Fraunhofer IIS/EAS

Sensorplattform zur KI-Erprobung im Mittelstand

20. Oktober 2022, 7:54 Uhr | Ronny Schwabe

Bei KNIME handelt es sich um eine freie Software für die Analyse großer Datenmengen. Die Plattform KNIME2Edge soll Unternehmen einen Einstieg in die KI-Technologie ermöglichen, ohne dabei einen hohen initialen Aufwand an Ressourcen und Fachpersonal aufbringen zu müssen.

Im industriellen Bereich werden schon seit längerem Daten erfasst, um daraus zum Beispiel Informationen über den Zustand einer Anlage zu erhalten. Bisher erfolgt die Datenauswertung mittels klassischer Algorithmen. Aber auch in diesem Bereich wird zunehmend auf KI-basierte Methoden gesetzt und diese eingeführt. Dabei rücken die Technologien immer näher an die eigentliche Anwendung heran. Mussten vom Google-Konzern und der Stanford Universität vor zehn Jahren noch 16.000 Prozessoren verwendet werden, um einer Künstlichen Intelligenz die Unterscheidung zwischen dem Bild einer Katze und dem eines Menschen beizubringen, sind mittlerweile durch moderne Optimierungsverfahren und immer stärkerer Rechentechnik KI-Algorithmen auch schon auf einfachen 32-Bit-Mikrokontrollern lauffähig. Dadurch wird es möglich, dass Sensorwerte sehr nah an der Messstelle, in der Edge, an einen Mikrokontroller übergeben und dort ausgewertet werden können. So ist ein effizienter Einsatz mehrerer Sensoren möglich, da mittels einer Verarbeitung vor Ort die Datenmenge, die zu einem Zentralrechner gesendet werden muss, deutlich reduziert werden kann.

Die Verwendung solcher kostengünstiger Rechentechnik macht die KI-Technologien zunehmend für kleinere und mittlere Unternehmen attraktiv. Oft fehlt diesen jedoch die Erfahrung oder schlicht der Zugang zu geeigneten KI-Lösungen für ihre Industriebranche. Gerade für die Entwicklung neuer KI-basierter Ansätze für Industrien, die bisher wenig Berührung mit dieser Technik hatten, ist es häufig aufwendig, ein neues KI-System zu designen und an die jeweiligen Anforderungen der Einsatzumgebung anzupassen (Bild 1).

Für diesen Entwicklungsprozess werden verschiedene Expertisen benötigt, da neben Fachkräften für den Einsatz der Künstlichen Intelligenz und Datenanalyse auch Hardwareentwickler sowie Programmierer benötigt werden, um jeden Teilaspekt des Anwendungssystems implementieren zu können. All diese Schritte benötigen verschiedene Berufszweige und ein nicht unerhebliches Maß an zeitlichem Aufwand. Um diesen Entwicklungsaufwand zu reduzieren und ein KI-System anzubieten, welches auch für kleine und mittlere Unternehmen attraktiv ist, hat das Fraunhofer IIS/EAS die Sensorplattform KNIME2Edge (Konstanz Information Miner) zur KI-Erprobung im Mittelstand entwickelt.

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Diese Sensorplattform soll es interessierten Unternehmen ermöglichen, einen Einstieg in die KI-Technologie zu finden, ohne dabei einen hohen initialen Aufwand an Ressourcen und Fachpersonal aufbringen zu müssen. Der Anwender der KNIME2Edge-Lösung sollte dafür lediglich über grundlegende Kenntnisse der Datenverarbeitung verfügen (Bild 2).

Da eine initiale Exploration nach passenden Lösungen oft viele Iterationen benötigt, innerhalb welcher sich Anforderungen an Hardware und Software erneut ändern können, wurde für KNIME2Edge eine zweistufige Methodik etabliert: Im ersten Schritt soll der Anwender zunächst verschiedene Ansätze ausprobieren können. Die dafür nötige Flexibilität wird durch eine software- und hardwareseitig modulare Bauweise des KNIME2Edge-Systems erreicht. Wurde dann eine vielversprechende Lösung gefunden, kann diese entweder lokal auf der Sensorplattform ausgeführt oder – in einem zweiten Schritt – in einer speziell für diese gefundene Lösung angepassten oder entwickelten Hardware umgesetzt werden. Der Vorteil bei KNIME2Edge liegt darin, dass keine Unterbrechung der Methodik zwischen Exploration und hardwareseitiger Testung erfolgt. Alle Schritte können innerhalb eines Gesamtsystem bearbeitet werden.

Wie funktioniert KNIME2Edge?

