Mit dem FUTURE LAB fit für die Zukunft

Für eine sichere, saubere und effiziente Energieversorgung

Für mehr Sicherheit im Straßenverkehr

Shanghai-Ranking 2019

Wie berechenbar ist Chaos?

Rund 10 Millionen Euro für den DFG-Sonderforschungsbereich „On-The-Fly-Computing“

Förderung der DFG-Forschungsgruppe „Akustische Sensornetze“ unter der Leitung der Universität Paderborn verlängert

Marktplatz für Künstliche Intelligenz

Neues Ultraschall-Messverfahren zur vollständigen Bestimmung der Materialeigenschaften von Polymeren

Flexible Monitoring- und Regelsysteme für die Energieund Mobilitätswende im Verteilnetz durch Einsatz von Künstlicher Intelligenz

CHE Ranking 2019

Wissenschaftler aus Paderborn bei „Clarivate“ unter den weltweit meistzitierten Forschern

Patenteinreichung des FG TET zu Schichtwellenleitern angenommen!

Forscher der UPB und der LMU München starten gemeinsames Projekt zur kooperativen Softwareverifikation

1,9 Millionen Euro vom Bund für Projekt „RAKI“

Dr.-Ing. Moritz Schulze Darup baut Emmy Noether-Nachwuchsgruppe auf

Ergebnisse des U-Multiranks 2019

Wildtierbeobachtung im Sekundentakt

Zwei Projekte von Prof. Dr.-Ing. Dumitrescu vom Bundesforschungsministerium gefördert

Schluss mit Überhitzung: Temperaturvorhersage im Elektromotor

Kommunikationstechnologien auf dem Prüfstand

DFG-Forschungsgruppe „Metrology for THz Communications“

Sicherheitslücke bei WhatsApp

Jugendaktion „Mensch, Maschine!“ erklärt Künstliche Intelligenz

Digitale Zukunft und Arbeit 4.0

Digitaler Denker

Digitaler Marktplatz für KI-Anwendungen

Wissensgraphen für einen breiten Nutzerkreis

Paderborner Wissenschaftler entwickeln mobile virtuelle Lernräume

Internationale Expert*innen diskutierten über Schulbuchforschung im Fach Mathematik

Das Fachgebiet „Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik“ (LEA) an der Universität Paderborn erhält für sein Forschungskonzept „FUTURE LAB: Power Electronics – Integriertes Leistungselektronik-Labor für Wide-Bandgap-Anwendungen der Zukunft mit höchstem Miniaturisierungs- und Wirkungsgrad“ vom Bundesministerium für Bildung Forschung (BMBF) eine Förderung in Höhe von einer Million Euro für die Dauer von drei Jahren. In der Einrichtung forschen Wissenschaftler auf dem Gebiet der Leistungselektronik und entwickeln innovative Technologien, die elektronische Produkte von morgen nachhaltig prägen werden.

Zukunftsfähige Leistungselektronik für Elektromobilität, Datenzentren und regenerative Energiequelle

Die Leistungselektronik nimmt heute eine wichtige Rolle im privaten sowie industriellen Alltag ein. Sie wird immer dann notwendig, wenn elektrische Energie in Bezug auf Spannung, Stromstärke oder Frequenz umgeformt werden muss, z. B. bei Ladegeräten. Das gilt dann nicht nur für kleine Steckernetzteile für Smartphones und Laptops, sondern auch für solche mit bedeutend höherer Leistung zum Laden der Batterien von Elektrofahrzeugen. Auch die Stromversorgung von Daten- und Rechenzentren, die im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung von zentraler Bedeutung sind, und die Einspeisung von regenerativen Energien aus Photovoltaik und Windkraft in das Stromnetz sind ohne leistungselektronische Umformung praktisch nicht möglich.

Anwendungsorientierte Forschung und Wissenstransfer für neuartige Technologie- und Anwendungsfelder

Mit dem „FUTURE LAB“ machen sich die Wissenschaftler nun fit für zukunftsweisende Forschungen auf dem Gebiet der Leistungselektronik: Neuartige Leistungshalbleiter aus Materialien mit großer Bandlücke, sogenannte WBG-Technologien (wide bandgap), sollen konsequent in dadurch ermöglichten, miniaturisierten Leistungsschaltungen und anwendungsnahen Demonstrator-Geräten verwertet werden. „Nach den Dekaden der Silizium-Technologie stellen nun Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid, künftig eventuell sogar Galliumoxid oder Diamant, die wichtigsten Innovationstreiber für leistungselektronische Anwendungen in den kommenden Dekaden dar“, weiß Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Leiter des Fachgebiets. „Aus ihnen ergeben sich bahnbrechende Möglichkeiten für die Elektromobilität, die regenerativen Energien, die effiziente Versorgung von leistungsfähigen Mobilfunknetzen und Hyperscale-Datenzentren sowie technische und wirtschaftliche Vorteile für viele weitere Anwendungen“, ergänzt Dr.-Ing. Frank Schafmeister vom LEA. Um das Potential dieser Technologie zukünftig voll ausschöpfen zu können, sei eine ganzheitliche Betrachtung des Entwicklungsprozesses von prototypischen Geräten erforderlich, betont Dr.-Ing. Oliver Wallscheid, ebenfalls leitender Wissenschaftler im Fachgebiet. Das Paderborner „FUTURE LAB“ beschäftigt sich mit diesen Herausforderungen und greift dabei auf neueste wegweisende Ausrüstung zurück. Im Zentrum stehen künftig anwendungsorientierte Forschung sowie der Wissenstransfer in die industrielle Praxis. Als Innovationskatalysator soll es Unternehmen dabei helfen, neuartige Technologie- und Anwendungsfelder zu bewerten, sich an ihrer Entwicklung zu beteiligen und neue Märkte zu erschließen.

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Im Rahmen des Wettbewerbs „Forschungsinfrastrukturen“ hat das Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes NRW die Förderung des Projekts „Microgrid-Labor: Energieinfrastruktur der Zukunft“ (μG-Lab) an der Universität Paderborn beschlossen. Die Gesamtkosten belaufen sich auf 3,74 Millionen Euro, davon werden 3,37 Millionen Euro vom Land NRW und der Europäischen Union über EFRE-Mittel bereitgestellt. Verantwortlich für die Umsetzung des Labors ist das „Kompetenzzentrum für nachhaltige Energietechnik“ (KET) der Universität mit dem von Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker geleiteten Fachgebiet „Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik“. Am 28. März 2019 hat Regierungspräsidentin Marianne Thomann-Stahl den Zuwendungsbescheid übergeben.

Vor Ort erzeugte Energie wird lokal genutzt

„Regenerative Energieerzeugung stellt die bisherige Infrastruktur auf den Kopf. Sie speist sich aus einer Vielzahl kleiner Quellen und liefert Strom ganz unabhängig vom Bedarf. Mit dem Microgrid-Labor entsteht an der Universität Paderborn die Keimzelle, aus der die Lösungen hierfür hervorgehen können. Das zeigt erneut, dass Ostwestfalen-Lippe in Forschung und Wirtschaft viele führende Köpfe beheimatet, die Antworten auf zentrale Energie- und Umweltfragen entwickeln“, so die Regierungspräsidentin. „Erneuerbare Energien spielen eine bedeutende Rolle bei der zukunftsfähigen Gestaltung unserer Gesellschaft. Mit dem Microgrid-Labor können wir jetzt einen großen Schritt gehen, dies noch stärker an der Universität zu verankern“, sagt auch Simone Probst, Vizepräsidentin für Wirtschafts- und Personalverwaltung der Universität Paderborn. „Mit dem μG-Lab wird das KET befähigt, intelligente Energiesysteme der Zukunft zu entwickeln und ganzheitlich zu validieren, bevor diese in den Feldeinsatz kommen“, so Joachim Böcker. Vernetzte, geografisch verteilte Strukturen mit höchsten Sicherheits- und Zuverlässigkeitsstandards zeichnen das heutige Energiesystem in Deutschland aus. „Anders als hierarchische klassische Energienetze müssen regenerative Energien wenn möglich dezentral strukturiert werden“, sagt Böcker. Mit sogenannten „Microgrids“ soll dieser Wandel eingeleitet werden. Hierbei handelt es sich um ein dezentrales Konzept, das für flexible, sektorübergreifende und intelligente Energiesysteme steht. Microgrids sind lokale Netze, die aus Energiequellen, -speichern und -verbrauchern verschiedener Sektoren bestehen. Ihre Vorteile: Der Energieverbrauchsanteil von regenerativ bereitgestellter Energie kann erhöht und die am Netzanschlusspunkt benötigte Spitzenleistung reduziert werden. Transporte über lange Distanzen, die sonst mit Verlusten verbunden sind, werden reduziert, sodass die Effizienz der Energieversorgung gesteigert wird. Außerdem werden Verteil- und Übertragungsnetze aufgrund der lokalen Struktur entlastet, womit der Bedarf am Ausbau von kosten- sowie ressourcenintensiven Netzen sinkt. Mögliche Einsatzgebiete von Microgrids wären etwa Industrieunternehmen oder auch Wohnsiedlungen.

Forschen, entwickeln, übertragen und profitieren

Mit dem μG-Lab wird in Paderborn eine Infrastruktur geschaffen, die als Plattform für Forschungs- und Entwicklungsprojekte mit Unternehmen des NRW-Leitmarktes „Energie- und Umweltwirtschaft“ genutzt werden soll. Als zentrales Kompetenz- und Entwicklungszentrum in NRW bietet es den Vorteil, dass es die Qualität von Forschung und Entwicklung in zahlreichen Unternehmen heben kann, ohne dass diese hierfür eigene kostenintensive Labore errichten müssen. Bis es dazu kommt, sind aber noch einige Voraussetzungen zu erfüllen. Dazu gehört die Entwicklung von Hochleistungs-Netzknoten, die mit entsprechender Software einen sogenannten Microgrid-Emulator bilden und das Verhalten z. B. von Batterien, Windkraftanlagen oder Blockheizkraftwerken im Labor exakt nachbilden können. Auf diese Weise wird das KET in die Lage versetzt, im Labor neue Microgrid-Konzepte durch umfangreiche realistische Untersuchungen zu validieren, bevor diese in die industrielle Praxis transferiert werden. Genau das steckt laut Böcker als großes Ziel hinter dem Paderborner μG-Lab: „Wir möchten die Forschung und Entwicklung intensivieren und den Wissenstransfer stärken, damit NRW auf einem umkämpften Weltmarkt letztlich von dem Wertschöpfungspotential dieses Technologiefeldes profitieren kann“.

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„Tödlicher Unfall: LKW erfasst Mädchen auf Fahrrad“, „Vorfahrt missachtet: Auto und Radfahrer kollidieren“ – Meldungen wie diese hören wir immer wieder. Laut Statistischem Bundesamt sind die Zahlen der Fahrradfahrer, die jährlich in Deutschland bei einem Verkehrsunfall verletzt oder getötet werden, seit Jahren konstant. 2018 starben 432 Radfahrer. 2017 waren es 382 und mehr als 79.000 wurden verletzt. Prof. Dr.-Ing. Falko Dressler, Jun.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Sommer und ihr Team von der Fachgruppe „Verteilte Eingebettete Systeme“ des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn wollen dem entgegenwirken. Im Forschungsprojekt „Safety4Bikes“ entwickeln sie mit sieben Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft Assistenzsysteme, die das Fahrradfahren künftig sicherer machen sollen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung förderte das bis Dezember 2019 laufende dreijährige Vorhaben mit insgesamt 2,1 Millionen Euro.

„Mit unseren Partnern entwickeln wir ein Set von modularen Assistenzsystemen für Radfahrer. Diese Systeme werden am Ende zusammenarbeiten, um für mehr Sicherheit im Straßenverkehr zu sorgen“, erklärt Falko Dressler. Die Assistenzsysteme sollen auf Grundlage der jeweiligen Verkehrssituation drohende Gefahren erkennen, Rad- und Autofahrer warnen und sie auf das richtige Verhalten hinweisen. Bei „Safety4Bikes“ arbeiten Informatiker, Ingenieure, Soziologen, Hersteller von Fahrrädern und Fahrradhelmen, Verkehrspsychologen und Sensortechnologen zusammen.

