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Mobiles Laser-Schneidsystem zur Unterstützung der USBV-Entschärfung und Beweissicherung (mobiLaS)
(2022)
Die nationale Politik- und Forschungsstrategie Bioökonomie sieht eine Transformation der Wirtschaft vor, bei der die Verwendung fossiler Rohstoffe zunehmend durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe ersetzt wird. Der Einsatz biobasierter Kunststoffe soll dabei gefördert werden. Erste Analysen der Berichterstattung zu Biokunststoffen im Rahmen einer Pilotstudie ergaben, dass der Grundgedanke biologisch abbaubarer Kunststoffe breite Zustimmung im öffentlichen Diskurs erfährt. Abseits der soziopolitischen Diskursebene entwickelt sich jedoch eine medial geführte Diskussion um erhebliche Probleme mit den Stoffen in der Abfallwirtschaft. Die Gefahr besteht nun, dass diese Haltung verbreitet durch die Massenmedien auf die öffentliche Meinung abfärbt. Mangelnde öffentliche Akzeptanz könnte den Erfolg von innovativen Biokunststoff-Produkten gefährden.
The Global Compact for Safe, Orderly and Regular Migration defines Global Skill Partnerships (GSP) as an innovative means of strengthen skills development among origin countries and countries of destination in mutually beneficial manner. However, GSPs are very limited in number and scope, and empirical analyses of them are, to date, relatively rare. This study helps fill this gap in data by presenting and examining existing GSPs or GSP-like approaches (e.g., transnational training partnerships). The aim of the study is to take stock of the various conceptual discourses on and practical experience with transnational skill partnerships. Using Kosovo as a case study, the study details the structure of such partnerships and the processes they entail. It documents the experience of those involved and catalogues the factors contributing to success. On this basis, the authors propose a means of categorizing the various practices that will help structure the empirical diversity of such approaches and render them conceptually feasible: Transnational Skills and Mobility Partnerships (TSMP).
Neuromorphic computing aims to mimic the computational principles of the brain in silico and has motivated research into event-based vision and spiking neural networks (SNNs). Event cameras (ECs) capture local, independent changes in brightness, and offer superior power consumption, response latencies, and dynamic ranges compared to frame-based cameras. SNNs replicate neuronal dynamics observed in biological neurons and propagate information in sparse sequences of ”spikes”. Apart from biological fidelity, SNNs have demonstrated potential as an alternative to conventional artificial neural networks (ANNs), such as in reducing energy expenditure and inference time in visual classification. Although potentially beneficial for robotics, the novel event-driven and spike-based paradigms remain scarcely explored outside the domain of aerial robots.
To investigate the utility of brain-inspired sensing and data processing in a robotics application, we developed a neuromorphic approach to real-time, online obstacle avoidance on a manipulator with an onboard camera. Our approach adapts high-level trajectory plans with reactive maneuvers by processing emulated event data in a convolutional SNN, decoding neural activations into avoidance motions, and adjusting plans in a dynamic motion primitive formulation. We conducted simulated and real experiments with a Kinova Gen3 arm performing simple reaching tasks involving static and dynamic obstacles. Our implementation was systematically tuned, validated, and tested in sets of distinct task scenarios, and compared to a non-adaptive baseline through formalized quantitative metrics and qualitative criteria.
The neuromorphic implementation facilitated reliable avoidance of imminent collisions in most scenarios, with 84% and 92% median success rates in simulated and real experiments, where the baseline consistently failed. Adapted trajectories were qualitatively similar to baseline trajectories, indicating low impacts on safety, predictability and smoothness criteria. Among notable properties of the SNN were the correlation of processing time with the magnitude of perceived motions (captured in events) and robustness to different event emulation methods. Preliminary tests with a DAVIS346 EC showed similar performance, validating our experimental event emulation method. These results motivate future efforts to incorporate SNN learning, utilize neuromorphic processors, and target other robot tasks to further explore this approach.
Voraussehen heißt, Visionen für die Zukunft zu entwickeln und verantwortungsvoll mitzugestalten und dies im engen Austausch zwischen angewandter Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Das ist der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg ein wichtiges Anliegen. Die H-BRS hat in Lehre, Forschung und Transfer neue Wege beschritten und Akzente gesetzt – zum Beispiel auf den Gebieten Nachhaltigkeit, Energiewende oder Cybersecurity. Der Jahresbericht 2022/23 bietet einen Überblick über die wichtigsten Themen aus den Gebieten Forschung, Lehre, Studium und Kooperation.
