wie Temperatur-, Luftdruck- oder Luftfeuchtigkeitsmessungen. Vielfach hat man es in der Praxis mit deutlich komplexeren Daten und einer aufwendigen Informationsgewinnung zu tun. Ein typisches Beispiel wäre ein Vibrationssensor, der eine dreidimensionale Beschleunigungsmessung durchführt und am Ausgang jeweils einen x-, y- und z-Messwert zur Verfügung stellt.

Softsensor misst Vibration

Um mit einem solchen Sensor beispielsweise Vibrationsdaten zu erzeugen, aus denen sich ein Maschinenzustand als Information für andere Anwendungen ableiten lässt, sind sowohl spezielle Datenerfassungsmethoden (periodisches Abtasten der drei Beschleunigungsdimensionen innerhalb eines bestimmten Zeitfensters und Zusammenfassen der Daten) als auch eine umfangreiche Datenvorverarbeitung oder sogar Datenanalyse erforderlich. Dafür werden komplexe mathematische Funktionen benötigt, beispielsweise Fourier-Transformationen. In Bezug auf eine Datenanalyse zur Zustandsbestimmung, also Condition Monitoring, sind häufig sogar KI-Algorithmen aus dem Bereich des maschinellen Lernens (ML) erforderlich, die mit speziellen Lerndaten trainiert werden. Ein Beispiel sind künstliche neuronale Netzwerke, um Vibrationsdatenbilder zu klassifizieren. Beim derzeitigen Stand der Technik lassen sich solche Aufgaben in die Sensorik verlagern. Die Zielgröße am Sensorausgang wird dann bei einem solchen virtuellen Sensor oder Softsensor nicht direkt gemessen, sondern durch KI-Algorithmen berechnet.

Große Anwendungsvielfalt

KI-basierte Softsensoren bieten vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Ein weiteres Beispiel wären Bildsensordaten, in denen Objekte identifiziert werden müssen, also etwa Applikationen mit automatischer Objekterkennung für die Sensorrohdaten. Für diese Aufgabe lassen sich sogenannte Convolutional Neural Networks (CNNs) einsetzen, die nach einem Faltungsprinzip arbeiten. Dabei entsteht insgesamt ein Sensorsystem mit einer anwendungsbezogenen Software, die ML-Funktionen enthält. Die Lerndaten zum Training eines solchen virtuellen Sensors mit integriertem CNN sind in diesem Fall möglichst viele unterschiedliche Beispielbilddaten mit den zu erkennenden Objekten. Die Vorgehensweise mit einer CNN-basierten Bilderkennung eignet sich auch, um mit den Ausgangsdaten eines Bildsensors z.B. bestimmte Objekte zu zählen, die den Sichtbereich der Sensoroptik passieren.

347532 abb1
Die Modellentwicklung und Erstinbetriebnahme eines KI-basierten Softsensors erfordert eine temporäre Remote-Entwicklungsumgebung (siehe Entwicklungs-Box im Bild), um die Beteiligten untereinander zu vernetzten. – Bild: SSV Software Systems GmbH

Zeitachse im Softsensor

Noch etwas anspruchsvoller wird es, wenn eine Applikation eine Sensorik benötigt, die auf Grund der Ausgangsdaten die Vorhersage von Wartungsterminen im Sinn von Predictive Maintenance für eine Maschine oder Anlage ermöglicht. Für solche Aufgabenstellungen ist ein virtueller Sensor erforderlich, dessen KI-Funktionen in der Lage sind, eine zeitliche Dimension zu berücksichtigen. Dafür lassen sich rekurrente neuronale Netze wie LSTMs (Long-Short-Term Memory) in eine virtuelle Sensorik integrieren. Derartige Softsensoren erlernen beispielsweise aus historischen Datenbeständen einen Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsdaten mit Zeitbezug und können anschließend im Praxiseinsatz einen diskreten (virtuellen) Messwert an die Anwendung liefern, mit dem sich ein Wartungstermin bestimmen lässt.