Hauptzielgruppe sind fahrradfahrende Kinder und Senioren

„Im Projekt konzentrieren wir uns auf fahrradfahrende Kinder und Senioren – zwei Gruppen, die im Straßenverkehr besonders verwundbar sind“, erläutert Christoph Sommer. Der Informatiker verweist darauf, dass in den letzten Jahren vor allem Unfälle mit den bei älteren Menschen besonders beliebten Pedelecs, Fahrrädern mit Hilfsmotor, rapide zugenommen haben.

Bei „Safety4Bikes“ werden unterschiedliche Soft- und Hardwaresysteme konstruiert und direkt für das Fahrrad und den Helm entworfen, damit die Radfahrer nicht vom Verkehr abgelenkt werden. Die Paderborner Wissenschaftler entwickeln eine Kommunikationseinrichtung, über die Fahrräder mit Autos und LKW oder anderen Fahrrädern interagieren können. „Damit kann ein Fahrrad beispielsweise bei einer potentiellen oder akuten Gefahrensituation ein Auto warnen“, erklärt Dressler. Voraussetzung ist, dass das Auto ebenfalls über entsprechende Technik verfügt. „Das ist in Deutschland derzeit noch nicht der Fall, aber Autos künftiger Generationen werden passend ausgerüstet sein“, betont Christoph Sommer.

Radfahrer werden durch verschiedenen Signale gewarnt

Vernetzte Sensoren, die ebenfalls im Projekt entwickelt werden und an Fahrrad und Helm angebracht sind, beobachten das Verhalten der Radfahrer und ihre Umgebung. Bei drohenden Gefahren werden nicht nur die Autofahrer, sondern insbesondere die Radfahrer durch Signale gewarnt. „Das können etwa ein Vibrieren am Lenker, ein Ton vom Smartphone oder ein Lichtsignal am Helm sein“, erläutert Dressler. „Welche Warnhinweise für welche Gruppe am geeignetsten sind, wird im Projekt mit Testpersonen erforscht. Kinder können auf ein Signal ganz anders reagieren als Senioren“, gibt der Wissenschaftler zu bedenken. Typische Gefahren- und Unfallsituationen werden bei „Safety4Bikes“ entsprechend der aktuellen Unfallstatistiken simuliert.

Kommunikation über WLAN

Die Fahrräder sollen mit Autos und LKW über ein drahtloses Netzwerk kommunizieren – in diesem Fall WLAN. Dazu Sommer: „WLAN ist unabhängig von der Infrastruktur und für Autos gibt es bereits WLAN-basierte Technologien. Darum bietet es sich an.“ „Schon bei der Car-to-Car-Kommunikation, also der Kommunikation zwischen zwei Autos, ist WLAN eine der Basistechnologien“, ergänzt Dressler. „Bei Safety4Bikes entwickeln wir keine Insellösung. Die Technik unserer Assistenzsysteme baut auf internationalen WLAN-Standards auf. In Deutschland und Europa sind bereits entsprechende Funkfrequenzen für intelligentes Fahren reserviert. Wir machen die Technik jetzt endlich auch für Radfahrer nutzbar“, unterstreicht Sommer.

Eines Tages könnten die Fahrrad-Assistenzsysteme von Dressler, Sommer und ihren Kollegen also einen zentralen Baustein in einem intelligenten, sozio-technischen Verkehrssystem bilden – einem Verkehrssystem, in dem Fahrradfahrer gestärkt werden und sicherer unterwegs sind.

Weitere Informationen zum Projekt

Neben der Universität Paderborn sind am Projekt die Carl von Ossietzky Universität Oldenburg mit ihrem An-Institut OFFIS, das Institut für empirische soziologische Forschung e.V. der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg, die PFAU Tec GmbH, die UVEX SPORTS GROUP GmbH & Co. KG, die Valtech GmbH und die GeoMobile GmbH beteiligt. Zur Projektwebseite: www.safety4bikes.de

Weitere Projekte von Falko Dressler und Christoph Sommer: www.ccs-labs.org/projects

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Beim internationalen „Academic Ranking of World Universities“ (ARWU), auch bekannt als Shanghai-Ranking, ist die Universität Paderborn im Bereich Mathematik erneut unter das 100 besten Hochschulen weltweit platziert worden. Das ARWU gilt als eines der renommiertesten Forschungsrankings. Jährlich werden dabei mehr als 1200 Universitäten und deren Fachbereiche miteinander verglichen und ergeben am Ende eine Top500-Liste. Damit steht die Paderborner Mathematik in Deutschland auf Platz 5 des Rankings.

„Die Platzierung bestätigt diejenige des Vorjahres und zeigt die Stärke der Paderborner Mathematik.“, unterstreicht Prof. Dr.-Ing. Reinhard Keil, Dekan der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik.

Unter den Kriterien, die beim ARWU für die Entscheidungsfindung herangezogen werden, befinden sich etwa die Anzahl von Alumni und Mitarbeitern, die von anderen Wissenschaftler*innen viel zitiert werden, oder die Anzahl an Artikeln, die in Wissenschaftszeitschriften veröffentlicht wurden.

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Das Bild ist bekannt: Wird Tinte in ein Wasserglas getropft, entsteht ein kompliziertes und in sich verworrenes Schlierenmuster. Mit der Zeit verteilt sich die Farbe und das anfängliche Durcheinander gerät ins Gleichgewicht – eine Eigenschaft, die sogenannte chaotische Systeme aufweisen. Mit diesen (Un)Ordnungen beschäftigt sich die mathematische Chaosforschung, die jetzt im Fokus junger Wissenschaftler der Universität Paderborn steht. Im Oktober 2019 nahm dort eine Emmy Noether-Gruppe ihre Arbeit auf, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit rund 1,2 Millionen Euro gefördert wird.

Unter der Leitung von Jun.-Prof. Dr. Tobias Weich von der Arbeitsgruppe Spektralanalysis werden die chaotischen Systeme mathematisch studiert. Dazu erklärt Weich: „Wir untersuchen sehr abstrakte dynamische Modelle, die in der reinen Mathematik an vielen zentralen Stellen auftauchen. So ist zum Beispiel die gleichförmige Bewegung von Teilchen in einem gekrümmten Raum unter bestimmten Bedingungen chaotisch. Eine aktuelle Fragestellung, mit der sich die Nachwuchsgruppe dann u. a. beschäftigen wird, ist, inwiefern das Streben in Richtung Gleichgewicht mit geometrischen Eigenschaften des gekrümmten Raumes zusammenhängt.“

Zwei Nachwuchsgruppen pro Jahr

Weich: „Pro Jahr richtet die DFG bundesweit für gewöhnlich im Schnitt nur zwei Emmy Noether-Gruppen im Bereich der Mathematik ein“. Das Programm ermöglicht es besonders qualifizierten Nachwuchswissenschaftlern, sich durch die Leitung einer Nachwuchsgruppe über einen Zeitraum von sechs Jahren für eine Hochschulprofessur zu qualifizieren. Weich weiß dabei insbesondere den Stellenwert internationaler Zusammenarbeit zu schätzen: „Die Förderung intensiviert die starke Vernetzung mit Kooperationspartnern in den USA, Frankreich und Japan“. Den Doktoranden biete sich dadurch die seltene Gelegenheit, einen Teil ihrer Promotionszeit in Berkeley, am MIT oder der Université-Paris-Sud zu verbringen, fügt der Paderborner Mathematiker hinzu.

Laut Weich liefere das Institut für Mathematik ein exzellentes Umfeld für die Forschungsvorhaben: „Auf dem Gebiet der Harmonischen Analysis auf Lie-Gruppen, das für unsere Arbeit essentiell ist, besitzt Paderborn ein internationales Renommee.“ Auch das ausgezeichnete Ausbildungsniveau der Studierenden sei ein ausschlaggebender Faktor bei der Standortwahl gewesen, so Weich weiter. „Durch die Einführung thematischer Masterschwerpunkte erhalten die Studierenden eine fokussierte Mathematikausbildung, durch die sie direkt in aktuelle Forschungsfragen einsteigen können“.

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Der Sonderforschungsbereich (SFB) „On-The-Fly-Computing“, bei dem Informatiker*innen sowie Wirtschaftswissenschaftler*innen der Universität Paderborn gemeinsam an der Entwicklung von Techniken und Verfahren zur automatischen Konfiguration und Ausführung von individualisierten IT-Diensten arbeiten, ging in die nächste Verlängerung. Am 23. Mai 2019 hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die Verlängerung der Laufzeit des Projekts bis Mitte 2023 bekannt gegeben. Das Fördervolumen für die anstehende dritte Phase liegt bei rund 10 Millionen Euro.

„Wir freuen uns sehr, dass die Forschungsstärke der Universität durch ein weiteres international sichtbares Großprojekt unterstrichen wird“, so Uni-Präsidentin Prof. Dr. Birgitt Riegraf. Die Orientierung auf interdisziplinäre, neue Schwerpunkte, wie hier die vorbildhafte Kooperation zwischen Informatik, Kulturwissenschaften und Wirtschaftswissenschaften, bringe die Universität weiter voran. Zudem leiste das Projekt wertvolle Grundlagenforschung für andere anwendungsorientierte Großprojekte.

Mit ihrer Forschung schaffen die Wissenschaftler*innen des SFB On-The-Fly-Computing die Grundlagen dafür, künftig ad hoc auf spezielle Bedürfnisse von IT-Nutzern zu reagieren und ihnen auf Märkten frei gehandelte flexibel kombinierbare Dienste anbieten zu können. Ziel ist ein transparentes Zusammenspiel von Hard- und Software unterschiedlicher Anbieter mit einem Minimum an menschlicher Interaktion. An dem Forschungsvorhaben beteiligt sind zahlreiche Lehrstühle aus dem Institut für Informatik und dem Heinz Nixdorf Institut sowie der Fakultät für Wirtschaftswissenschaften der Universität Paderborn.

Mit ihrer Arbeit in den vergangenen Jahren konnten die Paderborner Wissenschaftler*innen bereits nachweisen, dass die Idee des On-The-Fly Computing durchführbar ist. Diverse Publikationen zu speziellen Einzelfragestellungen und prototypische Entwicklungen von Tools und Demonstratoren zum On-The-Fly Computing überzeugten die DFG-Gutachter vom erarbeiteten Stand des Sonderforschungsbereichs.

Prof. Dr. Friedhelm Meyer auf der Heide, Sprecher des Sonderforschungsbereichs: „Mit der Verlängerung der Förderung durch die DFG können wir die nächsten Schritte zur Realisierung unserer Vision gehen. Eine zentrale Aufgabe wird dabei die Untersuchung eines geeigneten Automatisierungsgrads des On-The-Fly Computing sowie eines angemessenen Tradeoffs zwischen der Allgemeinheit der erfassten Anwendungsdomänen und der Qualität der konfigurierten IT-Dienstleistungen sein. Zudem wollen wir die Verstetigung des On-The-Fly Computing Paradigmas über den SFB hinaus dadurch erreichen, dass wir durch gezielte Veranstaltungen mit Industriepartnern sowie mittels Transfer- und ähnlichen Kooperationsprojekten die im SFB gewonnene Expertise weitergeben“.

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Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) setzt ihre Förderung der Forschungsgruppe „Akustische Sensornetze“, die von Prof. Dr.-Ing. Reinhold Häb-Umbach an der Universität Paderborn geleitet wird, mit rund 1,5 Mio. Euro um drei Jahre fort. In der Forschungsgruppe arbeiten Wissenschaftler der Universitäten Paderborn, Bochum und Erlangen-Nürnberg seit 2016 an akustischer Signalverarbeitung der nächsten Generation, die u. a. in der Überwachung von Gebäuden oder Artenschutzgebieten und sogenannten „intelligenten Räumen“ (Smart Rooms) zum Einsatz kommen soll. Damit relevante Schallquellen in einer Umgebung möglichst vollständig erfasst werden können, ist es notwendig, eine Infrastruktur aufzubauen, die auf akustischen Sensornetzen basiert. Dabei besteht ein solches Sensornetz aus Geräten, die mit Mikrofonen ausgestattet und über Funk oder Kabel miteinander vernetzt sind. Gegenüber einem Einzelmikrofon bieten die in einer Umgebung verteilten Geräte den großen Vorteil, dass sich stets ein Sensor in der Nähe einer relevanten Schallquelle befindet. „Auf diese Weise kann ein akustisches Signal, sei es Sprache oder andere Geräusche, mit höherer Qualität aufgezeichnet werden. Die Herausforderung bei solchen Systemen besteht darin, die Mikrofone zu synchronisieren und herauszufiltern, welche Signale relevant sind“, erklärt Häb-Umbach, Leiter des Fachgebiets Nachrichtentechnik. Innerhalb der Forschungsgruppe widmen sich die Wissenschaftler u. a. Untersuchungen zum Zusammenspiel der Datenkommunikation und der akustischen Signalverarbeitung, damit relevante Signale mit möglichst geringer Verzögerung und möglichst geringem Energiebedarf verbessert, klassifiziert und übertragen werden. Ebenso liegt ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten in der zweiten nun bewilligten Projektphase auf Verfahren zum Schutz der Privatsphäre. „Durch Methoden der Informationsreduktion werden die von den Mikrofonen aufgenommenen Signale so komprimiert, dass nur erlaubte Auswertungen, wie z.B. die Klassifikation von Geräuschen, möglich sind, während andere, wie z.B. die Sprechererkennung oder gar die Spracherkennung, von vorneherein ausgeschlossen werden. Auf diese Weise erreichen wir ein „Privacy by Design“, so Prof. Dr. Häb-Umbach.