Jahresbericht 2022
(2023)
The increasing ubiquity of Artificial Intelligence (AI) poses significant political consequences. The rapid proliferation of AI over the past decade has prompted legislators and regulators to attempt to contain AI’s technological consequences. For Germany, relevant design requirements have been expressed by the European Commission’s High-Level Expert Group on Artificial Intelligence (HLEG AI), and, at the national level, by the German government’s Data Ethics Commission (DEK) as well as the German Bundestag’s Commission of Inquiry on Artificial Intelligence (EKKI).
Wie KI Innere Führung lernt
(2022)
Dass sich künstliche Intelligenz (KI) weltweit ausgebreitet hat, ist eine Binsenwahrheit. Die rasche und unaufhaltsame Proliferation von KI der letzten zehn Jahre spricht für sich, und längst ziehen auch Gesetzgeber und Regulierungsbehörden nach, um KI und ihre Technikfolgen einzuhegen. Für Deutschland relevante Gestaltungsanforderungen haben die High-Level Expert Group on Artificial Intelligence der Europäischen Kommission (HLEG AI) und auf nationaler Ebene die Datenethikkommission der Bundesregierung (DEK) und die Enquetekommission Künstliche Intelligenz des Deutschen Bundestags (EKKI) geäußert.
In the field of automatic music generation, one of the greatest challenges is the consistent generation of pieces continuously perceived positively by the majority of the audience since there is no objective method to determine the quality of a musical composition. However, composing principles, which have been refined for millennia, have shaped the core characteristics of today's music. A hybrid music generation system, mlmusic, that incorporates various static, music-theory-based methods, as well as data-driven, subsystems, is implemented to automatically generate pieces considered acceptable by the average listener. Initially, a MIDI dataset, consisting of over 100 hand-picked pieces of various styles and complexities, is analysed using basic music theory principles, and the abstracted information is fed into explicitly constrained LSTM networks. For chord progressions, each individual network is specifically trained on a given sequence length, while phrases are created by consecutively predicting the notes' offset, pitch and duration. Using these outputs as a composition's foundation, additional musical elements, along with constrained recurrent rhythmic and tonal patterns, are statically generated. Although no survey regarding the pieces' reception could be carried out, the successful generation of numerous compositions of varying complexities suggests that the integration of these fundamentally distinctive approaches might lead to success in other branches.
Im Rahmen der Förderlinie „FDMScouts.nrw“ arbeiten zehn Hochschulen kooperativ an Strukturen und Prozessen für einen nachhaltigen Aufbau des Forschungsdatenmanagements an den betreffenden Hochschulen für angewandte Wissenschaften und Fachhochschulen.
Hierbei ist ausschlaggebend, das Forschungsdatenmanagement zielgerichtet und bedarfsorientiert zu konzipieren und sowohl strategisch als auch operativ zu verankern. Ausgangspunkt dieser Bemühungen bildet daher eine Bedarfserhebung, die bestehende Datenworkflows, Vorwissen und Bedarfe der Forschenden zum FDM erfassen soll. In Abstimmung innerhalb der Förderlinie „FDMScouts.nrw“ wurde der vorliegende Umfragebogen erstellt.
Der Erhebungsbogen basiert auf der Vorlage „Fragenkatalog zur Bedarfserhebung zur Archivierung und Bereitstellung von Forschungsdaten an den rheinland-pfälzischen Universitäten und Hochschulen für angewandte Wissenschaften“ (Lemaire et al. 2022). Darüber hinaus wurden Aspekte aus „UNEKE: Forschungsdatenspeicherung - Praxis und Bedarfe: Online-Survey 2019“ (Brenger et al. 2019) und aus „Anforderungserhebung bei den brandenburgischen Hochschulen“ (Radtke et al. 2020) entnommen. Als weitere Quelle diente der „Interviewleitfaden zur Bestands- und Bedarfserhebung im Forschungsdatenmanagement (FDM) - Projekt FDM-TUDO“ der TU Dortmund (Kletke et al. 2022).
