05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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    Deep learning based soft sensors for industrial machinery
    (2020) Maschler, Benjamin; Ganssloser, Sören; Hablizel, Andreas; Weyrich, Michael
    A multitude of high quality, high-resolution data is a cornerstone of the digital services associated with Industry 4.0. However, a great fraction of industrial machinery in use today features only a bare minimum of sensors and retrofitting new ones is expensive if possible at all. Instead, already existing sensors’ data streams could be utilized to virtually ‘measure’ new parameters. In this paper, a deep learning based virtual sensor for estimating a combustion parameter on a large gas engine using only the rotational speed as input is developed and evaluated. The evaluation focusses on the influence of data preprocessing compared to network type and structure regarding the estimation quality.
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    Anwendungsfälle und Methoden der künstlichen Intelligenz in der anwendungsorientierten Forschung im Kontext von Industrie 4.0
    (2020) Maschler, Benjamin; White, Dustin; Weyrich, Michael
    Es wird erwartet, dass datengetriebene Methoden künstlicher Intelligenz im Kontext Industrie 4.0 die Zukunft industrieller Fertigung prägen werden. Obwohl das Thema in der Forschung sehr präsent ist, bleibt der Umfang der tatsächlichen Nutzung dieser Methoden unklar. Dieser Beitrag analysiert daher von 2013 bis 2018 veröffentlichte wissenschaftliche Artikel, um statistische Daten über den Einsatz von Methoden künstlicher Intelligenz in der Industrie zu gewinnen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Trainings- und Evaluations-Datentypen, die Verbreitung in verschiedenen Industriezweigen, die betrachteten Anwendungsfälle sowie die geographische Herkunft dieser Artikel gelegt. Die resultierenden Erkenntnisse werden in praxisnahe Hinweise für Entscheider destilliert.
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    User-friendly, requirement-based assistance for production workforce using an asset administration shell design
    (2020) Al Assadi, Anwar; Fries, Christian; Fechter, Manuel; Maschler, Benjamin; Ewert, Daniel; Schnauffer, Hans-Georg; Zürn, Michael; Reichenbach, Matthias
    Future production methods like cyber physical production systems (CPPS), flexibly linked assembly structures and the matrix production are characterized by highly flexible and reconfigurable cyber physical work cells. This leads to frequent job changes and shifting work environments. The resulting complexity within production increases the risk of process failures and therefore requires longer job qualification times for workers, challenging the overall efficiency of production. During operation, cyber physical work cells generate data, which are specific to the individual process and worker. Based on the asset administration shell for Industry 4.0, this paper develops an administration shell for the production workforce, which contains personal data (e.g. qualification level, language skills, machine access, preferred display and interaction settings). Using worker and process specific data as well as personal data, allows supporting, training and instating workers according to their individual capabilities. This matching of machine requirements and worker skills serves to optimize the allocation of workers to workstations regarding the ergonomic workplace setup and the machine efficiency. This paper concludes with a user-friendly, intuitive design approach for a personalized machine user interface. The presented use-cases are developed and tested at the ARENA2036 (Active Research Environment for the Next Generation of Automobiles) research campus.