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Ab Anfang 2020 entwickeln das Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn, das Fraunhofer IEM, die Unity, it’s OWL und Diebold Nixdorf eine digitale Plattform für Künstliche Intelligenz in der Produktentstehung. 20 Forschungseinrichtungen und Unternehmen arbeiten bei dem Forschungsprojekt „KI-Marktplatz“ zusammen, das vom BMWi mit 11,5 Mio. Euro gefördert wird. Die Paderborner Partner erhalten 4,5 Mio. Euro Förderung, davon gehen alleine 2,5 Mio. Euro an die Universität Paderborn.

Der KI-Marktplatz bündelt Kompetenzen von 20 Forschungseinrichtungen und Unternehmen, sowohl aus dem Spitzencluster it’s OWL als auch bundesweit. Bis 2023 entsteht eine digitale Plattform für Künstliche Intelligenz in der Produktentstehung, auf der sich Anbieter*innen, Nutzer*innen und Expert*innen vernetzen und Lösungen entwickeln können. Mit diesem Konzept hat sich der KI-Marktplatz im Wettbewerb „Künstliche Intelligenz als Treiber für volkswirtschaftlich relevante Ökosysteme“ des Bundeswirtschaftsministeriums (BMWi) durchgesetzt. „Mit unserem KI-Innovationswettbewerb haben wir offenbar einen Nerv in der Wirtschaft und der Wissenschaft getroffen. Die enorme Resonanz zeigt: Wir haben in Deutschland das Potenzial und den Willen, KI schnell und breit in die Anwendung zu bringen. Das gilt es nun, in die Tat umzusetzen. Unser Ziel ist es, große, durchsetzungsstarke Leuchtturmprojekte in zentralen Bereichen unserer Volkswirtschaft zu realisieren. So tragen wir dazu bei, KI rasch aus den Forschungslaboren auf die Straße zu bekommen“, so Bundesminister Peter Altmaier, der am 19. September 2019 die 10 Gewinner des Wettbewerbs verkündete, an dem sich 130 Konsortien beteiligt hatten.

Das Konzept wurde unter der Federführung des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn und des Fraunhofer-Instituts für Entwurfstechnik Mechatronik IEM entwickelt. Prof. Dr. Roman Dumitrescu (Vorstand Heinz Nixdorf Institut, Direktor Fraunhofer IEM und Geschäftsführer it´s OWL) erläutert: „Die Auszeichnung ist ein großartiger Erfolg und zeigt, dass die Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus dem Spitzencluster it´s OWL wichtige Treiber für Künstliche Intelligenz im Mittelstand sind. Mit dem KI-Marktplatz werden wir ein bundesweit einzigartiges Angebot schaffen, mit dem gerade kleine und mittlere Unternehmen die Potenziale von Künstlicher Intelligenz in der Produktentstehung erschließen können. Besonders freue ich mich, dass wir starke Paderborner Partner aus Forschung und Industrie an Bord haben.“ Ähnlich sieht das auch Prof. Dr. Birgitt Riegraf, Präsidentin der Universität Paderborn: „Die Förderung bekräftigt uns in unserer Forschungsstrategie und ist ein großartiger Erfolg für die gesamte Region, deren ökonomisches Wachstum durch die vorbildhafte und weithin sichtbare Kombination von Spitzenforschung und Wirtschaft geprägt ist.“

Transfer zwischen Forschung und Industrie

Künstliche Intelligenz bietet enormes Potenzial für die Produktentstehung. Unternehmen könnten mithilfe von KI-Technologien beispielsweise vor Einführung eines Produktes ermitteln, ob ihre Kund*innen es kaufen würden. Oder aus Produktdaten wertvolle Informationen für die Entwicklung der nächsten Produktreihe ziehen. „Gerade am Forschungsstandort Paderborn haben wir bereits eine Vielzahl von Anwendungen und Forschungsergebnissen im Bereich Künstliche Intelligenz vorzuweisen. Jetzt gilt es, unsere Forschung in die Unternehmenspraxis zu überführen. Der KI-Marktplatz ist Grundlage dafür, dass Unternehmen Zugang zu KI-Technologien und Ansprechpartnern finden und in die eigene Umsetzung gehen. Gleichzeitig wird auch die Wissenschaft enorm profitieren und wertvolle neue Forschungsansätze identifizieren“, sagt Prof. Dr. Eyke Hüllermeier (Professor für Intelligente Systeme und Maschinelles Lernen am Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn)

Partnervermittlung, Datenraum und Baukasten für KI-Lösung

Im Projekt KI-Marktplatz, das Anfang 2020 starten wird und auf drei Jahre ausgelegt ist, entsteht eine digitale Plattform, die KI-Expert*innen, Lösungsanbieter*innen und produzierende Unternehmen zusammenbringt. Diese digitale Plattform wird sukzessive um Funktionalitäten erweitert, die eine gemeinsame Entwicklung von KI-Lösungen für die Produktentstehung sowie eine Bereitstellung dieser Lösungen ermöglichen. Angefangen bei bei einer intelligenten Partnervermittlung für Anwendungsfälle von KI in der Produktentstehung, über einen Datenraum für die Produktentstehung bis hin zu einem Baukasten für die KI-Entwicklung stellt der KI-Marktplatz den Akteuren auf der Plattform Werkzeuge zur Entwicklung innovativer KI-Lösungen bereit. Dabei setzt der KI-Marktplatz auf ein vertrauensbasiertes Konzept mit einer entsprechenden IT-Architektur, die Datensouveränität und faire Transaktionsmechanismen ermöglicht. Darüber hinaus werden heute bereits verfügbare KI-Anwendungen über den Marktplatz bereitgestellt. Das rund 200 Partner umfassende Technologie-Netzwerk it’s OWL wird dabei die Keimzelle für den nationalen KI-Marktplatz sein.

Forschungspartner sind das Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn, die Fraunhofer-Institute IEM, IOSB-INA und IPK, der Exzellenzcluster Cognitive Interaction Technology CITEC der Universität Bielefeld sowie das Institut für industrielle Informationstechnik inIT der TH OWL. Weitere Projektpartner sind u. a. die International Data Spaces Association, prostep ivip, die FIWARE Foundation sowie die Unternehmen Claas, Diebold Nixdorf, Düspohl, Hella Gutmann, Contact Software, Unity und Westaflex.

Website des KI-Marktplatzes: www.ki-marktplatz.com Info-Video: www.youtube.com/watch?v=nnCqK5_glVE

Lesen Sie hier die Pressemitteilung von it's OWL:
www.its-owl.de/newsroom/news/news/news/kiplattform-fuer-die-produkte-von-morgen/

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Sie begegnen uns an vielen Orten, ohne dass wir sie wahrnehmen: Polymere, chemische Verbindungen aus Kettenmolekülen oder verzweigten Molekülen. Industriell hergestellte Polymere sind der Hauptbestandteil von Faserverbundwerkstoffen und Metall-Kunststoff-Verbundbauteilen. Somit sind sie elementar für den Hybrid-Leichtbau. Daneben werden polymere Werkstoffe zunehmend in ultraschallbasierten Messsystemen eingesetzt. Diese Systeme werden etwa in der Autoindustrie als Einparkhilfe genutzt. Doch obwohl Polymere für technische Anwendungen wichtig sind, lassen sich ihre mechanischen und akustischen Materialeigenschaften mit bisherigen Messverfahren nicht hinreichend genau bestimmen. Ein neues, auf drei Jahre angelegtes Forschungsprojekt von Universität Paderborn und Universität Duisburg-Essen will das ändern. Das Projekt „Vollständige Bestimmung der akustischen Materialparameter von Polymeren (VaMP)“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit rund 400.000 Euro gefördert.

„Die heute eingesetzten polymeren Werkstoffe sind sehr vielfältig und haben unterschiedliche mechanische und akustische Materialeigenschaften“, erklärt Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Bernd Henning vom Fachgebiet Elektrische Messtechnik der Universität Paderborn. So lassen sich weiche, schallabsorbierende polymere Werkstoffe, aber auch feste, schallleitende und zugleich leichte Werkstoffe herstellen. Daneben hängen die Materialeigenschaften der Polymere von äußeren Bedingungen wie Temperatur und Feuchte sowie von der konkreten Belastung eines Bauteils ab und können sich im Laufe der Zeit deutlich verändern. „Um künftig geeignete Materialmodelle für technische Anwendungen entwickeln und eigenschaftsverändernde Prozesse im Polymerwerkstoff besser verstehen zu können, müssen wir daher alle relevanten mechanischen und akustischen Materialeigenschaften von Polymeren vollständig experimentell bestimmen“, betont Dmitrij Dreiling, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projekt. Bisherige Messverfahren können das nicht leisten. Dazu Henning: „Aktuelle Messverfahren zur Bestimmung der mechanischen Materialeigenschaften von Polymeren basieren auf statischen Annahmen und sind zerstörende Prüfverfahren, bei denen die polymere Werkstoffprobe irreparabel verändert wird. Um eine repräsentative Aussage zu erhalten, müssen viele Werkstoffproben zerstörend analysiert werden. Hinzu kommt: Die unter statischen Annahmen bestimmten Materialeigenschaften der Polymere gelten nicht mehr im hochfrequenten Ultraschallbereich.“

Im Forschungsprojekt wollen die Wissenschaftler in Paderborn und an der Universität Duisburg-Essen daher neuartige Ultraschall-Messverfahren entwickeln. Mit deren Hilfe soll es künftig möglich sein, die mechanischen und akustischen Materialeigenschaften von Polymeren zerstörungsfrei und über einen sehr weiten Frequenzbereich genau zu bestimmen. „Die Paderborner Gruppe übernimmt die Entwicklung des Messverfahrens und realisiert die Ultraschall-Messeinrichtung. Parallel entwickeln die Kollegen an der Universität Duisburg-Essen eine neue Simulationssoftware. Die Materialparameterbestimmung gelingt durch einen perfekten Abgleich der Mess- und Simulationsergebnisse“, beschreibt Henning das Vorgehen.

Dreiling ergänzt: „Wir möchten die genauen Zusammenhänge zwischen den statischen mechanischen und den hochfrequenten akustischen Materialeigenschaften von Polymeren charakterisieren. Nur so können wir die bisherigen zerstörenden Prüfverfahren ersetzen.“ Erste Projektergebnisse werden Anfang 2020 erwartet.

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Kick-Off des Projekts Fleming

Mit einer Kick-Off Veranstaltung am ABB Forschungszentrum Deutschland in Ladenburg ist das Forschungsprojekt „FLEMING – Flexible Monitoring- und Regelsysteme für die Energie- und Mobilitätswende im Verteilnetz durch Einsatz von Künstlicher Intelligenz“ gestartet. In einem ersten Schritt verschafften sich die Forschungs- und Wirtschaftspartner unter der Projektleitung von ABB einen umfassenden Überblick über die anstehenden Arbeiten und Ziele des Projekts. Neben dem ABB Forschungszentrum Deutschland beteiligen sich das Forschungsinstitut für Rationalisierung e.V. (FIR), die Heimann Sensor GmbH, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der SICP – Software Innovation Campus Paderborn an der Universität Paderborn sowie die SÜC Energie und H2O GmbH aus Coburg am Projekt. Für FLEMING ist eine Laufzeit von drei Jahren vorgesehen. Die Gesamtkosten belaufen sich auf 5,1 Millionen Euro, das Fördervolumen liegt bei ca. 3,3 Millionen Euro

Gleichbleibende Versorgungsqualität

GLEICHBLEIBENDE VERSORGUNGSQUALITÄT „Das deutsche Verteilnetz ist derzeit mit verschiedenen Herausforderungen konfrontiert. Auf der Erzeugungsseite steigt der Anteil von dezentral in das Verteilnetz eingespeister Energie aus erneuerbaren Quellen mit volatiler Erzeugungscharakteristik, z.B. Solaranlagen und Windkraftanlagen. Auf der Verbrauchsseite führt die zunehmende Integration von Ladesäulen für die Elektromobilität zu einer zeitlich und räumlich konzentrierten Energienachfrage.