Künstliche Intelligenz (KI) ist aus der heutigen Gesellschaft kaum noch wegzudenken. Auch im Sport haben Methoden der KI in den letzten Jahren mehr und mehr Einzug gehalten. Ob und inwieweit dabei allerdings die derzeitigen Potenziale der KI tatsächlich ausgeschöpft werden, ist bislang nicht untersucht worden. Der Nutzen von Methoden der KI im Sport ist unbestritten, jedoch treten bei der Umsetzung in die Praxis gravierende Probleme auf, was den Zugang zu Ressourcen, die Verfügbarkeit von Experten und den Umgang mit den Methoden und Daten betrifft. Die Ursache für die, verglichen mit anderen Anwendungsgebieten, langsame An- bzw. Übernahme von Methoden der KI in den Spitzensport ist nach Hypothese des Autorenteams auf mehrere Mismatches zwischen dem Anwendungsfeld und den KI-Methoden zurückzuführen. Diese Mismatches sind methodischer, struktureller und auch kommunikativer Art. In der vorliegenden Expertise werden Vorschläge abgeleitet, die zur Auflösung der Mismatches führen können und zugleich neue Transfer- und Synergiemöglichkeiten aufzeigen. Außerdem wurden drei Use Cases zu Trainingssteuerung, Leistungsdiagnostik und Wettkampfdiagnostik exemplarisch umgesetzt. Dies erfolgte in Form entsprechender Projektbeschreibungen. Dabei zeigt die Ausarbeitung, auf welche Art und Weise Probleme, die heute noch bei der Verbindung zwischen KI und Sport bestehen, möglichst ausgeräumt werden können. Eine empirische Umsetzung des Use Case Trainingssteuerung erfolgte im Radsport, weshalb dieser ausführlicher dargestellt wird.
Kollaborative Industrieroboter werden für produzierende Unternehmen immer kosteneffizienter. Während diese Systeme für den menschlichen Mitarbeiter eine große Hilfe sein können, stellen sie gleichzeitig ein ernstes Gesundheitsrisiko dar, wenn die zwingend notwendigen Sicherheitsmaßnahmen nur unzureichend umgesetzt werden. Herkömmliche Sicherheitseinrichtungen wie Zäune oder Lichtvorhänge bieten einen guten Schutz, aber solch statische Schutzvorrichtungen sind in neuen, hochdynamischen Arbeitsszenarien problematisch.
Im Forschungsprojekt BeyondSPAI wurde ein Funktionsmuster eines Multisensorsystems zur Absicherung solcher dynamischer Arbeitsszenarien entworfen, implementiert und im Feld getestet. Kern des Systems ist eine robuste optische Materialklassifikation, die mit Hilfe eines intelligenten InGaAs-Kamerasystems Haut von anderen typischen Werkstückoberflächen (z.B. Holz, Metalle od. Kunststoffe) unterscheiden kann. Diese einzigartige Eigenschaft wird genutzt, um menschliche Mitarbeiter zuverlässig zu erkennen, so dass ein konventioneller Roboter in Folge als personenbewusster Cobot arbeiten kann.
Das System ist modular und kann leicht mit weiteren Sensoren verschiedenster Art erweitert werden. Es kann an verschiedene Marken von Industrierobotern angepasst werden und lässt sich schnell an bestehenden Robotersystemen integrieren. Die vier vom System bereitgestellten Sicherheitsausgänge können dazu verwendet werden - abhängig von der durchdrungenen Überwachungszone - entweder eine Warnung auszugeben, die Bewegung des Roboters auf eine sichere Geschwindigkeit zu verlangsamen, oder den Roboter sicher anzuhalten. Sobald alle Zonen wieder als „eindeutig frei von Personen“ identifiziert sind, kann der Roboter wieder beschleunigen, seine ursprüngliche Bewegung wiederaufnehmen und die Arbeit fortsetzen.
Das Projekt adressiert ein Problem aus dem Bereich Medizintechnologie (ein NRW-Förderschwerpunkt): die Entwicklung eines für Patienten maßgeschneiderten Gewebeersatzmaterials, ein Knochensurrogat. Kritische (“critical size“) Knochendefekte stellen ein signifikantes Gesundheitsproblem dar, das durch die zurzeit gängigen Knochenersatzmaterialien nicht bzw. nicht effizient therapiert werden kann. Kritische Knochendefekte werden mit artifiziellen Biomaterialien behandelt, die bislang eine unzureichende Regenerationskapazität aufweisen.
Effective Neighborhood Feature Exploitation in Graph CNNs for Point Cloud Object-Part Segmentation
(2022)
Part segmentation is the task of semantic segmentation applied on objects and carries a wide range of applications from robotic manipulation to medical imaging. This work deals with the problem of part segmentation on raw, unordered point clouds of 3D objects. While pioneering works on deep learning for point clouds typically ignore taking advantage of local geometric structure around individual points, the subsequent methods proposed to extract features by exploiting local geometry have not yielded significant improvements either. In order to investigate further, a graph convolutional network (GCN) is used in this work in an attempt to increase the effectiveness of such neighborhood feature exploitation approaches. Most of the previous works also focus only on segmenting complete point cloud data. Considering the impracticality of such approaches, taking into consideration the real world scenarios where complete point clouds are scarcely available, this work proposes approaches to deal with partial point cloud segmentation.
