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.



  • Trends und Themen im Maschinen- und Anlagenbau

    Trends und Themen im Maschinen- und Anlagenbau

    Der Maschinen- und Anlagenbau steht vor Herausforderungen, die gleichzeitig Chancen zur Neuausrichtung von Prozessen, Geschäftsmodellen und Strukturen bieten.

    mehr lesen: Trends und Themen im Maschinen- und Anlagenbau

  • RoX – ein digitales Ökosystem für KI-basierte Robotik

    RoX – ein digitales Ökosystem für KI-basierte Robotik

    Das Verbundprojekt RoX widmet sich dem Aufbau eines digitalen Ökosystems, das den Einsatz neuer KI-basierter robotischer Systeme in praxisrelevanten Anwendungen und Branchen ermöglichen soll.

    mehr lesen: RoX – ein digitales Ökosystem für KI-basierte Robotik

  • Wie unstrukturierte Daten und KI Storage-Infrastrukturen verändert

    Wie unstrukturierte Daten und KI Storage-Infrastrukturen verändert

    Die Menge unstrukturierter Daten nimmt zu, auch weil sie als Grundlage für Applikationen mit künstlicher Intelligenz benötigt werden.

    mehr lesen: Wie unstrukturierte Daten und KI Storage-Infrastrukturen verändert

  • KI für Ergonomie am Arbeitsplatz

    KI für Ergonomie am Arbeitsplatz

    Homeoffice, flexible Arbeitsplätze und -orte sowie Videokonferenzen – in den letzten Jahren hat die Veränderung der Arbeitswelt ordentlich an Fahrt aufgenommen.

    mehr lesen: KI für Ergonomie am Arbeitsplatz

  • Absolute IT-Sicherheit ist eine Illusion, die wir nicht brauchen

    Absolute IT-Sicherheit ist eine Illusion, die wir nicht brauchen

    Der Satz „Eine hundertprozentige IT-Sicherheit gibt es nicht“ ist vielen bekannt. Doch die Frage ist: Was folgt daraus? Das erklärt Christian Koch (Bild), Senior Vice President Cybersecurity, Innovations & Business…

    mehr lesen: Absolute IT-Sicherheit ist eine Illusion, die wir nicht brauchen

  • ZVEI kommentiert die Exportbeschränkungen der Biden-Regierung auf KI-Chips

    ZVEI kommentiert die Exportbeschränkungen der Biden-Regierung auf KI-Chips

    Wolfgang Weber, Vorsitzender der ZVEI-Geschäftsführung, fordert die EU-Kommission und die kommende Bundesregierung zum Handeln auf und kommentiert die heute bekanntgewordenen Exportbeschränkungen der US-Regierung auf KI-Chips wie folgt:“Die heute verkündeten Exportbeschränkungen…

    mehr lesen: ZVEI kommentiert die Exportbeschränkungen der Biden-Regierung auf KI-Chips

  • Stellenwert von Software im Maschinenbau steigt

    Stellenwert von Software im Maschinenbau steigt

    Besonders die Bedeutung der Softwareentwicklung für die eigenen Produkte oder kundenindividuellen Lösungen steigt in den kommenden fünf Jahren nochmals stark an.

    mehr lesen: Stellenwert von Software im Maschinenbau steigt

  • Fabrizio Scovenna wird OEM-Vertriebsleiter für EMEA-Region

    Fabrizio Scovenna wird OEM-Vertriebsleiter für EMEA-Region

    Rockwell Automation gibt die Ernennung von Fabrizio Scovenna (Bild) zum Vertriebsleiter, OEMs, für Europa, den Nahen Osten und Afrika bekannt.

    mehr lesen: Fabrizio Scovenna wird OEM-Vertriebsleiter für EMEA-Region

  • Auf den Spuren eines rückläufigen Industrie 4.0-Fortschritts

    Auf den Spuren eines rückläufigen Industrie 4.0-Fortschritts

    Wie entwickelte sich die Industrie 4.0 (I4.0) am Produktionsstandort Deutschland in den vergangenen Jahren?

    mehr lesen: Auf den Spuren eines rückläufigen Industrie 4.0-Fortschritts

  • Bitkom-Prognose: ITK-Markt wächst 2025 auf 232,8 Milliarden Euro

    Bitkom-Prognose: ITK-Markt wächst 2025 auf 232,8 Milliarden Euro

    Trotz eines aktuell schwierigen konjunkturellen Umfelds erwartet der Digitalverband Bitkom im deutschen Markt für IT und Telekommunikation (ITK) 2025 ein Umsatzplus.

    mehr lesen: Bitkom-Prognose: ITK-Markt wächst 2025 auf 232,8 Milliarden Euro

  • Handlungsempfehlungen für eine souveräne Cloud- und KI-Infrastruktur

    Handlungsempfehlungen für eine souveräne Cloud- und KI-Infrastruktur

    Eine von Acatech koordinierte Taskforce aus Unternehmen und Wissenschaft legt in einem Positionspapier konkrete Handlungsempfehlungen vor, wie Deutschland ein, wie es heißt, „umfassendes, leistungsfähiges und auf europäischen Werten basierendes Angebot…

    mehr lesen: Handlungsempfehlungen für eine souveräne Cloud- und KI-Infrastruktur

  • Verbundvorhaben QR.N forscht an  Quantenrepeatern

    Verbundvorhaben QR.N forscht an Quantenrepeatern

    Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, darunter auch Christoph Becher, Professor für Quantenoptik an der Universität des Saarlandes, und sein Kollege Jürgen Eschner, Professor für Quanten-Photonik forschen Quantenrepeatern.

    mehr lesen: Verbundvorhaben QR.N forscht an Quantenrepeatern