Die daraus resultierenden möglichen Lastschwankungen führen zu einer stärkeren Belastung der elektrischen Betriebsmittel und Komponenten,“ erläutert Projektleiter Dr. Oliver Becker, Senior R&D Project Manager am ABB Forschungszentrum Deutschland. Um die Ziele der Energie- und Mobilitätswende bei gleichbleibender Versorgungsqualität zu erreichen, benötigen die Netzbetreiber ein verbessertes Verständnis des aktuellen Netzzustandes und seiner Komponenten. Genau hier setzt das Forschungsprojekt an. Anlagenausfälle oder potentielle Schäden können somit frühzeitig erkannt bzw. vorhergesagt oder durch verbesserte Regelung vermieden werden. Dazu werden im Rahmen eines intelligenten Lastmanagements zuverlässige und leicht nachrüstbare Sensoren zur Regelung benötigt, wodurch eine flexiblere Netznutzung ermöglicht werden soll.

Bei erneuerbaren Energien auf Künstliche Intelligenz setzen

Das beschriebene Szenario verlangt nach einem durchgängigen Einsatz von Sensorik, Informations- und Kommunikationssystemen zur Erfassung der nötigen Daten der einzelnen Netzbetriebsmittel und -komponenten. Daher untersuchen die Projektpartner im Projekt FLEMING, wie der heutige Sensoreinsatz in Verteilnetzen durch Verwendung von Methoden der Künstlichen Intelligenz zusammen mit einer Erweiterung der Sensortechnik grundlegend verbessert werden kann. Ziel ist es, so wesentlich zum Erfolg der Energie- und Mobilitätswende in Deutschland beizutragen.

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Anfang Mai 2019 sind die Ergebnisse des neuen Rankings vom Centrum für Hochschulentwicklung (CHE) erschienen. Hier wurden u.a. die Resultate des Fachs Elektro- und Informationstechnik aktualisiert. Gute Punktzahlen bekam hier vor allem der Masterstudiengang Elektrotechnik: Zur Spitzengruppe zählte der Studiengang in der Kategorie „Internationale Ausrichtung“ (mit 6/9 Punkten), was u.a. aus einem Anteil von 90% fremdsprachiger Lehrveranstaltungen resultiert. Gelobt wurde auch der hohe Übungsanteil des Fachs: Die Anzahl der Übungsstunden ist mindestens so hoch wie die Anzahl der Vorlesungsstunden. Auch der große Wahlpflichtanteil im Master mit der Möglichkeit, eine Vertiefung in insgesamt sechs Studienmodellen (Energie und Umwelt, Kognitive Systeme, Kommunikationstechnik, Mikroelektronik, Optoelektronik, Prozessdynamik; Studienmodell Optoelektronik mit Anbindung an die Physik im Rahmen des Center for Advanced Optoelectronics and Photonics (CeOPP)) zu wählen, ist lobenswert. Das Lernen in Kleingruppen hat sich auch als sehr effektiv erwiesen.

Die Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik landete außerdem in der Kategorie „Unterstützung am Studienanfang“ in der Spitzengruppe (9/14 Punkten). Ergebnisse zum CHE Ranking für die Masterstudiengänge Informatik und Mathematik wurden Ende 2018 veröffentlicht. Eine Zusammenfassung der Resultate gibt es hier:
www.eim.uni-paderborn.de/eim-news-single/news/gute-ergebnisse-im-che-ranking-fuer-masterstudiengaenge-informatik-und-mathematik/

Umfassende Ergebnisse des aktuellen Rankings sind hier einsehbar: www.zeit.de/che-ranking

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Clarivate Analytics, verantwortlich für die in Wissenschaftskreisen bekannte Internetplattform „Web-ofScience“, veröffentlicht jedes Jahr eine Liste der weltweit meistzitierten Forscher*innen. Dabei wird nur aufgeführt, wer in einem bestimmten Forschungsfeld zu dem einen Prozent der am häufigsten Zitierten gehört. Gleich zum wiederholten Mal dabei ist Prof. Dr. Michael Winkler von der Universität Paderborn in der Kategorie „Mathematik“. Prof. Dr. Winkler leitet die Arbeitsgruppe „Partielle Differentialgleichungen“, die u.a. im Bereich der mathematischen Biologie angewendet werden und dort bei der Modellierung von Tumorwachstumsprozessen zum Einsatz kommen. Die Forschungsarbeiten des Mathematikers gehören damit auch zur Spitze der internationalen Wissenschaft. Die Qualität von wissenschaftlichen Arbeiten wird in Fachkreisen anhand der sogenannten Zitationshäufigkeit gemessen. Je häufiger ein*e Autor*in zitiert wird, desto einflussreicher seine/ihre Forschung. Insgesamt enthält die Liste etwa 3.700 häufig zitierte Forscher*innen aus 21 Bereichen der Wissenschaft. Zum Vergleich: Laut Statistischem Bundesamt gab es 2017 allein in Deutschland 47.568 Professor*innen.

Die Liste ist im Internet aufrufbar unter: www.recognition.webofsciencegroup.com/awards/highly-cited/2019/

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Dr. Manfred Hammer, Lena Ebers und Prof. Dr. Jens Förstner aus dem Fachgebiet Theoretische Elektrotechnik haben ein Verfahren zur verlustfreien Übertragung von geführtem Licht zwischen zwei Schichtwellenleitern entwickelt und die Erfindung mit Unterstützung der Universität Paderborn als Patent angemeldet - dieses wurde am 31.1.2019 unter der Nummer DE102018108110B3 akzeptiert und wird von der PROvendis GmbH vermarktet. Ein Schichtwellenleiter besteht aus einer dünnen Schicht eines lichtführenden Materials, die auf einem Untergrundmaterial aufgebracht ist. Durch den Effekt der Totalreflektion kann bei passend gewählten Materialeigenschaften (Brechungsindexkontrast und geringe Absorption) das Licht in der Schicht über längere Strecken geführt werden. Setzt man zwei Schichtwellenleiter verschiedener Dicke direkt aneinander, treten üblicherweise starke Verluste durch Reflexion und Streuung auf. Das nun patentierte Verfahren nutzt zum einen geeignete schrägwinklige Einstrahlung aus, so dass Streuungen vollständig unterdrückt werden können, und zum anderen werden durch eine zusätzliche Zwischenschicht angepasster Länge auch die Rückreflektionen minimiert. Dadurch ist eine nahezu verlustfreie Übertragung des Lichtes zwischen den Wellenleitern möglich. Das Verfahren kann an verschiedenste Materialsysteme angepasst werden, so z.B. auch an die technologisch zunehmend wichtigen Silizium-basierten integrierten optischen Schaltkreise.

Details unter:
https://register.dpma.de/DPMAregister/pat/PatSchrifteneinsicht?docId=DE102018108110B3

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In dem dreijährigen DFG Projekt „Cooperative Software Verification“ wollen Prof. Dr. Heike Wehrheim und ihr Team zusammen mit Prof. Dr. Dirk Beyer und seinem Lehrstuhl der LMU München sowohl die Präzision als auch die Performance bereits bekannter Ansätze der Softwareverifikation verbessern. Dies ist insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen notwendig, um die Sicherheit von Software zu garantieren. Erreicht werden soll diese Verbesserung durch die Kooperation verschiedener Werkzeuge. Aufgabe der Softwareverifikation generell ist das Prüfen von Eigenschaften von Programmen. Ein erster Ansatz, Programme zu annotieren, um ihre Korrektheit zu folgern, wurde bereits 1949 von Alan Turing vorgeschlagen. Neben Verifikation nutzen Softwareentwickler Testverfahren, um das Verhalten ihrer Programme zu analysieren. In den letzten Jahren wurde in diesem Bereich ein enormer Fortschritt erzielt, auch wenn das Problem bekanntermaßen unentscheidbar ist. Heute gibt es eine Vielzahl von Ansätzen, die von dynamischer bis zu statischer Analyse reichen und alle besonderen Stärken und Schwächen haben. Hier setzt das neue DFG Projekt mit Start am 01.10.2019 mit der kooperativen Softwareverifikation an. Benötigt für eine kooperative Analyse werden zum einen Möglichkeiten zum Austausch von Informationen zwischen Verifikationstools und die korrekte Nutzung dieser Informationen. Zum anderen sind Verfahren zum Lernen der zweckmäßigsten Art und Weise der Kooperation erforderlich. Letztendlich werden Verifikationsaufgaben auf Werkzeuge aufgeteilt, sodass jedes Werkzeug die Aufgaben erledigt, für die es am besten geeignet ist. Eine Kooperation soll aber auch das Vertrauen in die Gültigkeit von Verifikationsergebnissen erhöhen, zum Beispiel indem ein Werkzeug das Ergebnis eines anderen überprüft. Das Ziel des Projektes ist es, eine praktische Methodik der kooperativen Softwareverifikation und die dahinterliegende Theorie der Kooperation zu entwickeln. In beiden Arbeitsgruppen gibt es bereits Vorarbeiten zur kooperativen Verifikation; die Idee zum Thema entstand daher unabhängig voneinander. Eine Zusammenarbeit bot sich aufgrund der komplementären Techniken der Arbeitsgruppen an und verspricht somit eine erfolgreiche Kooperation.

Weitere Informationen zum Projekt sind zu finden unter:
www.cs.uni-paderborn.de/sms/research/cooperative-software-verification/

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KI-Verfahren für Effizientere Konfiguration von Maschinen

Kundenspezifische Maschinen stellen einen bedeutenden Anteil der Industrieanlagen in Deutschland dar. Ihre Konfiguration ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. Wissenschaftler*innen der Universitäten Paderborn und Leipzig wollen gemeinsam mit den Unternehmen AI4BD Deutschland GmbH und der Siemens AG dieses Problem in einem neuen Forschungsprojekt mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) lösen. Seit dem 1. September 2019 fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) das Vorhaben für drei Jahre im Rahmen des Technologieprogramms „Smarte Datenwirtschaft“ mit rund 1,9 Millionen Euro. „Rapide Erklärbare Künstliche Intelligenz für Industrieanlagen“ (RAKI), so lautet der Titel des Projekts, an dem sich neben Forscher*innen der Universität Paderborn und Universität Leipzig ebenso der KI-Software-Hersteller AI4BD Deutschland GmbH als Projektleiter sowie die Siemens AG beteiligen. Um mithilfe von KI Produktionsprozesse zu optimieren, verfolgt die Projektgruppe das Ziel, zwei verschiedene Familien von maschinellen Lernverfahren miteinander zu kombinieren. Die Herausforderung: „Anlagen sind komplexe Modelle, die aufgrund einer Vielzahl von Parametern nicht einfach zu optimieren sind. Für komplexe Problemstellungen haben wir oft nicht genügend Trainingsdaten, mit denen eine KI zuverlässig arbeiten kann“, sagt Prof. Dr. Axel-Cyrille Ngonga Ngomo, wissenschaftlicher Leiter von RAKI und Informatiker an der Universität Paderborn. Induktive logische Programmierung (ILP) und verstärkendes Lernen sollen das nun ändern. Dazu Ngonga Ngomo: „Bei ILP geht es darum, eine Problembeschreibung in eine logische Formel umzuwandeln. Der große Vorteil ist, dass sich diese Formeln direkt in natürliche Sprache umwandeln lassen. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass sich seine Algorithmen auf große Datenmengen nur sehr schwer anwenden lassen.“ Dieses Problem soll das verstärkende Lernen lösen, bei dem ein Computer durch Interaktionen mit seiner Umgebung lernt. „Das berühmteste Beispiel für dieses Verfahren dürfte DeepMinds Computerprogramm „AlphaGo“ sein, welches das Spielen des Brettspiels „Go“ erlernte, indem es gegen sich selbst spielte“, erklärt der Paderborner Wissenschaftler.