In the attempt to better capture neighborhood features, this work proposes a novel method to learn regional part descriptors which guide and refine the segmentation predictions. The proposed approach helps the network achieve state-of-the-art performance of 86.4% mIoU on the ShapeNetPart dataset for methods which do not use any preprocessing techniques or voting strategies. In order to better deal with partial point clouds, this work also proposes new strategies to train and test on partial data. While achieving significant improvements compared to the baseline performance, the problem of partial point cloud segmentation is also viewed through an alternate lens of semantic shape completion.
Semantic shape completion networks not only help deal with partial point cloud segmentation but also enrich the information captured by the system by predicting complete point clouds with corresponding semantic labels for each point. To this end, a new network architecture for semantic shape completion is also proposed based on point completion network (PCN) which takes advantage of a graph convolution based hierarchical decoder for completion as well as segmentation. In addition to predicting complete point clouds, results indicate that the network is capable of reaching within a margin of 5% to the mIoU performance of dedicated segmentation networks for partial point cloud segmentation.
Recent advances in Natural Language Processing have substantially improved contextualized representations of language. However, the inclusion of factual knowledge, particularly in the biomedical domain, remains challenging. Hence, many Language Models (LMs) are extended by Knowledge Graphs (KGs), but most approaches require entity linking (i.e., explicit alignment between text and KG entities). Inspired by single-stream multimodal Transformers operating on text, image and video data, this thesis proposes the Sophisticated Transformer trained on biomedical text and Knowledge Graphs (STonKGs). STonKGs incorporates a novel multimodal architecture based on a cross encoder that uses the attention mechanism on a concatenation of input sequences derived from text and KG triples, respectively. Over 13 million so-called text-triple pairs, coming from PubMed and assembled using the Integrated Network and Dynamical Reasoning Assembler (INDRA), were used in an unsupervised pre-training procedure to learn representations of biomedical knowledge in STonKGs. By comparing STonKGs to an NLP- and a KG-baseline (operating on either text or KG data) on a benchmark consisting of eight fine-tuning tasks, the proposed knowledge integration method applied in STonKGs was empirically validated. Specifically, on tasks with a comparatively small dataset size and a larger number of classes, STonKGs resulted in considerable performance gains, beating the F1-score of the best baseline by up to 0.083. Both the source code as well as the code used to implement STonKGs are made publicly available so that the proposed method of this thesis can be extended to many other biomedical applications.
High-dimensional and multi-variate data from dynamical systems such as turbulent flows and wind turbines can be analyzed with deep learning due to its capacity to learn representations in lower-dimensional manifolds. Two challenges of interest arise from data generated from these systems, namely, how to anticipate wind turbine failures and how to better understand air flow through car ventilation systems. There are deep neural network architectures that can project data into a lower-dimensional space with the goal of identifying and understanding patterns that are not distinguishable in the original dimensional space. Learning data representations in lower dimensions via non-linear mappings allows one to perform data compression, data clustering (for anomaly detection), data reconstruction and synthetic data generation.
In this work, we explore the potential that variational autoencoders (VAE) have to learn low-dimensional data representations in order to tackle the problems posed by the two dynamical systems mentioned above. A VAE is a neural network architecture that combines the mechanisms of the standard autoencoder and variational bayes. The goal here is to train a neural network to minimize a loss function defined by a reconstruction term together with a variational term defined as a Kulback-Leibler (KL) divergence.
The report discusses the results obtained for the two different data domains: wind turbine time series and turbulence data from computational fluid dynamics (CFD) simulations.
We report on the reconstruction, clustering and unsupervised anomaly detection of wind turbine multi-variate time series data using a variant of a VAE called Variational Recurrent Autoencoder (VRAE). We trained a VRAE to cluster normal and abnormal wind turbine series (two class problem) as well as normal and multiple abnormal series (multi-class problem). We found that the model is capable of distinguishing between normal and abnormal cases by reducing the dimensionality of the input data and projecting it to two dimensions using techniques such as Principal Component Analysis (PCA) and t-distributed stochastic neighbor embedding (t-SNE). A set of anomaly scoring methods is applied on top of these latent vectors in order to compute unsupervised clustering. We have achieved an accuracy of up to 96% with the KM eans + + algorithm.
