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Am Puls der Innovation
Karlsruher Forschungsfabrik für KI-integrierte Produktion
geht in Betrieb/Neue Kooperationsmodelle für Firmen
Fraunhofer IOSB
Informatiker und Ingenieure, Wissenschaftler und Unternehmensvertreter, Automatisie-
rungs-, Prozess- und KI-Experten, die gemeinsam an den Produktionsprozessen von morgen
tüfteln – in einer als Entwicklungs- und Testumgebung optimierten, realen Fabrik:
Das ist die Vision der Karlsruher Forschungsfabrik. Sie beginnt nun Wirklichkeit zu werden.
Das neu errichtete Fabrikgebäude auf dem Campus-Ost lisieren, stehen die drei Partner, auf deren gemeinsame
des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) umfasst Initiative die Karlsruher Forschungsfabrik zurückgeht:
5000 Quadratmeter Hallenfläche und verfügt über eine Werkstoffe und Prozesstechnik sind die Domäne des
unmittelbare Edge-Cloud-Anbindung für die Echtzeit- Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT. Das
Auswertung anfallender Daten. Ende Mai wurde der wbk Institut für Produktionstechnik am KIT bringt die Ex-
Bau abgenommen und der Nutzung übergeben, erste pertise für intelligente Maschinen und Anlagen, Automa-
Anlagen und Demonstratoren ziehen derzeit ein. Die For- tisierung und Qualitätssicherung mit, während das Fraun-
schungsfabrik geht also aus der Planungs- und Bauphase hofer IOSB auf Sensorik, Aktorik und sämtliche IT-Aspekte
in den Betrieb über – auch wenn die Eröffnung wegen der Prozessregelung und -überwachung spezialisiert ist,
der Corona-Situation erst 2022 offiziell gefeiert wird. insbesondere auch auf Methoden der Künstlichen Intelli-
genz und des maschinellen Lernens.
Erklärtes Ziel der Forschungsfabrik ist es, am High-Tech-
Standort Karlsruhe eine neue Infrastruktur zu schaffen, Als Embedded Scientist in die Forschungsfabrik
in der Firmen und Forscher in engem Schulterschluss die Unternehmen können nicht nur in Form typischer
Produktion von morgen entwickeln – von Technologien Projekte mit der Forschungsfabrik kooperieren, son-
auf Feldebene (Sensorik, Automatisierungskomponen- dern auch eigene Mitarbeiter dorthin entsenden –
www.iosb.fraunhofer.de
ten, smarte Maschinen) über Konzepte auf Vernetzungs- beispielsweise für eine Promotion. Diese Embedded
und Steuerungsebene bis hin zu innovativen Services und Scientists arbeiten dann gemeinsam mit dem
neuen datenbasierten Geschäftsmodellen. Unternehmen Forschungsfabrik-Team an spezifischen Aufgabenstel-
können bei Bedarf ganze Produktionslinien in die For- lungen des Unternehmens und profitieren dabei eben-
schungsfabrik transferieren und/oder Mitarbeiter entsen- so vom wissenschaftlichen Know-how wie vom
den, um direkt und exklusiv auf das Know-how der dort inspirierenden interdisziplinären Umfeld, das derartige
arbeitenden Wissenschaftler zuzugreifen (siehe Kasten). Infrastrukturen zu einem idealen Nährboden für Inno-
vationen macht. Infos: www.forschungsfabrik-ka.de
Für die nötigen Kompetenzen, um etablierte Prozesse
zu optimieren und unreife Prozesse schnell zu industria- Text: Ulrich Pontes, Fotos: © Fraunhofer IOSB/Olaf Sauer
Mit KI dem Nitrat im Grundwasser auf der Spur
Intelligente Systeme, die nachhaltig das gesundheitsgefährdende Nitrat
im Grundwasser reduzieren helfen: Darum geht es in dem 2020 gestarte-
ten, vom Bundesministerium für Umwelt mit 2,5 Millionen Euro geför-
derten Projekt Nitrat-Monitoring (NiMo) 4.0. Beteiligt ist auch die von
Dr. Désirée Hilbring geleitete Gruppe Geodatenanalyse und -manage-
ment des Fraunhofer IOSB.