Spezialisierung möglich

Um komplexe Sensordaten in einer Software oder einem Steuerungssystem zu nutzen, eignen sich auch Methoden aus dem Bereich der Sensorfusion, also Prozesse, um Rohdaten mehrerer Sensoren mit Hilfe geeigneter Algorithmen zusammenzuführen. Dabei werden verschiedene Techniken eingesetzt, beispielsweise Kalman- und Bayes-Filter, Fuzzy-Logik sowie spezielle neuronale Netze. Insgesamt geht es darum, Sensordaten aus unterschiedlichen Quellen zu kombinieren, um einer Anwendung genauere Informationen zu liefern oder die Komplexität der Sensorik außerhalb der Anwendung zu kapseln.

Der Weg zum Ziel

Die erforderliche Software für einen KI-basierten Softsensor lässt sich mit Hilfe eines Prozesses aus den folgenden teils Stichpunkteartig aufgeführten sieben Einzelschritten entwickeln:

Anwendungsbezogene Datenerfassung: Echte Zustands- oder Betriebsdaten in der Zielumgebung erfassen und in einem Datenpool speichern. Für die weitere Entwicklung wird eine ausreichende Menge an qualitativ hochwertigen Daten benötigt, aus denen ein KI- bzw. ML-Modell in einer Trainingsphase die Zusammenhänge erlernen kann.

Anwendungsbezogene Merkmalsauswahl: Es folgen die Analyse der erfassten Daten und Auswahl geeigneter Merkmale, die in das Eingangsdatenbild des Softsensors übernommen werden. Bestimmen der Korrelationen zur erforderlichen Zielgröße am Softsensorausgang.

ML-Modell-Entwicklung: Ausreichend Prozesswissen sammeln und auswerten, ist nun gefragt. Finales Eingangsdatenbild festlegen und die jeweils erforderlichen Datenvorverarbeitungsschritte auswählen folgen. Nun passendes Modell entwerfen und geeignete Algorithmen aussuchen, um aus dem Eingangsdatenbild die jeweilige Zielgröße zu gewinnen. Werkzeugadaption vorbereiten, z.B. ein Data Exploration Tool (DET) erstellen.

ML-Modell-Training: Aus dem Datenpool passende Trainingsdaten aufbereiten und das ML-Modell in einer Trainingsphase erstellen. Integration des Codes für das ML-Training in das jeweilige DET, um Trainingswiederholungen zu ermöglichen.

ML-Modell-Test und -Integration: Passenden Inferenzcode erstellen. Aus dem Datenpool geeignete Testdaten aufbereiten und das neu erzeugte ML-Modell mit diesem Datenset validieren. Bei einem unzureichenden Testergebnis müssen die Prozessschritte zuvor teilweise oder vollständig erneut durchlaufen werden. Ist das Ergebnis zufriedenstellend, erfolgt die Integration des Modelltests in das DET (Werkzeug finalisieren, um neue ML-Modellversionen per DET zu erzeugen und auszutesten).

Praxiseinsatz des Softsensors: Inferenzcode und ML-Modell in die Zielumgebung integrieren und möglichst unter Ende-zu-Ende-Bedingungen testen. Für diesen Prozessschritt sollte eine geeignete Test- und Debug-Umgebung bzw. entsprechende Werkzeugauswahl zum Einsatz kommen. Des Weiteren sollten Inferenzcode und Modell mit Hilfe des DET über eine Over-the-Air (OTA)-Updatemöglichkeit austauschbar sein. Dabei sind die jeweiligen Cybersecurity-Anforderungen zu beachten (z.B. Einsatz von Modellsignaturen).

Monitoring plus CI/CD Pipeline-Einsatz: Zum Schluss gilt es, den Betrieb des KI-basierten Softsensors fortlaufend mit einem geeigneten Monitoring zu überwachen und bei Bedarf per DET die erforderlichen Updates zu erstellen, zu testen und zum Einsatz zu bringen. Betreiber benötigen also eine Softwarewartungs (CI/CD)-Pipeline.