Künstliche Intelligenz für den Mittelstand

Mit den beiden kombinierten Verfahren möchten die Projektpartner KI-Lösungen entwickeln, die in der Lage sind, eine Maschine oder Anlage interaktiv zu konfigurieren. Ngonga Ngomo: „Es gibt beispielsweise den Anwendungsfall, dass eine KI eine Anlage so zu konfigurieren hat, dass sie eine vorgegebene Anzahl von Bauteilen pro Minute produziert. Dabei ist es wichtig, dass sie ihre Aktivitäten auch erklären kann – etwa dem jeweiligen Ingenieur oder Anlagentechniker. Eine solche KI muss dann auch so intelligent sein, dass sie bei Unsicherheiten über Fragen und Antworten eine bessere Lösung findet als die bereits vorhandene.“ Dr. Martin Voigt, Geschäftsführer der AI4BD Deutschland GmbH, über den praktischen Nutzen des Vorhabens: „Die im Projekt geschaffenen Lösungen gilt es der deutschen Wirtschaft zu Verfügung zu stellen. Dieser Aufgabe stellen wir uns. Eine Integration der Lösungen in bestehende Produktplattformen soll insbesondere dem deutschen Mittelstand die Möglichkeit der Integration von KI ins Unternehmen ermöglichen.“ Erste Ergebnisse des Projekts werden im Laufe des kommenden Jahres erwartet.

Weitere Informationen

Website des Projekts: www.raki-projekt.de
Twitter: www.twitter.com/ProjektRaki

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Mit rund 1,5 Millionen Euro fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) in den nächsten sechs Jahren die Nachwuchsforschung an der Universität Paderborn: Der Regelungstechniker Dr. Moritz Schulze Darup baut damit eine Emmy Noether-Nachwuchsgruppe zur Entwicklung verschlüsselter Regelungstechnologien für vernetzte Systeme auf. Das Emmy Noether-Programm der DFG eröffnet besonders qualifizierten Nachwuchswissenschaftler*innen die Möglichkeit, sich durch die eigenverantwortliche Leitung einer Nachwuchsgruppe für eine Hochschulprofessur zu qualifizieren.

Schulze Darup, bisher akademischer Rat am Lehrstuhl für Regelungsund Automatisierungstechnik der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, überzeugte das DFG-Fachkollegium mit seinem Projekt „Grundlagen verschlüsselter optimierungsbasierter Regelungen für vernetzte Systeme“. Das interdisziplinäre Forschungsvorhaben kombiniert moderne Regelungskonzepte mit Methoden der numerischen Optimierung und kryptografischen Verfahren. Ziel ist die Entwicklung verschlüsselter Regelungsalgorithmen, die die Vertraulichkeit und Integrität sensibler Prozessdaten in Cloud-basierten und verteilten Regelungssystemen sicherstellen.

Zum Hintergrund: Smarte Stromnetze, Gebäudeautomation, intelligente Transportsysteme und Roboterschwärme sind nur einige Beispiele für moderne vernetzte Regelungssysteme. Die gezielte Beeinflussung derartiger Systeme durch Regelungen erfordert die Kommunikation von sensiblen Systemdaten über öffentliche Netzwerke und die Auswertung dieser Daten auf externen Plattformen. Verschlüsselte Regelungsverfahren zielen darauf ab, die damit einhergehenden Sicherheitslücken zu schließen. Dazu werden die Regelungsalgorithmen beispielsweise durch den Einsatz homomorpher Verschlüsselungen so modifiziert, dass sie in der Lage sind, verschlüsselte Regelungseingriffe basierend auf verschlüsselten Systemdaten (ohne zwischenzeitliche Entschlüsselungen) zu berechnen. „Langfristig soll die neue Technologie unsere kritische Infrastruktur – wie etwa Kraftwerke oder Stromnetze – besser schützen“, prognostiziert Schulze Darup. Er freut sich darüber hinaus, dass mit der Förderung auch eine Stärkung der interdisziplinären und informationstechnischen Ausrichtung der Universität Paderborn einhergeht.

Die Nachwuchsgruppe hat ihre Arbeit im November 2019 aufgenommen.

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Bei den Ergebnissen des U-Multiranks 2019 wurden u.a. die Fächer Electrical Engineering, Computer Science, Mathematics und Production/Industrial Engineering an über 850 höheren Bildungseinrichtungen in über 70 Ländern unter verschiedenen Gesichtspunkten begutachtet. Auch die UPB zählt zu den Universitäten, die sich unter die Lupe nehmen lassen. In allen vier Fächern konnte Paderborn in der Spitzengruppe mit den besten Bewertungen landen; Electrical Engineering schnitt besonders gut im internationalen Vergleich ab.

Das U-Multirank ist ein unabhängiges Ranking, das mit Startkapital aus dem Erasmus+ Programm der Europäischen Kommission erstellt wurde. Die Arbeit des U-Multirank-Konsortiums wird von einem Beirat überwacht. Durchgeführt wird das Ranking vom Center for Higher Education Policy Studies (CHEPS), der University of Twente in den Niederlanden und Prof. Dr. Frank Ziegele vom Centrum für Hochschulentwicklung (CHE) in Deutschland sowie dem Centre for Science and Technology Studies (CWTS) der Leiden University (Niederlande), Fundacion CYD (Spanien) und Folge 3 (Deutschland). Das U-Multirank wurde von der Europäischen Kommission, der Bertelsmann Stiftung und Banco Santander ins Leben gerufen. Das Konsortium arbeitet auch eng mit einer Reihe nationaler Ranking-Partner und weiteren Stakeholdern zusammen.

Im Ranking werden die Fächer der Universitäten in Gruppen von 1 (very good) bis 5 (weak) unterteilt. Bei der Bewertung werden die Hochschulen untereinander anhand der fünf Dimensionen der Universitätsaktivitäten verglichen:
1. Teaching and Learning
2. Research
3. Knowledge Transfer
4. International Orientation
5. Regional engagement

Zu jeder Dimension gibt es noch weitere Unterkategorien, für die jedes Fach eine Bewertung erhält. So wird jedes Fach in insgesamt 35 Kategorien begutachtet. Ebenfalls berücksichtigt wurden die Ansichten der Studierenden in der Dimension „Teaching and Learning“.

Das Fach Electrical Engineering an der Uni Paderborn konnte besonders gut abschneiden: Neun Mal konnte das Fach in der Spitzengruppe 1 landen. Besonders stark ist das Fach an der UPB in den Dimensionen „knowledge transfer“ und „international orientation“. Auch Computer Science hat eine äußerst positive Bilanz: Vier Mal konnte das Fach des Instituts für Informatik in der Spitzengruppe 1 landen. Neben „Research“ wurde Computer Science auch für „international orientation“ doppelt in die Spitzengruppe gewählt. Mathematics und Production/Industrial Engineering bekamen jeweils drei Mal die höchste Bewertung im Ranking. Alle Fächer sind in der Dimension „Research“ in der Spitzengruppe gelandet, darunter in den Kategorien „external research income“, „citation rate“, „interdisciplinary publications“ und „doctorate productivity“.

Weitere Informationen zum U-Multirank finden sich hier: www.umultirank.org

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Ein Forscherteam hat am Museum für Naturkunde Berlin das BATS-Trackingsystem made in Germany vorgestellt, das vollautomatisch und sekundengenau soziale Kontakte zwischen freilebenden Tieren zur Analyse sozialer Netzwerke sammelt. Wie belastbar sind Freundschaften zwischen Vampirfledermäusen? Wie lernt ein junger Abendsegler jagen? Wie schnell schlägt das Herz einer Blumenfledermaus? Und warum wollen Forscher*innen das wissen?

Die Forschungsgruppe „BATS - a Broadly Applicable Tracking System“, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und unter Beteiligung des Museums für Naturkunde Berlin, entwickelte in einem interdisziplinären Team aus Elektroingenieuren, Informatikern und Biologen ein völlig neuartiges und hochleistungsfähiges Wildtierbeobachtungssystem, das Forschung in nie dagewesenem Detail und sogar an so kleinen Tieren wie Fledermäusen erlaubt.

Technologische Innovation treibt die biologische Forschung voran. Das BATS-System, ein ‚Internet-of-Animals‘, sammelt vollautomatisch und sekundengenau soziale Kontakte zwischen freilebenden Tieren zur Analyse sozialer Netzwerke, beobachtet hochauflösende Flugbahnen in dichtem Wald und zählt gleichzeitig den rasend schnellen Puls. Das zentrale Ziel ist es, die Wildtierforschung weltweit mit Technologien made in Germany voranzubringen, um unsere Natur nachhaltig zu schützen. Verhalten von Wildtieren verstehen heißt, Grundlagen für erfolgreichen Naturschutz legen. Die Tiere tragen kleine Sender mit der Funktionalität eines Netzwerkcomputers: Daten werden gesendet, empfangen, verarbeitet, gespeichert und das alles bei einem Sensorgewicht von nur einem Gramm – inklusive autonomer Energieversorgung. Sobald ein Tier an einer Basisstation vorbeikommt, z. B. in seinem Quartier, werden die gespeicherten Daten automatisch heruntergeladen. Hier erforschte die Fachgruppe „Verteilte Eingebettete Systeme“ von Prof. Dr.-Ing. habil. Falko Dressler an der Universität Paderborn insbesondere die Funkübertragung der mobilen Sender an im Untersuchungsgebiet verteilten Bodenstationen. Es entstanden unter anderem preisgekrönte Arbeiten zur Erhöhung der Kommunikationszuverlässigkeit der Sender durch Codierung beziehungsweise Makrodiversitätslösungen und zur Reduktion des Energieverbrauchs durch eine neue Art von sogenannten Wake-Up-Empfängern, die künftig auch WLAN-Systeme revolutionieren sollen.

In Zukunft soll die Anwendung nicht auf Fledermäuse beschränkt bleiben. Neben der Beobachtung von anderen Wirbeltiergruppen im Freiland wie zum Beispiel Vögeln oder Eidechsen, bietet BATS auch die Möglichkeit, das Verhalten von Nutztieren in der Landwirtschaft zu untersuchen, um so in Zukunft die Tiergesundheit zu überwachen oder Haltungsbedingungen zu verbessern. An der DFG-Forschungsgruppe 1508 BATS sind neben der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg das Museum für Naturkunde Berlin, die Technische Universität Braunschweig, die Universität Paderborn, die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg, die Universität Bayreuth sowie das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS beteiligt.

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Prof.-Dr.-Ing. Roman Dumitrescu, Leiter des Lehrstuhls „Advanced Systems Engineering“ am HNI der Universität Paderborn und Direktor am Fraunhofer IEM, darf sich über die großzügige Förderung von gleich zwei Projekten freuen: „Datengestützte Retrofit- und Generationenplanung im Maschinen- und Anlagenbau“ (DizRuPt) und „Instrumentarium zur musterbasierten Planung hybrider Wertschöpfung und Arbeit zur Erbringung von Smart Services“ (IMPRESS) werden in den nächsten drei Jahren mit rund 1,8 Millionen Euro vom Bundesforschungsministerium gefördert.

Die beiden neuen Projekte werfen zwei verschiedene Forschungsfragen auf: Wie können Unternehmen ihre Produktdaten aus dem Betrieb nutzen, um künftige Produkte zu optimieren? Und wie müssen Unternehmen sich aufstellen und verändern, um mit digitalen, datenbasierten Services am Markt erfolgreich zu sein?

Im Projekt „Datengestützte Retrofit- und Generationenplanung im Maschinenund Anlagenbau“ (DizRuPt) geht es darum, Unternehmen dabei zu unterstützen, Informationen aus Daten eines Produkts einzusetzen, um die nächste Produktgeneration zu optimieren oder im Markt befindliche Produkte durch ein Update zu verbessern. Hierbei sollen vor allen Dingen Fehlerquellen erkannt und das Nutzungsverhalten von Kund*innen beachtet werden. Für dieses Projekt erhält die Universität Paderborn eine Förderung von rund 660.000 Euro. Weitere Forschungspartner sind die TU Berlin und die Fachhochschule Südwestfalen; Axom und Contact Software verantworten die IT-Infrastruktur. Die Industriepartner Diebold Nixdorf, Weidmüller, Lasco Umformtechnik und Westaflex wenden den Leitfaden in der Praxis an.