im Grundwasser. Wir beschäftigen uns mit neuen Mechanismen zur Datenintegration,
der räumlichen und zeitlichen Nitratvorher- domänenunabhängig sind.
sage. Ein weiteres Ziel ist die Messwertüber-
wachung: Wir wollen eine Frühwarnung Das klingt schon alles sehr durchgeplant –
entwickeln, die eingehende Messwerte auf gab es auch etwas Unerwartetes?
Dr. Desirée Hilbring
Auffälligkeiten überprüft. Aktuell werden
Frau Hilbring, was stimmt mit unserem Wasserproben manuell entnommen und im In der Planungsphase sahen wir keine Mög-
Grundwasser nicht? Labor analysiert, ein aufwändiges Verfahren. lichkeit eigene Nitratsensoren auszubringen.
Deswegen befasst sich NiMo auch mit der Inzwischen hat sich der Kontakt zu einer Fir-
Das Stichwort Nitrat hört man immer wieder Messnetzoptimierung. Die Methoden werden ma ergeben, die Nitratsensoren herstellt und
in der Presse – das Problem ist, dass sich Ni- in zwei Pilotregionen getestet. in Betrieb hat – und wir dürfen auf diese Sen-
trat nicht schnell im Grundwasser abbaut. soren zugreifen! Damit haben wir Zugang zu
Die Verteilung im Grundwasser ist Ergebnis Welche Herausforderungen zeitlich hochauflösenden Daten. Es ist span-
eines komplexen Zusammenspiels von vielen stellen sich dabei? nend, wie die Live-Daten der Sensoren inte-
Einflussfaktoren. Eine Rolle spielen z. B. die griert und mit den Daten aus den Probenah-
grundwasserleitenden Schichten, der Nie- Um die KI-Algorithmen zu realisieren, brau- men kombiniert werden können.
derschlag aber auch die Stickstoffeinträge chen wir Daten aus verschiedenen Quellen.
Die Fragen stellte Patrizia Attar.
der Landwirtschaft. Um den Eintrag zu re- Diese müssen integriert und für die Verwen-
geln, gibt es Düngeverordnungen der Länder. dung in KI-Algorithmen aufbereitet werden.
Wenn Nitrat ins Trinkwasser gelangt, gilt es Die zweite Herausforderung ist, das System
Grenzwerte einzuhalten, da hohe Nitratwer- nicht nur prototypisch zu bauen, sondern
te eine gesundheitliche Belastung darstellen Grundlagen für die Übertragung auf andere
können. Die Folge ist, dass Wasserversorger Regionen zu schaffen. Wir entwickeln schon
Maßnahmen zur Aufbereitung des Trinkwas- lange Informationssysteme für Behörden mit
sers ergreifen müssen. Weil wir schauen, wo Gewässermonitoringaufgaben. Unklar ist, wie
die Werte problematisch sein könnten, ist die neuen Algorithmen in bestehende Syste-
NiMo 4.0 für Umweltbehörden und Wasser- me integriert werden können. Wir setzen da-
versorger interessant. bei auf offene Standards des Open Geospatial
Consortiums (OGC). Unser Ziel ist eine Web-
Was tun Sie im Projekt NiMo 4.0 konkret? Plattform, die Szenarien für unterschiedliche
Parameter berechnet. Die technischen Grund-
Ziel von NiMo ist die Entwicklung von KI- lagen können über die Nitratprognose hinaus
Methoden für die Reduzierung von Nitrat eingesetzt werden, da der Standard und die Grundwasser-Messstelle. Foto: © Pixabay
Anwendungszentren riellen Umfeld flächendeckend zu ermöglichen. beispielen um. So können standortübergreifen-