We also report the data reconstruction and generation results of two dimensional turbulence slices corresponding to CFD simulation of a HVAC air duct. For this, we have trained a Convolutional Variational Autoencoder (CVAE). We have found that the model is capable of reconstructing laminar flows up to a certain degree of resolution as well generating synthetic turbulence data from the learned latent distribution.
Anhand detaillierter Netzanalysen für ein reales Mittelspannungsnetzgebiet konnte gezeigt werden, dass sowohl die Einbindung von Prognosedaten auf Basis von Satelliten und Wetterdaten, als auch die Verbesserung von Folgetagsprognosen auf der Basis numerischer Wettermodelle einen deutlichen Mehrwert für ein prognosebasiertes Engpassmanagement bzw. Redispatch und Blindleistungsmanagement im Verteilnetz aufweisen. Auch Kurzfristprognosen auf der Basis von Satellitendaten haben einen positiven Effekt. Ein weiterer wichtiger Mehrwert des Projektes ist auch die Rückmeldung der kritischen Prognosesituationen aus Sicht der Anwendungsfälle, so dass wie bereits im Projekt gezeigt und darüber hinaus, Prognosen zielgerichteter auf die Anwendung im Verteilnetzbetrieb ausgelegt und optimiert werden können.
Weiterhin konnten Prognoseverbesserungen für das Vorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes durch die Assimilation von sichtbaren Satellitenbildern erreicht werden. Darüber hinaus wurden Wolken- und Strahlungsprodukte aus Satelliten verbessert und somit die Datenbasis für die Kurzfristprognose als auch für die Assimilation.
Darüber hinaus wurden verschiedene Methoden entwickelt, die zukünftig zu einer weiteren Prognoseverbesserung, insbesondere für Wettersituationen mit hohen Prognosefehlern, führen könnten. Solche Situationen wurden aus Sicht des Netzbetriebs und mithilfe von satellitenbasierten Analysen der Gesamtwetterlage für die Perioden der MetPVNet Messkampagnen identifiziert. Hierbei handelte es sich insbesondere um Situationen mit starker oder stark wechselhafter Bewölkung.
Für die MetPVNet Messkampagnen wurde auf der Basis eines Trainingsdatensatzes und in Abhängigkeit der Variabilitätsklasse die Abweichung der bodennahen Einstrahlung von Satellitendaten oder von Strahlungsprognosen quantifiziert. Diese Art der Informationen bietet zukünftig die Möglichkeit zur Bewertung der Prognosegüte.
Jahresbericht 2020
(2021)
Spätestens seit der Belegausgabepflicht in Deutschland ist der digitale Kassenbon in aller Munde. Neben der Reduzierung umweltschädlichen Thermopapiers ergeben sich mit dieser Technologie auch neue Schnittstellen zwischen Kunde:in und Handel. Diese können für eine stärkere Digitalisierung und ein gesteigertes Kund:innen-Erlebnis genutzt werden.
Vor diesem Hintergrund betrachtet dieses Whitepaper die Perspektiven der verschiedenen Stakeholder, Architekturen sowie mögliche Mehrwertdienste zur Steigerung des Kund:innen-Erlebnis, aber auch zur Optimierung der Handelsprozesse.
Der Globale Migrationspakt der Vereinten Nationen beschreibt globale Kompetenzpartnerschaften bzw. Global Skills Partnerships (GSP) als eine innovative Möglichkeit, die Fachkräftebasis global zu stärken, bleibt hinsichtlich ihrer Ausgestaltung aber recht vage. Auch die hierzulande unter der Bezeichnung „transnationale Ausbildungspartnerschaften“ laufenden Aktivitäten sind in Zahl und Reichweite sehr begrenzt und es liegen bisweilen kaum empirische Analysen zu ihnen vor. Hier schafft die vorliegende Expertise von Michael Sauer und Jurica Volarevic Abhilfe, indem sie existierende Ausbildungspartnerschaften insbesondere aus dem Erfahrungsraum der Republik Kosovo vorstellt und analytisch beleuchtet. Mithilfe einer Bestandsaufnahme der konzeptionellen Diskurse und Praxiserfahrungen wird ein Kategorisierungsvorschlag unternommen, mit dessen Hilfe die empirische Vielfalt besser geordnet und konzeptionell greifbar gemacht werden kann: Transnationale Qualifizierungs- und Mobilitätspartnerschaften (tQMP).