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    Un-coordinated multi-user and inter-cell interference alignment based on partial and outdated information for large cellular networks
    (2016) Aziz, Danish; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)
    The cellular networks have gone through rapid evolution during the past decade. However, their performance is still limited due to the problem of interference. Therefore, interference management in current and future cellular networks is still an ongoing research topic. Interference Alignment is one of the techniques to manage the interference efficiently by using "align" and "suppression" strategy. In the first part of this thesis we focus on Coordinated inter cell interference alignment in a large cellular network. We assess the performance of interference alignment based transmit precoding under specific receiver strategies and coordination scenarios by comparing with different state of the art precoding schemes. We continue our assessment by considering imperfect channel state information at the transmitter. The results show that the gains of coordinated alignment based transmission are very sensitive to the receiver strategies and imperfections as compared to the other precoding schemes. However, in case of the availability of good channel conditions with very slow moving users, coordinated interference alignment outperforms the other baselines even with imperfect channel state information. In addition to that, we propose efficient user selection methods to enhance the performance of coordinated alignment. The results of our assessment draws important conclusions about the application of coordinated interference alignment in practical systems. In the second part of the thesis we consider a cellular system where each cell is serving multiple users simultaneously using the same radio resource. In this scenario, we have to manage not only the inter cell interference but also the multi user interference. For this purpose, we propose a novel Uncoordinated transmit precoding scheme for multi user cellular networks which is based on the alignment of multi user interference with partial and outdated inter cell interference. We show analytically that our scheme approaches the performance optimal transmission scheme. With the help of simulations we show that our proposal outperforms the state of the art non-alignment based multi user transmit precoding schemes We further propose user selection methods which exploit the diversity gains and improve the system spectral efficiency. In order to assess the feasibility of our proposal in a real system, we evaluate our scheme with practical constraints like imperfect information at the transmitter and limited feedback in uplink channel. For the proof of concept we also evaluate the performance of our scheme with measured channels using a software defined measurement platform. Finally, we also assess the application of our proposal in future heterogeneous networks. The outcome of our efforts states that as an interference alignment based transmission scheme, our scheme is a good candidate to manage the two dimensional interference in multi user cellular networks. It outperforms the non-alignment baselines in many scenarios even with practical constraints.
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    Optische Messsysteme und Ein-Sensor-Bildgebungsverfahren für Biosensoren
    (2024) Berner, Marcel; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
    Die vorliegende Arbeit präsentiert die Entwicklung mehrerer Messsysteme und -verfahren für optische Biosensoranwendungen. Der erste Teil dieser Arbeit entwirft eine universelle experimentelle Plattform für die Erprobung neuer optischer Biosensorkonzepte nach dem Prinzip der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Die Plattform unterstützt das europäische Forschungsprojekt Nanodem bei der Entwicklung eines portablen Point-of-Care-Testing-Gerätes (PoCT) zur Live-Überwachung von Immunsuppressivakonzentrationen im Blut von Transplantationspatienten unmittelbar am Patientenbett. Das in dieser Arbeit entwickelte Plattformkonzept umfasst die optoelektronische Fluoreszenzanregung und -detektion, optische Filtersysteme, den fluoreszenten Farbstoff, das Materialsystem der Transducerchips, das Mikrofluidiksystem sowie die Automatisierung der Ablaufsteuerung. Der Ausgangspunkt der Entwicklung ist die Herleitung eines allgemeinen physikalischen Modells für LIF-Systeme, an dem sich die Konstruktion der Plattform orientiert. Das in Kooperation mit der Eberhard Karls Universität Tübingen entworfene Transducerchipkonzept auf der Basis lasergeschnittener