Durch das zweite Projekt „Instrumentarium zur musterbasierten Planung hybrider Wertschöpfung und Arbeit zur Erbringung von Smart Services“ (IMPRESS) sollen Unternehmen auf dem Weg vom Produkthersteller zum Anbieter von Smart Services begleitet werden: Wenn Unternehmen Daten aus Produktion und Produkt ermitteln, können sie ihren Kunden zusätzliche datenbasierte Dienstleistungen, sogenannte Smart Services, anbieten. Hierfür müssen zunächst Unternehmensstrategie und Geschäftsmodelle, aber auch interne Kompetenzen, Arbeitsprozesse und Organisationsformen für Smart Services gerüstet sein. Im Projekt entsteht ein Baukasten mit erfolgsversprechenden Lösungswegen für verschiedene Aspekte dieses Wandels. Die Universität Paderborn wird mit rund 780.000 Euro, das Fraunhofer IEM mit rund 350.000 Euro gefördert. Weiterer Forschungspartner ist die TU Chemnitz. Den Praxistest des Baukastens übernehmen Diebold Nixdorf, Weidmüller, Fiware, Boge, DMG Mori, Freund und Vathauer.

Prof. Dr.-Ing. Dumitrescu und seine Arbeitsgruppe haben die Chance in der Nutzung von Daten erkannt und so ihre Projektideen entwickelt: „Die Möglichkeiten, aus Betriebsdaten einen Nutzen zu ziehen, sind riesig. Besonders bisher traditionell produzierende Unternehmen haben die Chance, ihre Produkte zu verbessern oder ganz neue digitale Services zu entwickeln“, so der Leiter des Lehrstuhls „Advanced Systems Engineering“. Informationen zur Förderung.

Das Projekt DizRuPt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Maßnahmen für „Industrie 4.0 – Kollaborationen in dynamischen Wertschöpfungsnetzwerken (InKoWe)“ für drei Jahre (01/2019- 12/2021) gefördert. Die Gesamt-Fördersumme liegt bei 2,3 Mio. Euro.

Weitere Infos: www.produktion-dienstleistung-arbeit.de/de/projekte.php?PN=11050872

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Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Wissenschaftsjahr drehte sich 2019 alles um das Thema Künstliche Intelligenz (KI). Schon heute bestimmen Anwendungen, die auf Digitalisierung und Maschinellem Lernen basieren, weite Bereiche unseres Lebens: Von virtuellen Assistenzsystemen über Industrieroboter bis hin zu humanoiden Pflegekräften – die intelligenten Maschinen nehmen uns viel Arbeit ab. Wie diese Systeme funktionieren und welche gesellschaftlichen Implikationen es dabei gibt, erörtern Paderborner Wissenschaftler im Rahmen eines Themenspecials. Dabei liegt der Fokus auf ihrer Forschung, mit der sie die Entwicklung mitgestalten.

Ein plötzlicher Motorausfall auf der Autobahn oder ein Brand unter der Haube: Um diese Horrorszenarien zu vermeiden, muss die Temperatur in elektrischen Motoren dauerhaft überprüft werden. Bisherige Systeme können das allerdings nur annähernd leisten. Schuld daran sind zu hohe Kosten für notwendige Sensoren. Wissenschaftler der Universität Paderborn arbeiten daher an der Entwicklung einer Software, die die Temperatur auf Basis von Künstlicher Intelligenz an kritischen Stellen berechnet. Das Konzept nennt sich „Überwachtes Maschinelles Lernen“.

„Die Temperaturentwicklung kann in elektrischen Motoren, insbesondere für eine Nutzung im Rahmen der Elektromobilität, aktuell nicht vollständig durch Messtechnik ermittelt werden. Entsprechende Sensoren und deren Einbau sind schlichtweg zu teuer – vor allem im rotierenden Teil des Motors. Daher brauchen wir Ersatzmodelle, die die Temperatur im Betrieb an definierten Stellen schätzen – beispielsweise bei den kostspieligen und sensiblen Dauermagneten“, erklärt Dr. Oliver Wallscheid, Forschungsgruppenleiter im Fachgebiet „Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik“ an der Universität.

Solche Ersatzmodelle basieren aktuell auf physikalischen Gleichungen und müssen für jeden Motortyp neu aufgestellt werden. Dazu Wallscheid: „Das kann problematisch sein, wenn Motoren einer Großproduktionsserie nicht exakt gleich sind – in diesem Fall müssen zusätzliche Sicherheitsreserven vorgesehen werden, die dazu führen, dass nur ein Teil der gesamten Motorleistung abgerufen werden kann. Ebenso wenig können alle auftretenden physikalischen Effekte durch bisherige Modelle nachgebildet werden, sodass immer eine gewisse Schätzungsungenauigkeit zurückbleibt.“

Die Lösung: datengetriebene Ansätze. Dazu arbeiten die Wissenschaftler um Wallscheid mit Modellen, die mathematische Funktionen und künstliche neuronale Netze, also Methoden der abstrakten Informationsverarbeitung, beinhalten. Das Projekt, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird, ist angesiedelt im Bereich der Künstlichen Intelligenz: „Die Modelle sind in einer Software dargestellte mathematische Funktionen, beispielsweise tiefe künstliche neuronale Netze, die ohne physikalische Gleichungen auskommen. Es bestehen somit mehr Freiheitsgrade, um auf Basis verfügbarer Messdaten wie der Drehzahl oder des durch die Motorwicklungen fließenden Stroms auf die Temperatur zu schließen“, erklärt der verantwortliche Projektingenieur Wilhelm Kirchgässner.

Arbeiten an der Schnittstelle von Elektrotechnik, Informatik und Mathematik

Mithilfe des Maschinellen Lernens sollen neuartige Ansätze zur Temperaturschätzung in Antrieben und anderen energietechnischen Anwendungen gefunden werden, die sich von den etablierten Methoden der Ingenieurswissenschaften grundlegend unterscheiden. „Statt bekanntes Systemwissen zur Modellbildung heranzuziehen, werden bei uns ausschließlich datengetriebene Black-Box-Ansätze mittels experimenteller Prüfstandsmessungen trainiert. Jetzt stehen wir vor der Herausforderung, geeignete Modellstrukturen aus einer großen Masse möglicher Lösungskandidaten zu identifizieren, mit denen sich die Temperaturschätzung möglichst genau und robust realisieren lässt“, sagt Kirchgässner.

Und es gibt noch eine Herausforderung: Die Modelle dürfen nicht beliebig komplex sein. „Sonst können sie nicht auf kostengünstigen und eher schwachen Mikroprozessoren wie dem Steuergerät im E-Fahrzeug in Echtzeit berechnet werden“, erklären die Experten. Bis das Vorhaben 2021 beendet ist, sollen entsprechende Ansätze vorliegen und dann von der akademischen Grundlagenforschung in die industrielle Anwendung überführt werden.

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Texte, Bilder, Sprachnachrichten: Kommunikation findet heutzutage bevorzugt digital statt. Allein im Mai des Jahres 2018 wurden täglich weltweit rund 65 Milliarden WhatsApp-Nachrichten verschickt. „Damit steigen auch die Anforderungen an die Sicherheit“, sagt Prof. Dr. Tibor Jager vom Institut für Informatik der Universität Paderborn. Beliebte Dienste wie WhatsApp und Co. würden dafür allerdings neuartige Verfahren nutzen, die nicht nur komplex, sondern auch wissenschaftlich kaum fundiert seien, so der Informatiker weiter. Unter seiner Leitung werden bei dem Forschungsvorhaben „Sicherheit und Privatsphäre bei Instant Messaging-Protokollen“ die Sicherheitsgarantien und -ziele solcher Systeme untersucht.

„Instant Messaging-Protokolle wie WhatsApp sind aus dem Alltag kaum noch wegzudenken. Was dabei stattfindet, ist ein Austausch privatester Daten. Im Gegensatz zu klassischen elektronischen Kommunikationsmedien wie E-Mail und SMS läuft die gesamte Kommunikation hier über nur eine Organisation“, erklärt Jager, Leiter der Fachgruppe für IT-Sicherheit. Das Gefährliche daran sei, dass Kritik an diesem Vorgehen vorgebeugt würde, indem weitreichende Sicherheitsversprechen gemacht würden, deren Einhaltung es noch zu überprüfen gelte. „Wir wollen jetzt die Lücke zwischen etablierten Verfahren und dem aktuellen Stand der Wissenschaft schließen, um eine langfristige Sicherheit der Anwendungen zu gewährleisten“, sagt Jager.

„Sicherheitslösungen bei WhatsApp laufen seit 2016 über Ende-zu-Ende-Verschlüsselung. Das heißt, nur Sender und Empfänger einer Nachricht können lesen, was verschickt wurde. Laut eigenen Angaben nicht einmal WhatsApp selbst. Die Verschlüsselung findet auf den Geräten der Nutzer statt. Ein kryptographisches Schloss wird automatisch aktiviert, noch bevor Nachrichten das Smartphone verlassen“, erklärt der Wissenschaftler. Auch andere Apps wie zum Beispiel Signal bieten gute Sicherheitseigenschaften: „Das sogenannte ‚Ratcheting‘ arbeitet – stark vereinfacht – mit verschiedenen und sich ablösenden Schlüsseln. Der Schlüsselaustausch findet über ein Protokoll statt, das wirksame Sicherheitseigenschaften bieten soll. Das ist zumindest das Ziel. Ob die eingesetzten Verfahren wirklich den erhofften Schutz bringen, muss erst noch wissenschaftlich bestätigt werden. Bislang ist das noch nicht der Fall“, so Jager weiter

Technologien werden erforscht und für die Industrie weiterentwickelt

Um sicherzustellen, dass Nutzer damit tatsächlich besser vor Hackerangriffen geschützt sind und der Schutz der Privatsphäre insgesamt höher ist, erforschen die Wissenschaftler um Jager die Technologien nicht nur, sie wollen sie auch weiterentwickeln: „Wir erarbeiten ein modulares Design, das Softwareherstellern Protokolle mit maßgeschneiderten Sicherheits- und Performanzeigenschaften bereitstellt. Unser Ziel ist es, Protokolle nach dem aktuellen Stand der akademischen Forschung zu entwickeln.“ Das Projekt wird im Rahmen des Graduiertenkollegs NRW „Human Centered Systems Security – North Rhine-Westphalian Experts on Research in Digitalization“ (NERD) gemeinsam mit der Ruhr-Universität Bochum durchgeführt. An dem Kolleg arbeiten junge Wissenschaftler auf dem Gebiet der Digitalen Sicherheit interdisziplinär und hochschulübergreifend zusammen. Das Ministerium für Kultur und Wissenschaft des Landes NRW fördert das Programm bis 2021 mit rund vier Millionen Euro.