Die Plattform setzt auf bewährte Mikrokontroller- sowie Sensortechnik und kombiniert diese mit der freien Software KNIME, mit deren Hilfe KI-Algorithmen ohne Programmierkenntnisse einfach per Drag & Drop erstellt und auf den Mikrokontroller übertragen werden können. Die Plattform soll dabei zum Experimentieren mit KI-Lösungen einladen, ohne dass diese in das bestehende Industrienetz eingebunden werden müssen. Sie ist als ‚Plug & Play‘-System konzipiert, wodurch keine zusätzliche Treiberinstallation oder anwenderseitigen Konfigurationen nötig werden.

Hardwareseitig besteht die Sensorplattform aus einem Basismodul und verschiedenen Sensormodultypen, die je nach Bedarf in unterschiedlicher Kombination und Stückzahl mittels Plug & Play über eine einheitliche Schnittstelle an das Basismodul angeschlossen werden können. Sensorseitig kann die Plattform somit nach den jeweiligen Anwendungskriterien konfiguriert werden. Neben dem Herstellen der elektrischen Verbindung durch das Einstecken der Sensoren in die Sensorplattform sind keine weiteren Konfigurationsarbeiten nötig. Dieses flexible Konzept erlaubt auch, bei Bedarf weitere Sensoren auch mit anderen physikalischen Messprinzipien hinzuzufügen. Dabei kann ein breites Spektrum an für die Fertigung relevanten Sensoren verwendet werden. Nach kurzer Anpassungszeit stehen diese Sensordaten ebenfalls zur Verfügung.

Die Plattform kann aber auch für spezialisierte Anwendungsfälle, zum Beispiel aus der Medizintechnik, verwendet werden. Auch die Benutzung mehrerer Basismodule ist möglich. Die Aufgabe des Basismoduls besteht darin, eine Verbindung zur KNIME-Software auf dem Rechner des Anwenders aufzubauen, über die dann die Messdaten an die KNIME-Anwendung gesendet oder ein entwickelter Lösungsalgorithmus auf das Basismodul übertragen wird. Der Verbindungsaufbau erfolgt dabei über eine USB-, Ethernet- oder Bluetooth-Schnittstelle (Bild 3). Die Plattform kann zudem mobil im Akkubetrieb verwendet werden.

Softwareseitig zeichnet sich KNIME durch eine codefreie Oberfläche aus: Die Programmabläufe werden ‚Drag & Drop‘ durch sogenannten Funktionsknoten zusammengestellt (Bild 4). Jeder Knoten kapselt eine für den Programmablauf notwendige Funktion in sich, zum Beispiel das Lesen einer Datei. Die semantische Verknüpfung ergibt sich durch die Verbindung dieser Knoten mittels Verbindungslinien. Fundierte Kenntnisse einer Programmiersprache werden nicht benötigt.

Neben den standardmäßig verfügbaren KNIME-Knoten, zum Beispiel für eine schnelle Fourier-Transformation (FFT), hat das Fraunhofer IIS/EAS weitere Koten entwickelt, die für den Verbindungsaufbau zur Sensorplattform, zur Messdatenerfassung und Übertragung der Algorithmen auf das Basismodul verwendet werden können. Diese Knoten werden ebenfalls per Drag & Drop in den Programmablauf eingebunden.
Die Verarbeitung in KNIME folgt dabei dem ETL-Prozess (Extract, Transform, Load). Am Ende der Verarbeitungskette können Zielknoten die Daten in Dateien oder Datenbanken ablegen sowie in grafischen Diagrammen darstellen. Mittels der Software können die Daten langfristig gespeichert, in klassische Datenformate, wie zum Beispiel CSV bzw. XLSX, konvertiert oder in Datenbanken abgelegt werden. Um beispielsweise Filter- oder KI-Algorithmen zu entwickeln und zu testen, können innerhalb der KNIME aufgezeichnete Sensordaten verwendet werden.

Nachdem die Algorithmen auf den aufgezeichneten Daten entwickelt wurden, wird die Software direkt auf das Basismodule übertragen und ausgeführt. Damit werden mit demselben System auch die Funktionsfähigkeit des Algorithmus und des Gesamtsystems in der Anwendung geprüft. Häufig werden durch das längere Anwenden der Plattform auch andere Datenpunkte erzeugt, bei denen der Algorithmus noch unangebracht reagiert. Mit diesen neuen Daten kann eine weitere Optimierung gestartet werden; zwischen der Erprobung, Optimierung und Anwendung gibt es also keine Veränderung in der Methodik.