Klebebänder gestattet eine hohe Flexibilität bezüglich der Geometrie und des Aufbaus der Transducerchips und unterstützt den Technologietransfer akademischer Forschungsergebnisse in die industrielle Fertigung. Die entworfenen Photodetektorarrays aus amorphem Silizium lassen sich dank leicht adaptierbarer Herstellungsprozesse kosteneffizient auf beliebige Biosensorgeometrien anpassen. Die erreichte spezifische Detektivität D* = 11 × 10^12 Jones der Detektoren liegt dabei auf Augenhöhe mit der von State-of-the-Art-Detektoren aus kristallinem Material. Die erzielte Detektionsgrenze von c_{LOD,exp} = 26 nmol/l. Weiter bestätigen die experimentellen Messdaten das aufgestellte physikalische Modell. Der zweite Teil dieser Arbeit zeigt ein neues optisches Verfahren zur ortsaufgelösten Messung, das eine Vielzahl von Bildpunkten simultan mit nur einem einzigen optischen Sensor beobachtet. Das Verfahren nutzt hierzu ortsaufgelöste Lichtmodulatoren (Spatial Light Modulators - SLMs), um eine ortsabhängige optische Modulation zu erzeugen. Die erzeugten optischen Trägersignale gestatten die Zuordnung der als Summensignal empfangenen Signale zu ihren Ursprungspunkten. Der sogenannte Fourier Spotter macht sich dabei die mathematischen Eigenschaften der Fourier-Transformation zunutze. Durch die Anwendung zueinander phasenverschobener Modulationssignale gestattet der Fourier Spotter zudem die unmittelbare Messung von Helligkeitsdifferenzen zwischen unterschiedlichen Beobachtungspunkten. Dieses differentielle optische Messprinzip ist der Kern eines bereits erteilten Patents des Autors mit der Universität Stuttgart. Das neuartige optische Messprinzip eignet sich für die Integration in optische Biosensor-Verfahren, wie etwa die Einwellenlängenreflektometrie (engl. Single Color Reflectometry - SCORE), welche derzeit noch auf teure Spezialkameras angewiesen sind. Herkömmliche Kamerasysteme erzeugen hohe Datenmengen, deren Auswertung erhebliche Rechenleistung in Anspruch nimmt und damit der Weiterentwicklung hin zu miniaturisierten, portablen Biosensorplattformen entgegensteht. Die vorliegende Arbeit präsentiert einen erfolgreichen experimentellen Machbarkeitsnachweis des Fourier Imagers anhand von Helligkeitsdifferenzmessungen an einem SCORE-Aufbau. Eine zukünftige Erweiterung des Fourier Spotters um ein Zeilenspektrometer erlaubt neben der ortsaufgelösten Beobachtung auch eine simultane Erfassung der optischen Spektren jedes einzelnen beobachteten Punktes. Durch diese hyperspektrale Erweiterung wird die erstmalige Umsetzung einer auf der reflektometrischen Interferenzspektroskopie (RIfS) basierenden mehrkanaligen optischen Biosensorplattform möglich. Der dritte Teil dieser Arbeit verallgemeinert das Prinzip des Fourier Spotters und überführt dieses in ein Ein-Pixel-Kamera-Verfahren - das AM-FDM Imaging (engl. Amplitude Modulated Frequency Division Multiplexing). Das AM-FDM Imaging basiert auf der Anwendung von Näherungsverfahren, die ein Übersprechen zwischen den Trägersignalen minimieren. Das aufgestellte systemtheoretische Modell des AM-FDM Imaging umfasst auch das Fourier Spotting und erlaubt den Vergleich mit Rasterscans sowie bereits bekannten Ein-Pixel-Kamera-Verfahren wie dem Hadamard Imaging. Ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch das Rauschen des Detektorsystems begrenzt, so erreicht das AM-FDM Imaging einen sogenannten Multiplexgewinn amult = O(M) in der Größenordnung der Anzahl simultan beobachteter Bildpunkte M. Mit den derzeit eingesetzten Näherungsverfahren erreicht das AM-FDM Imaging hinsichtlich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, der Anzahl simultan beobachtbarer Bildpunkte und der erzielbaren Bildwiederholrate nicht die Leistungsfähigkeit des bei Ein-Pixel-Imaging-Verfahren vorherrschenden Hadamard Imagings. Die in dieser Arbeit diskutierten Verwandtschaftsverhältnisse des AM-FDM Imagings zu anderen bekannten Ein-Pixel-Kamera-Verfahren legen jedoch die Vermutung nahe, dass ein bisher unbekanntes Näherungsverfahren existiert, das das AM-FDM Imaging mit dem Hadamard Imaging gleichstellt. Die Ergebnisse des systemtheoretischen Modells wurden mittels Simulation in Matlab bestätigt und gelten auch für den Fourier Spotter. Damit zeigen die Ergebnisse auf, dass im SCORE-Anwendungsfall eine Modulation nach dem Prinzip des Hadamard Imagings vorteilhafter ist. Das erteilte Patent zum optisch differentiellen Messverfahren schließt auch eine differentielle Variante des Hadamard Imagings mit ein. Gegenüber der Differenzwertbestimmung aus gemessenen Absolutwerten verdoppelt das differentielle Messverfahren wahlweise das Signal-zu-Rauschleistungs-Verhältnis oder die Bildwiederholrate des Hadamard Imagings.