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key facts zur DFG-Forschungsgruppe  „Metrology For THZ Communications“

• Forschungsgruppe „METERACOM“ beschäftigt sich mit der Metrologie für zukünftige Terahertz-Kommunikationssysteme und will u. a. Messverfahren entwickeln, die dabei helfen, die Leistungsfähigkeit der Terahertz-Kommunikation in realen Umgebungen vorherzusagen
• Wissenschaftler des Heinz Nixdorf Instituts und des Instituts für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Paderborn beteiligt
• DFG-Förderung in Höhe von 2,6 Millionen Euro
• Start im Juli 2019

Schneller, weiter, besser – Nutzer von mobilen Endgeräten fordern heutzutage die Übertragung von immer größeren Datenmengen in Echtzeit. Längst tauschen sich Menschen weltweit online aus und Maschinen kommunizieren im Internet der Dinge. In dieser vernetzten Welt stellt unsere digitale Gesellschaft immer höhere Ansprüche an die Kommunikationstechnik. Wie noch höhere Datenübertragungsraten durch neue Konzepte Realität werden könnten, untersucht die Forschungsgruppe „Metrology for THz Communications“, kurz „METERACOM“, an der Wissenschaftler der Fachgruppe „Schaltungstechnik“ unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt vom Heinz Nixdorf Institut und dem Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Paderborn beteiligt sind. Das zunächst auf drei Jahre ausgelegte Vorhaben ist im Juli 2019 gestartet und wird mit rund 2,6 Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt. Im Zentrum der Forschungsgruppe steht dabei der Terahertz-Frequenzbereich (THz). In diesem Frequenzbereich könnten zukünftig mehr als 100 Gigabit pro Sekunde übertragen werden. „Das ist in etwa das Zehn- bis Hundertfache dessen, was zurzeit Funksysteme wie WLAN und 5G leisten“, erklärt Prof. Dr. Scheytt. Da derart hohe Funkfrequenzen und Datenraten allerdings hohe Herausforderungen an die Kommunikationstechnik stellen, ist es das Ziel der Forschungsgruppe, u. a. Messverfahren zu erforschen, die dabei helfen sollen, die Leistungsfähigkeit der THz-Kommunikation in realen Umgebungen vorherzusagen. Besonderen Fokus legen die Wissenschaftler*innen dabei auf die Möglichkeit, präzise Messungen im Frequenzbereich oberhalb von 300 Gigahertz bei gleichzeitig sehr hohen Bandbreiten durchführen zu können. Die Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn befassen sich bei „METERACOM“ u. a. mit der rauscharmen Frequenzsynthese unter dem Einsatz von Lasern, die extrem kurze Lichtpulse erzeugen, und der optischen Analog-Digital-Wandlung. „Damit wird es in Zukunft möglich sein, Daten mit höheren Datenraten und hochfrequente Signale genauer als jemals zuvor zu vermessen“, so Prof. Dr. Scheytt. In zehn Teilprojekten der DFG-Forschungsgruppe sollen alle Aspekte der THz-Messtechnik in den nächsten drei Jahren detailliert untersucht werden. Von Interesse sind dabei u. a. die Rückführbarkeit von Messungen auf Vergleichsnormale, spezifische Messverfahren zur Charakterisierung der verschiedenen Komponenten der Kommunikationssysteme und des Übertragungskanals sowie Messungen, die für den späteren Betrieb der THz-Kommunikationssysteme benötigt werden. Die Forschungsgruppe wird von der Technischen Universität Braunschweig koordiniert. Neben der Fachgruppe „Schaltungstechnik“ des Heinz Nixdorf Instituts und des Instituts für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Paderborn sind auch Wissenschaftler der Phillips-Universität Marburg, der Universitäten Stuttgart und Lübeck sowie der Technischen Universität Ilmenau beteiligt, ebenso wie die nationalen Metrologie-Institute aus Deutschland und Großbritannien, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und das National Physics Laboratory (NPL).

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Durch eine Sicherheitslücke bei dem Messenger-Dienst WhatsApp, der weltweit von ungefähr 1,5 Milliarden Menschen genutzt wird, wurde bei einigen Nutzern Spyware installiert. Daraufhin gab es ein Update, das die Lücke schließen sollte. Prof. Dr. Eric Bodden, Experte für IT-Sicherheit und sichere Softwareentwicklung an der Universität Paderborn, ordnet in einem Statement Hintergründe und Ursachen ein.

Was ist passiert?

Facebook empfiehlt derzeit, Nutzern seiner Messenger-Applikation WhatsApp sowohl die App als auch Ihr Android oder iOS-Betriebssystem zu aktualisieren. Die Aktualisierung der App dient der Behebung einer schwerwiegenden Sicherheitslücke, die es Angreifern ermöglicht, auf dem Handy unter anderem Schadcode zu installieren.

Wie wurde die Schwachstelle entdeckt?

Bekannt wurde die Lücke durch einen tatsächlich erfolgten Angriff auf einen Menschenrechtsanwalt, der wohl eben diese Lücke ausnutzt. Wer diesen Angriff durchgeführt hat, ist unklar, jedoch soll die Lücke ausgenutzt worden sein, um auf dem Mobiltelefon des Anwalts eine Überwachungssoftware zu installieren. Dieser Versuch fiel auf, und somit auch die Sicherheitslücke. Die Überwachungssoftware stammt laut New York Times von der israelischen Firma NSO, die sich auf solche Technologien spezialisiert hat.

Wie schwerwiegend ist die Schwachstelle?

Bisher sind keine weiteren Angriffe außer dem zuvor genannten bekannt. Angreifer können jedoch durch die Schwachstelle zunächst die WhatsApp-App übernehmen, also zu beliebigen Zwecken die umfangreichen Berechtigungen ausnutzen, die WhatsApp selbst hat, und so beispielsweise auf Kontaktdaten, Nachrichten und sogar auch das Mikrofon und die Kamera zugreifen. Da Facebook jedoch empfiehlt, auch das Betriebssystem zu aktualisieren, steht zu befürchten, dass die NSO-Spyware nach ihrer Installation in Android und iOS noch weitere zuvor unbekannte Sicherheitslücken in diesen Betriebssystemen ausnutzt, um noch weitreichendere Berechtigungen zu erlangen.

Wie kommt es, dass immer wieder solche schwerwiegenden Schwachstellen bekannt werden?

Im bestehenden Fall war die Lücke im Telefonieteil der App beheimatet. Dieser war in den Programmiersprachen C/C++ geschrieben. Dies bietet den Vorteil, dass der Programmcode sowohl auf Android als auch auf iOS läuft, und zudem sehr effizient. Jedoch bieten C/C++ so gut wie keine Schutzfunktionen gegen sicherheitskritische Programmierfehler. Modernere Programmiersprachen oder automatisierte Codeanalysewerkzeuge helfen, solche Fehler und Schwachstellen zu vermeiden, kamen aber offenbar nicht hinreichend zum Einsatz.

Aber wie kann ein so kleiner Fehler eine solche Auswirkung haben?

Die Schwachstelle ist exemplarisch für ein im Softwareentwurf weit verbreitetes Problem: Aktuelle Software hat momentan meist nur einen einzigen Schutzwall. Ist dieser fehleranfällig, dann bricht die Sicherheit wie ein Kartenhaus in sich zusammen. Die Telefoniefunktion von WhatsApp benötigt beispielsweise keinen Zugriff auf Nachrichten oder das Adressbuch, hat ihn aber trotzdem, weil in Android und iOS Berechtigungen immer für die App als Ganzes vergeben werden. Könnte man für einzelne Funktionen individuelle Berechtigungen vergeben, hätte dies verhindert, dass die Lücke in einer solch breiten Art und Weise ausnutzbar gewesen wäre.

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BMBF initiiert Jugendaktion im Wissenschaftsjahr 2019: Jugendliche entdecken spielerisch das Geheimnis von KI und Maschinellem Lernen.

Ob beim Entsperren des Smartphones per Gesichtserkennung, beim Sprechen mit Chatbots oder beim Navigieren im Straßenverkehr: Künstliche Intelligenz (KI) ist längst Bestandteil unseres alltäglichen Lebens. Wie KI und Maschinelles Lernen funktionieren, können Jugendliche ab 12 Jahren mit dem Spiel „Mensch, Maschine!“, der Jugendaktion im Wissenschaftsjahr 2019 – Künstliche Intelligenz, erleben. Das Spiel zeigt ihnen dabei auf analogem Weg, wie maschinelle Lernprozesse aussehen. Ergänzend zur Aktion gibt es pädagogisches Lehr- und Arbeitsmaterial sowie ein Aktionsheft für Jugendliche, die gemeinsam mit dem Spiel kostenlos bezogen werden können.

Bundesbildungsministerin Anja Karliczek bekräftigt: „Künstliche Intelligenz ist eine wichtige Zukunftstechnologie, die wir gezielt fördern und weiterentwickeln. Mit der Jugendaktion im Wissenschaftsjahr 2019 haben wir ein innovatives Bildungsangebot geschaffen, um KI für Kinder und Jugendliche spielerisch erlebbar zu machen. Zum einen können junge Menschen herausfinden, wie maschinelles Lernen funktioniert. Zum anderen erfahren sie, welche Auswirkungen Künstliche Intelligenz auf unsere Zukunft hat. So erleben sie hautnah, welchen Beitrag Wissenschaft und Forschung leisten, um den technologischen Fortschritt zum Wohle der Gesellschaft zu gestalten.“ Auch Prof. Dr. Birgitt Riegraf, Präsidentin der Universität Paderborn, macht deutlich: „Künstliche Intelligenz verändert heute schon nahezu alle Bereiche unserer Gesellschaft und greift schon heute tief in unser alltägliches Leben ein. Je eher Kinder und Jugendliche Möglichkeiten und Mechanismen dieser wichtigen Zukunftstechnologie kennenlernen, desto besser sind sie für ihre berufliche und auch private Entwicklung gerüstet“.

Erfahren, wie Maschinen lernen

„Mensch, Maschine!“ zeigt auf einem klassischen Spielbrett, wie Maschinelles Lernen aussehen kann. Angelehnt an das traditionelle „Bauernschach“ können bis zu fünf Spielende Runde für Runde erleben, wie der Lernfortschritt der Maschine größer wird – und so nachvollziehen, wie sich menschliches Denken von der Arbeitsweise der Maschine unterscheidet. Je mehr Runden gespielt werden, desto größer wird der Lernfortschritt der Maschine. Ein Aktionsheft begleitet die Jugendlichen beim Spielen: Spannende Fakten zu KI und kreative Übungen führen unterhaltsam und informativ an das Thema heran und helfen Jugendlichen dabei, ihr Wissen über KI zu erweitern. Zusätzlich gibt es Lehr- und Arbeitsmaterial, das Lehrkräfte und Gruppenleitungen dabei unterstützt, Maschinelles Lernen als Teilgebiet der KI für Jugendliche nachvollziehbar aufzubereiten. Die pädagogischen Materialien wurden unter wissenschaftlicher Federführung der Universität Paderborn entwickelt und werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gemeinsam mit der Deutsche Telekom Stiftung unterstützt und veröffentlicht.

Die Jugendaktion ist Teil des Wissenschaftsjahres 2019, das den vielfältigen Fragen zur Künstlichen Intelligenz nachgeht. Das Spiel „Mensch, Maschine!“ sowie alle Materialien können kostenfrei als Klassensätze bestellt werden.
Weitere Informationen: www.wissenschaftsjahr.de/jugendaktion

Wissenschaftsjahr 2019 – Künstliche Intelligenz

Systeme und Anwendungen, die auf Künstlicher Intelligenz basieren, sind schon heute vielfach Bestandteil unseres Lebens: Industrieroboter, die schwere oder eintönige Arbeiten übernehmen, oder smarte Computer, die in kurzer Zeit riesige Datenmengen verarbeiten können – und damit für Wissenschaft und Forschung unverzichtbar sind. Ganz abgesehen von virtuellen Assistenzsystemen, die zu unseren alltäglichen Begleitern geworden sind. Digitalisierung und Automatisierung werden in Zukunft weiter fortschreiten. Welche Chancen gehen damit einher? Und welchen Herausforderungen müssen wir uns stellen? Welche Auswirkungen hat diese Entwicklung auf unser gesellschaftliches Miteinander?

Im Wissenschaftsjahr 2019 sind Bürger*innen aufgerufen, im Dialog mit Wissenschaft und Forschung Antworten auf diese und weitere Fragen zu finden. Die Wissenschaftsjahre sind eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gemeinsam mit Wissenschaft im Dialog (WiD).

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Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft stecken in einer der größten Umbruchphasen der vergangenen Jahrzehnte: Die digitale Zukunft ist schon heute überwiegend Realität geworden. Disruptiv – so der einschlägige Begriff für das Aufbrechen von etwas bereits Etabliertem – ist das Zauberwort für neue Prozesse, die u. a. im Kontext von Arbeit 4.0 entstehen und auf vielfältige Weise ineinandergreifen. Die zugrundeliegenden Mechanismen ganzheitlich zu erfassen, ist Ziel eines gemeinsamen Forschungsschwerpunktes der Universitäten Paderborn und Bielefeld. Im Kern geht es darum, die Digitalisierung der Arbeit umfassend aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. Was dabei entsteht, ist ein Gesamtkonzept des digitalen Wandels für Unternehmen, Arbeitgeber*innen und Arbeitnehmer*innen sowie für Selbstständige und Privatpersonen. Wissenschaftler*innen unterschiedlicher Disziplinen wie der Informatik, der Soziologie, der Psychologie oder der Betriebswirtschaftslehre arbeiten interdisziplinär zusammen, um Gestaltungsmöglichkeiten zu identifizieren und neuartigen Entwicklungen wie etwa dem Crowdworking ein wissenschaftliches Fundament zu geben. Der Aufbau des Forschungsschwerpunktes „Digitale Zukunft“ wurde bereits 2017 vom nordrhein-westfälischen Ministerium für Kunst und Wissenschaft mit zwei Millionen Euro unterstützt.

