»KI-PREDICT«: Elektronik für verteilte KI zur sensorbasierten Prozess- und Zustandskontrolle

20. April 2020

Erlangen: Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) investiert aktiv in die Entwicklung neuer Elektroniksysteme und fördert dabei Verbundforschungsprojekte, die signifikant zur Umsetzung des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 beitragen. Ziel des vom BMBF geförderten Gesamtprojekts »KI-PREDICT« ist die Nutzung von Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) auf unterschiedlichen Ebenen des Produktionsprozesses als Basis für die zustandsbasierte, prädiktive Wartung von Produktionsanlagen und die Überwachung der Produktqualität direkt im Produktionsprozess. An diesem Projekt sind insgesamt sieben Partner beteiligt: unter ihnen das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS mit der Entwicklung eines Sensor-Interface ASICs. Das Besondere daran: Es ist auf Sensoren für Condition-Monitoring und Echtzeit-Prozesskontrolle abgestimmt und ermöglicht eine energieeffiziente Feature-Extraction und Signalverarbeitung direkt am Sensor.

Mikroelektronik, kombiniert mit Sensorik und eingebetteter Software, erfasst und verarbeitet Prozessdaten in Industrieanlagen. Dies ermöglicht die Digitalisierung von Produktionsprozessen und Betriebsabläufen in der Industrie 4.0. Heute verfügbare Elektroniksysteme zur Datenerfassung und Signalverarbeitung sind jedoch für diesen Anwendungsbereich nicht optimiert und folglich im Vergleich zu den zu überwachenden Komponenten teuer.

Insbesondere Signalprozessoren (DSP) oder programmierbare Logik (FPGA), die für den Einsatz von universellen KI-Algorithmen geeignet sind, übersteigen den Preis, aber auch den Platz- und Energiebedarf vieler heutiger in der Industrie 4.0 üblicher Sensoren, sodass ein Eins-zu-eins-Ersatz bestehender Sensorik zur Digitalisierung von Prozessen nicht funktioniert.

Das Projekt »KI-Predict« adressiert genau dieses Problem in einem ganzheitlichen Ansatz. Die Kombination neuer KI-Methoden mit dazu optimierter, integrierter Hardware ermöglicht eine intelligente Prozessüberwachung mit direkter Signalverarbeitung und Feature-Extraktion am Ort des Geschehens. Diese neue Qualität der Datenverarbeitung direkt am Sensor ermöglicht eine sichere, dezentrale Analyse- und Prognosefähigkeit mit gleichzeitig definierter und geringer Latenz. Hierzu wird eine miteinander verzahnte Hard- und Softwarearchitektur entwickelt, die zum einen den Fokus auf sensornahe Datenfusion, Datenreduktion und Datenauswertung legt und zum anderen fehlerhafte Sensoren durch das Interpretieren von Anomalien erkennt.

So werden beispielsweise neben üblichen Funktionen, wie etwa der digitalen Erfassung von Strom, Position, Vibration, Akustik, Druck, Kraft und Temperatur, vor allem Funktionalitäten für maschinelles Lernen (ML) bereitgestellt, wodurch eine dezentrale Datenverarbeitung und -reduktion ermöglicht wird.

Das Interface ist insbesondere in der Lage, energieeffizient Merkmale auch in hochfrequenten Sensorsignalen zu erkennen und diese entweder auf Steuerungsebene als Basis für die Sensordatenfusion zur Verfügung zu stellen oder direkt für die Klassifikation, das Clustering oder die Anomaliedetektion zu nutzen.

Die Nutzung von industriell üblichen Schnittstellen und Netzwerken wird durch die sensornahe Gewinnung aggregierter Merkmale aus dem Datenstrom ermöglicht. Dadurch können die Industriepartner den Funktionsumfang ihrer Anlagen, ohne zusätzliche Infrastrukturkosten, erhöhen. Gleichzeitig können diese Merkmale auf höheren Ebenen der Prozesssteuerung bzw. der ERP-Software mittels komplexeren KI- und ML-Methoden genutzt werden, um den Anlagenzustand und die Produktqualität zu erfassen sowie Trends zu verfolgen. Diese erweiterte Datenauswertung kann genutzt werden, um die Betriebskosten der Anlage zu senken. Hierbei ist die Hardware nicht an spezielle Anwendungsfälle angepasst und kann somit automatisiert an neue Anwendungsfälle angelernt werden.

 

Über das Fraunhofer IIS

Als eine der weltweit führenden anwendungsorientierten Forschungseinrichtungen entwickelt das Fraunhofer IIS mikroelektronische und informationstechnische Systemlösungen und Dienstleistungen. Der Hauptfokus der Abteilung Integrierte Sensorsysteme am Fraunhofer IIS liegt in der Definition, Entwicklung, Simulation und Evaluation von integrierten Schaltungen für Sensoranwendungen. Diese Kompetenzen werden seit der Gründung des Instituts kontinuierlich ausgebaut und stets weiterentwickelt.

Im Rahmen dieses Projektes konzentrieren sich die Arbeiten am Fraunhofer IIS auf die Entwicklung eines ASICs für die analoge Signalerfassung und digitale KI-basierte Signalverarbeitung von industriellen Sensoren. Diese Entwicklung kann neben den Leitanwendungen Lagerüberwachung, zerspanende Bearbeitung und Umformtechnik noch in vielen weiteren Bereichen eingesetzt werden. Durch die einfache Adaption an verschiedene Anwendungsszenarien besteht das Potenzial einer flexiblen und breiten Einsatzfähigkeit autonomer KI-Systeme auf verschiedenen Ebenen einer Prozesskette, was eine hohe Skalierbarkeit des Systems ermöglicht. Langfristig lässt sich damit die Produktqualität vielfältiger Produktketten sichern und somit die Konkurrenzfähigkeit Deutschlands stärken.