Zielumgebung umsetzen

Die Entwicklung beginnt mit der Datenerfassung in der Zielumgebung. Die Sensorhardware wird dafür mit einer speziellen Testbed-Firmware ausgestattet, die alle Sensor-intern zur Verfügung stehenden Messdaten periodisch an ein Entwicklungssystem liefert. Damit wird ein Datenbestand geschaffen, der sich analysieren lässt, um das erforderliche Datenverständnis zu schaffen und das Eingangsdatenbild für das KI-Modell festzulegen. Wichtig ist, dass alle an der Entwicklung beteiligten Fachleute einen gemeinsamen Fernzugriff auf die Rohdaten und Datenanalyseergebnisse haben – die KI-Modellentwicklung für einen Softsensor ist eine Teamleistung und erfordert eine intensive kooperative Zusammenarbeit verschiedener Experten an meist unterschiedlichen Standorten.

Entwicklungs-Box auf Zeit

Der Inferenzbetrieb der jeweiligen KI-Modellvariante lässt sich auf der Entwicklungs-Box über einen längeren Zeitraum austesten. Dabei werden die Zielgrößen beispielsweise an eine Steuerung oder Low-Code-Digitalisierungsanwendung weitergeleitet und dort genutzt. Bei zufriedenstellenden Ergebnissen erfolgt die finale Modellintegration in den Softsensor und der Praxiseinsatz. Die Entwicklungs-Box wird dann nicht mehr benötigt.

Auf dem Automatisierungstreff 2025 (8. bis 10. April im WTZ-Tagungszentrum in Heilbronn) veranstaltet SSV Software Systems am 8. April den Anwender-Workshop „KI-basierte Sensorik als SPS-Erweiterung‘. Im zum Workshop gehörenden Hands-on werden zwei Beispiele von den Sensorrohdaten bis zum KI-Modell behandelt: 1. Eine Predictive-Maintenance-Erweiterung, um aus Vibrationsdaten KI-basiert den Verschleiß rotierender Komponenten zu bestimmen und eine vorausschauende Wartung zu realisieren. 2. Eine Machine-Vision-Anwendung, um per Bildsensor bestimmte Objekte auf einem Transportband automatisch zu erkennen und zu zählen (KI-basierte Objekterkennung). Den Teilnehmern wird aufgezeigt, dass durch den Einsatz passender Methoden und Werkzeuge das Erstellen eines KI-Modells in etwa so komplex ist, wie die Konfiguration einer vernetzten Anlage – also mit anderen Worten: Eine durchaus zu bewältigende Aufgabenstellung.



  • Ifo Geschäftsklimaindex steigt

    Ifo Geschäftsklimaindex steigt

    Ist das der Silberstreif am Horizont? Zumindest hellt sich die Stimmung der Wirtschaft im aktuellen Ifo Geschäftsklimaindex auf. Der Indexwert steigt um 2 Punkte.

    mehr lesen: Ifo Geschäftsklimaindex steigt

  • KI-gestützte Verfahren verbessern Molekülforschung

    KI-gestützte Verfahren verbessern Molekülforschung

    Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS startet gemeinsam mit der Universität Augsburg im Rahmen des Munich-Quantum-Valleys das Projekt KID-QC^2. Ziel ist es, durch die Erforschung von Methoden der künstlichen Intelligenz…

    mehr lesen: KI-gestützte Verfahren verbessern Molekülforschung

  • Microsoft macht NRW zur KI-Region

    Microsoft macht NRW zur KI-Region

    Als Teil seines milliardenschweren Investitionspakets will Microsoft im Rheinischen Revier Rechenzentren errichten und mit einer KI-Qualifizierungsoffensive rund 100.000 Menschen in NRW erreichen.