bringen 5G standortübergreifend Industriell eingesetzt erlaubt 5G eine drahtlose de Szenarien wie die Fernwartung von Produk-
in die industrielle Praxis Echtzeitkommunikation zwischen Maschinen tionsmaschinen oder die Automatisierung aus
und Geräten und ein auf die Millisekunde ab- der Cloud getestet werden. Der Lemgoer Insti-
In Fabriken werden zunehmend drahtlose Kom- gestimmtes Ineinandergreifen von Prozessschrit- tutsteil des Fraunhofer IOSB unterstützt Unter-
munikationssysteme für den Datenaustausch ten. Unternehmen können die Technologie mit nehmen auf dem Weg zu 5G-basierten Produk-
verwendet. Sie gewährleisten eine vereinfachte einem sogenannten 5G-Campusnetz sogar ten und Services. Die Angebote decken dabei
Inbetriebnahme, Bedienung und Wartung und ohne Verbindung zum öffentlichen Netz nutzen. die gesamte Befähigungskette von der Informa-
sorgen damit für eine effizientere Produktion. tion und Demonstration über die Qualifizierung
Der neue Mobilfunkstandard 5G gilt als Voraus- Das Fraunhofer IOSB-INA setzt 5G zusammen und Konzeption bis zur Umsetzung ab. Mehr
setzung, um das Internet der Dinge im indust- mit vier weiteren Fraunhofer-Instituten in Fall- Infos: www.5g-anwendungszentrum.de
KI-Engineering: Wissenschaft und Praxis aus Karlsruhe
»KI-Engineering adressiert die systemati- Informatik und das Karlsruher Institut für Tech- angegeben: Eine hohe Physikalität erfordert
sche Entwicklung und den Betrieb von KI- nologie (KIT) beteiligt sind. »Im KI-Engineering neue Methoden, um einerseits mehr Vorwissen
basierten Lösungen als Teil von Systemen, entwickeln wir Methoden, Werkzeuge und in die Systeme integrieren zu können und sich
die komplexe Aufgaben erfüllen«: Das ist Prozesse, von denen insbesondere kleine und andererseits an etablierte Vorgehensweisen aus
der Kern der Definition, die das Kompe- mittlere Unternehmen profitieren.« Indem KI- Ingenieurdisziplinen anzupassen. Schon eine
tenzzentrum für KI-Engineering CC-KING Engineering die die Brücke zu den etablierten der drei Dimensionen reicht aus, um den Einsatz
unter Federführung des Fraunhofer IOSB Vorgehensweisen von Ingenieuren schlägt, von KI-Engineering zu rechtfertigen.
erarbeitet und als kompakten Einseiter ver- macht es den Einsatz von KI planbarer und er-
öffentlicht hat. möglicht die Skalierung auf große und interdis- Mit der Veröffentlichung, die in deutscher
ziplinäre Projektteams. und englischer Version als Download auf der
KI-Engineering – oder auf Englisch AI Systems CC-KING-Website zur Verfügung steht, posi-
Engineering – verbindet demnach Informatik, Die Autoren der Definition nennen in ihrem Pa- tioniert sich das Kompetenzzentrum als Ton-
datenbasierte Modellbildung und Optimierung pier drei Dimensionen, die aufzeigen, ob eine angeber der neuen Disziplin und bringt das
mit dem Systems Engineering und klassischen Anwendung KI-Engineering erfordert. Die Di- eigene Verständnis des Forschungsfelds zur
Ingenieurdisziplinen. »Ein gemeinsames Ver- mension »Kritikalität« umfasst die Risiken, die Diskussion auf die wissenschaftliche Agenda.