    mehr lesen: Microsoft macht NRW zur KI-Region

  • Die Digitalisierung schreitet voran, vor allem in China

    Die Digitalisierung schreitet voran, vor allem in China

    Das Industrie 4.0 Barometer 2024 von MHP und der LMU München zeigt die deutliche Unterschiede zwischen China und dem Rest der Welt auf. Besonders beim Einsatz von KI haben chinesische…

    mehr lesen: Die Digitalisierung schreitet voran, vor allem in China

  • USA hinsichtlich KI in Front, Deutschland auf Rang 2

    USA hinsichtlich KI in Front, Deutschland auf Rang 2

    Zwar verzeichnet das Deutsche Patent- und Markenamt deutlich mehr Patentanmeldungen im KI-Bereich als noch vor 5 Jahren. Im Ländervergleich liegt Deutschland hier jedoch hinter den Vereinigten Staaten auf dem 2.…

    mehr lesen: USA hinsichtlich KI in Front, Deutschland auf Rang 2

  • Automatisierungsbranche investiert weiter in Europa

    Automatisierungsbranche investiert weiter in Europa

    Laut einer aktuellen Horvath-Studie unter Automatisierungsunternehmen mit mindestens 100 Millionen Euro Jahresumsatz aus Deutschland, Europa und Nordamerika konzentrieren sich die Investitionen der Branche auf neue Produkktionsanlagen in der Nähe des…

    mehr lesen: Automatisierungsbranche investiert weiter in Europa

  • IÖW empfiehlt Gründung einer CDR-Allianz

    IÖW empfiehlt Gründung einer CDR-Allianz

    Unternehmen müssen im Zuge der Digitalisierung auch ethische, soziale und ökologische Auswirkungen berücksichtigen und managen. Hier rät das Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) zur Gründung einer Allianz aus Politik, Verbänden…

    mehr lesen: IÖW empfiehlt Gründung einer CDR-Allianz

  • Forscherinnen bringen Pilze zum Klingen

    Forscherinnen bringen Pilze zum Klingen

    Ein Team des Fraunhofer IWU will Pilzmyzel als Werkstoff für Transmissionline-Lautsprecher nutzbar machen. Das Material soll zunächst per 3D-Druck verarbeitet und dann im Wachstum beeinflusst werden. Erste Ergebnisse erscheinen vielversprechend.

    mehr lesen: Forscherinnen bringen Pilze zum Klingen

  • B2B-Messe beleuchtet XR- und Metaverse-Strategien

    B2B-Messe beleuchtet XR- und Metaverse-Strategien

    Anfang April stehen Extended Reality und das Metaverse auf der XR Expo im Mittelpunkt. Die B2B-Messe im Stuttgarter Haus der Wirtschaft bietet neben einer Fachausstellung auch verschiedene Workshops und Vorträge.

    mehr lesen: B2B-Messe beleuchtet XR- und Metaverse-Strategien

  • Tim Srock wird Geschäftsführer von Lobster

    Tim Srock wird Geschäftsführer von Lobster

    Zuletzt war Tim Srock CEO der Siemens-Tochter Mendix. Nun übernimmt er das Ruder beim No-Code-Spezialisten Lobster.

    mehr lesen: Tim Srock wird Geschäftsführer von Lobster

  • Cyberbedrohungen auf Rekord-Niveau

    Cyberbedrohungen auf Rekord-Niveau

    2023 blockierte Trend Micro mehr als 161 Milliarden Cyberbedrohungen weltweit – 10 Prozent mehr als im Jahr zuvor und fast 107 Milliarden mehr als noch vor fünf Jahren.

    mehr lesen: Cyberbedrohungen auf Rekord-Niveau

  • Deutsche Unternehmen melden wieder mehr Erfindungen an

    Deutsche Unternehmen melden wieder mehr Erfindungen an

    Die Zahl der Patentanmeldungen beim Deutschen Patent- und Markenamt ist im Jahr 2023 gestiegen. Größere Anstiege zeigten sich bei den Digitaltechnologien und bei der Elektromobilität.

    mehr lesen: Deutsche Unternehmen melden wieder mehr Erfindungen an