ständnis der neuen Disziplin ist ein wichtiger mit einem nicht funktionierenden System ein- Gleichzeitig können Unternehmen im Rahmen
Schritt in Richtung eines systematischen KI- hergehen. Die »Organisatorische Komplexität« sogenannter QuickChecks und TransferChecks
Engineering, um den Einsatz von Künstlicher bezeichnet den Mehraufwand, der nötig ist, um kostenlos und unbürokratisch KI-Engineering-
Intelligenz zu professionalisieren«, sagt Dr.-Ing. die Entwicklung und den Betrieb eines komple- Unterstützung in Anspruch nehmen. Weitere
Julius Pfrommer, Forscher am Fraunhofer IOSB xen KI-Systems zu koordinieren. Mit der »Physi- Infos: www.ki-engineering.eu
und wissenschaftlich-technischer Leiter von CC- kalität« wird die Nähe zur physischen Welt, zu
KING, an dem auch das FZI Forschungszentrum Naturwissenschaften oder Ingenieurdisziplinen Text: Patrizia Attar
IOSB-Forschung in bildlich-kreativer Perspektive
der Summe knapp auf Rang zwei lande-
te ein Foto von Christian Kludt (rechts).
Es zeigt das Linsen-Array eines Lichtfeld-
monitors, der in verschiedene Richtungen
gleichzeitig unterschiedliche Informatio-
nen darstellen kann. Diese Technologie
findet am Fraunhofer IOSB für die industri-
elle Sichtprüfung Verwendung: Lichtfelder
»Intelligente Systeme« lautete das Thema wachung mit den Datenströmen einer KI werden so für spezielle Objektgeometrien
des 2021 erstmalig ausgeschriebenen in- auseinander, die dem Betrachter sonst optimiert, dass die relevanten Strukturen
ternen Fotowettbewerbs des Fraunhofer verborgen bleiben. Es überzeugte die Jury mit deutlich höherem Kontrast als bei her-
IOSB. Das Gewinnerbild von Nina Wlodar- durch seinen Themenbezug und dessen kömmlicher Beleuchtung sichtbar werden.
czyk und Leonie Benkenstein (links) setzt künstlerisch-kreative Umsetzung. Unter
sich im Kontext intelligenter Videoüber- Foto-technischen Aspekten vorn, aber in Fotos: © Fraunhofer IOSB, Urheber*innen siehe Text
Impressum Layout:
Atelier Friedemann Bruns, 76133 Karlsruhe
InfOSB erscheint etwa vier Mal jährlich und kann kostenlos abonniert werden.
Bestellungen, Abbestellungen und Adressänderungen bitte an: Druckerei:
publikationen@iosb.fraunhofer.de Stork Druckerei GmbH, 76646 Bruchsal
Der Druck des InfOSB erfolgt auf Recycling-Papier.
Herausgeber:
Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
Alle Rechte vorbehalten. Elektronische und drucktechnische Vervielfältigungen dieses
Fraunhoferstr. 1, 76131 Karlsruhe
Newsletters oder von Teilen daraus sind ausschließlich für den persönlichen Gebrauch
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Beyerer
gestattet. Alle darüber hinaus gehenden Verwendungen, insbesondere die kommerzielle
Nutzung und Verbreitung, bedürfen der schriftlichen Genehmigung.
Redaktion:
Ulrich Pontes, Fraunhofer IOSB, presse@iosb.fraunhofer.de www.iosb.fraunhofer.de
IOSB an drei neuen Fraunhofer-Leitprojekten beteiligt Abteilungsprofile geschärft
Zum Jahresbeginn 2021 sind fünf neue FutureProteins dreht sich um die sichere Ver- Die Abteilung Wasser und mobile Systeme
Fraunhofer-Leitprojekte gestartet – strategi- sorgung der Weltbevölkerung mit Proteinen (WMS) des Institutsteils Angewandte System-
sche Forschungsvorhaben, die durch die Bün- aus Pflanzen, Pilzen und Mikroalgen. Fraun- technik IOSB-AST in Ilmenau wird in zwei neue
delung von Fraunhofer-Kompetenzen konkrete hofer IME, IVV, IGB, IOSB, IWU und UMSICHT Abteilungen aufgeteilt: Unterwasserrobotik
Lösungen für aktuelle Erfordernisse der Wirt- entwickeln geschlossene und nachhaltige An- (UWR; Leitung: Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas
schaft hervorbringen sollen. Das Fraunhofer bausysteme, um Proteine mit optimiertem er- Rauschenbach) und Eingebettete Intelligente
IOSB ist an gleich dreien dieser mit je bis zu nährungsphysiologischen Profil und höchster Systeme (EIS; Leitung: Prof. Dr.-Ing. Andreas
9 Millionen Euro geförderten Projekte beteiligt: Verbraucherakzeptanz zu produzieren. Wenzel). Die Umorganisation ermöglicht eine
bessere Fokussierung auf die unterschiedli-
In ALBACOPTER® entwickeln die Fraunhofer- Waste4Future schließlich zielt auf eine nach- chen, sich in den letzten Jahren erfolgreich
Institute IVI, LBF, ICT, IOSB, IEM und IMS ver- haltigere chemische Industrie, insbesondere entwickelnden Forschungsschwerpunkte.
tikal startende und landende Gleitflieger als auf neue Möglichkeiten für das Recycling von
Transportsystem. ALBACOPTER orientiert sich Kunststoffen. Gemeinsam wollen die Fraunho-
Messen & Veranstaltungen
an den Anforderungen für ein drohnenba- fer- Institute IMWS, IZFP, IWKS, IOSB, FHR, LBF
siertes Just-in-time-Logistik-Netzwerk für den und IVV Innovationen schaffen, die eine Koh- Aktuelle Infos zu unseren Messepräsenzen
urbanen und ländlichen Raum mit Distan- lenstoff- Kreislaufwirtschaft auch für komplexe und Veranstaltungen finden Sie stets unter
zen bis 200 Kilometern und Nutzlasten bis zu Abfälle möglich machen. www.iosb.fraunhofer.de/veranstaltungen
200 Kilogramm.
Redispatch 2.0: Innovative Auszeichnungen Auszeichnungen und Preise »Teilhabe durch
Software für Energieversorger und Preise Digitalisierung« hat ein vom Fraunhofer IOSB-
INA in Lemgo gemeinsam mit der wertkreis
Energieversorger müssen bis zum 1. Oktober Erster Platz beim Fraunhofer ICT Dissertation Gütersloh gGmbH entwickeltes Assistenzsys-
2021 im Rahmen des sogenannten Redispatch Award: Den Preis, den der Fraunhofer- IUK-Ver- tem den dritten Preis gewonnen. Der multi-
2.0 neue Anforderungen in robuste und zu- bund jährlich für herausragende Doktorarbeiten funktionale, interaktive Arbeitsplatz unter-
verlässige Prozesse überführen. Um diesen Vor- vergibt, hat sich Dr.-Ing. Julius Pfrommer gesi- stützt bei manuellen Montagevorgängen und
gang zu erleichtern, haben Entwickler*innen chert, Gruppenleiter Cyberphysische Verteilte stellt den gesellschaftlichen Mehrwert techno-
am Fraunhofer IOSB-AST die bewährte Ener- Systeme am Fraunhofer IOSB in Karlsruhe. Die logischer Innovationen unter Beweis.
giedatenmanagement- Plattform EMS-EDM Jury lobte das hohe wissenschaftliche Niveau
PROPHET® um eine entsprechende Soft- und die praktische Relevanz seiner Dissertation,
warelösung ergänzt. Diese ermöglicht intel- die eine automatische Anpassung der Steue-
ligente Prognosen von dezentralen Erzeu- rung von Produktionsanlagen an wechselnde
gungseinheiten aus Photovoltaik, Wind und Aufträge und Rahmenbedingungen beschreibt.
Biomasse und ist an die DWD Wetterdaten- Dabei wird das Prinzip der Selbstorganisation
bank angebunden. Auch die Verknüpfung mit durch verteilte Planung angewendet.
vorgelagerten Leitsystemen ist unkompliziert
möglich. Erfolg beim mit insgesamt 30.000 Euro do-
tierten Inklusionspreis des Landes Nord-
Weitere Infos: www.edm-prophet.de rhein-Westfalen: Zum Schwerpunktthema Foto: © wertkreis Gütersloh gGmbHSie können auch lesen