Viel Flexibilität, wenig Sicherheit

Als neue Form der Arbeitsorganisation ist vor rund zehn Jahren das sogenannte Crowdworking in Deutschland entstanden. „Mithilfe eines offenen Aufrufs werden digitale Arbeitsaufgaben über Online-Plattformen an eine heterogene Gruppe vergeben“, weiß der Paderborner Informatiker Prof. Dr. Gregor Engels, Sprecher des Forschungsschwerpunktes. Kleinere Aufträge wie Datenpflege, Texterstellung oder Designanfertigungen werden dabei am PC erledigt – häufig von zuhause aus. Das bedeute auf der einen Seite ein hohes Maß an Flexibilität, auf der anderen Seite aber auch wenig Sicherheiten, so Engels weiter. Feste Stundenlöhne und Bezahlungen nach Tarif seien in der Regel Mangelware. „Den typischen Crowdworker gibt es nicht“, sagt Dr. Nicole Giard, Koordinatorin des Schwerpunktes. In einer Umfrage haben die Wissenschaftler*innen herausrausgefunden, dass das Alter der Crowdworker in Deutschland größtenteils zwischen 26 und 45 Jahren liegt und die Ausübung meistens als Nebentätigkeit erfolgt. Giard räumt ein: „Es gilt allerdings zu bedenken, dass sich diese Form der Arbeit gerade erst in der Entstehungsphase befindet“

Blaupausen für Wirtschaft und Industrie

Bei den Plattformen kommen auch datenschutzrechtliche Herausforderungen zum Tragen: „Einige Crowdworker sind anonym unterwegs, andere nicht. Außerdem gibt es ein Reputationssystem, mit dem die Qualität der abgelieferten Arbeit bewertet werden kann. Das sind sensible Daten, die eine adäquate Herangehensweise erfordern“, so Engels. Eine wichtige Forschungsfrage im Bereich der Informatik sei deshalb, wie die Kommunikation auf den Marktplätzen insgesamt gestaltet werden könne. „Das ist ein großes Themenfeld, das wir derzeit intensiv bearbeiten. Der Austausch von Informationen und Daten zwischen Arbeitgeber und -nehmer ist keinesfalls trivial. Entsprechend wichtig ist es, eine von allen Seiten akzeptierte Ebene für Auftraggeber und Crowdworker zu finden“, erklärt der Experte. Aktuell arbeiten die Wissenschaftler*innen daran, Anforderungen für eine sogenannte Referenzarchitektur zu ermitteln. Dazu Engels: „Diese interne Architektur soll neuen Plattformen helfen, auf Basis unserer Studien möglichst performante Strukturen zu schaffen. Wenn ich eine neue Plattform einrichten möchte, ist es hilfreich zu wissen, wie es bei bereits bestehenden und vor allem erfolgreichen Angeboten aussieht.“ Für Unternehmen eignen sich hybride Lösungen: „Crowdworking kann als Zusatz zu konventionellen Beschäftigungsmodellen eingesetzt werden. Je nach Bedarf und Auftragslage kann ich bestimmte Arbeiten outsourcen.“ Das gemeinsame Projekt der beiden Universitäten hat große Strahlkraft: „Mit dem Forschungsschwerpunkt ‚Digitale Zukunft‘ wird die gesamte Region OWL als Innovationstreiber gestärkt. Durch anwendungsorientierte Grundlagenforschung werden nachhaltige Lösungen geschaffen und Blaupausen für Wirtschaft und Industrie erstellt“, ist sich Engels sicher.

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Argumente bereichern jede Diskussion. Was aber, wenn es an stichhaltigen Punkten und belastbaren Aussagen in der Beweisführung mangelt? Jun.-Prof. Dr. Henning Wachsmuth von der Universität Paderborn will dem individuellen Denkvermögen auf die Sprünge helfen: Der Informatiker leitet die Entwicklung einer Suchmaschine, die bei der Meinungsbildung unterstützen soll. Args.me, so der Name des digitalen Orientierungshelfers, liefert Pro- und Contra-Argumente für theoretisch beliebige Themen: „Sie hilft dem Nutzer dabei, seinen eigenen Standpunkt zu entfalten“, erklärt Wachsmuth, Leiter der Arbeitsgruppe Computational Social Science am Institut für Informatik. Auf Basis von derzeit 300.000 Argumenten, die aus verschiedenen englischsprachigen Diskussionsforen im Internet stammen, werden die Ergebnisse der Suchanfragen auf der Pro- und Contra-Seite nach Relevanz sortiert. In naher Zukunft sollen auch die Daten einschlägiger Internetseiten wie z. B. Newsportalen dazukommen.

Schnittstelle zwischen Informatik und Sprachwissenschaft

Angesiedelt im Bereich der Computerlinguistik, ist es vor allem die Entwicklung algorithmischer Verfahren, die Wachsmuth interessiert: Mithilfe von maschinellem Lernen kann die Suchmaschine selbst erkennen, bei welchen Aussagen es sich um Argumente handelt. „Die Grundlage dafür bilden Muster, die durch den Einsatz von Algorithmen erkannt und kategorisiert werden“, erklärt Wachsmuth.

Suchmaschine erkennt Argumente automatisch

Den Computerprogrammen wird beigebracht, wie Argumente aufgebaut sind – formal und inhaltlich. „Bei einem Argument handelt es sich um eine Kombination aus Behauptung und Begründung. Bestimmte syntaktische Gegebenheiten oder Wörter und Wortgruppen können als Indikatoren für Argumente gewertet werden. Das sind zum Beispiel Kausalkonstruktionen mit der Konjunktion 'because'. Man spricht allgemein von linguistischen Merkmalen. Diese Konstruktionen speisen wir aber nicht händisch als Argumente ein. Wir geben den Programmen im Grunde nur Hinweise, auf was sie achten sollen. Sobald dann eine Kombination verschiedener Textmerkmale vorliegt, kann ziemlich sicher von einem Argument ausgegangen werden“, erklärt der Informatiker. Maschinelles Lernen ist neben der automatischen Erkennung auch für die Bewertung und damit das Ranking der Ergebnisse verantwortlich: „Stärkere Argumente sollen oben in der Liste erscheinen, schwächere weiter unten“, so Wachsmuth. Manchmal handele es sich bei den Treffern auch nur um bloße Meinungsäußerung, so der Wissenschaftler weiter. Das bedeutet: Alle Inhalte müssen überprüft werden. Was aber ist ein gutes Argument? „Ein Indiz für die Richtigkeit einer Information kann z. B. ein Quellennachweis sein“, sagt Wachsmuth. Auch der Kontext spiele eine wichtige Rolle. Gleichzeitig räumt der Informatiker ein: „Wir können aktuell noch nicht alle Angaben überprüfen. Mittelfristig soll das natürlich der Fall sein“. „Im Moment wird args.me in erster Linie von Argumentationsforschern genutzt. Unsere Zahlen zeigen aber, dass bereits tausende User von der Suchmaschine Gebrauch gemacht haben.“ Wachsmuth, der args.me 2017 während seiner Tätigkeit an der Bauhaus-Universität Weimar zusammen mit einem großen Team ins Leben gerufen hat, betont, dass die Ergebnisse langfristig auch zu einem tieferen Verständnis menschlicher Kommunikation beitragen könnten.

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Eine Projektidee des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn und des Fraunhofer IEMs wurde als eines von 35 Projekten im Rahmen des Innovationswettbewerbs „Künstliche Intelligenz als Treiber für volkswirtschaftlich relevante Ökosysteme“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) ausgewählt. Dabei werden die Paderborner Forscher in den nächsten Monaten ein Konzept für einen digitalen Marktplatz für KI-Anwendungen (Künstliche Intelligenz) im Produktentstehungsprozess erarbeiten. Insgesamt erhält die Paderborner Wissenschaft in den nächsten sechs Monaten eine Förderung von knapp 400.000 Euro.

Unternehmen nutzen KI heutzutage bereits, um z. B. nutzerbasierte Werbeanzeigen beim Online-Shopping zu erstellen oder Bilderkennungsverfahren zu optimieren. KI-Verfahren bieten Unternehmen darüber hinaus bahnbrechende Möglichkeiten für die Verbesserung ihrer Produkte, Dienstleistungen und Produktionsprozesse. Dabei kann nicht nur die Funktionsweise von Produkten oder Produktionsanlagen durch KI verbessert werden, sondern auch deren Entstehungsprozess. KI-Ansätze können hier einen wesentlichen Mehrwert für eine effizientere und qualitativ hochwertigere Entwicklung liefern: Richtig eingesetzt, eröffnet KI neue Möglichkeiten zur Datenauswertung und ebnet den Weg zur Entwicklung innovativer, stark verbesserter Produkte mit erheblich gesteigertem Kundenwert. Zur Erschließung dieser Potentiale mangelt es Unternehmen jedoch häufig an ausreichender Expertise. Anbietern von KI-Anwendungen wiederum fehlt der Zugang zu Domänenwissen, um Lösungen für konkrete Probleme der Unternehmen zu entwickeln.

Projektziele und Lösungsansatz

„Wir wollen in dem Projekt eine digitale Plattform – einen sogenannten Marktplatz – entwickeln, der die Anbieter von KI-Anwendungen und produzierende Unternehmen zusammenbringt“, erklärt Projektleiter Prof. Dr. Roman Dumitrescu. Der Fokus liegt auf KI-Anwendungen, die bei der strategischen Produktplanung sowie der Produkt-, Dienstleistungs- und Produktionssystementwicklung unterstützten können. Hierzu werden verschiedene Konzepte für den Marktplatz entwickelt und bewertet, um das beste Konzept zu identifizieren. Definierte Anwendungsszenarien machen den Nutzen des Marktplatzes greifbar und ermöglichen eine frühzeitige Ansprache interessierter Unternehmen. Eine Roadmap führt abschließend die Erkenntnisse zusammen und dient als Grundlage für die anschließende Umsetzungsphase des Konzepts. Das Technologienetzwerk it‘s OWL unterstützt das Projekt durch ein schlagkräftiges Ökosystem, bestehend aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen, welche schon zu Beginn als mögliche Teilnehmer des Marktplatzes in die Konzipierung eingebunden werden. Das Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn ist durch die Fachgruppen „Advanced Systems Engineering“ von Prof. Dr. Dumitrescu sowie „Intelligente Systeme und Maschinelles Lernen“ von Prof. Dr. Eyke Hüllermeier im Projekt vertreten. Weitere Partner sind das Fraunhofer IEM aus Paderborn, das Institut für industrielle Informationstechnik der Technischen Hochschule OWL und das CITEC aus Bielefeld.

Die Erfolg versprechenden Vorschläge werden zum Abschluss des Wettbewerbs im Herbst 2019 prämiert und erhalten die Chance, in der darauffolgenden Umsetzungsphase realisiert zu werden.
Weitere Informationen zum Projekt:
www.ki-marktplatz.com/
Weitere Informationen zum Wettbewerb:
www.digitale-technologien.de/DT/Redaktion/DE/Kurzmeldungen/Aktuelles/2019/DT/2019_01_25_DT_Kuenstliche_Intelligenz.html

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Jeder, der schon einmal einen Begriff gegoogelt hat, kennt es: Rechts neben der Liste der Suchergebnisse erscheint eine kleine Infobox mit kompakten Erstinformationen zum gesuchten Begriff. Hinter der Infobox steckt ein sogenannter „Knowlegde Graph“, ein Datensatz, der mithilfe eines graphbasierten Mechanismus modelliert ist. In dem „Wissensgraphen“ sind Informationen so strukturiert aufgearbeitet, dass aus ihnen Wissen automatisch gewonnen werden kann. Im neuen Forschungsnetzwerk „KnowGraphs“ wollen Wissenschaftler des Instituts für Informatik der Universität Paderborn die Strukturen der Wissensgraphen weiterentwickeln und diese so einem breiteren Nutzerkreis zugänglich machen – Unternehmen, aber auch Privatpersonen.

Bei „KnowGraphs“ arbeiten die Paderborner Wissenschaftler mit Forschungseinrichtungen und Firmen aus Deutschland, Österreich, Griechenland, Italien und den Niederlanden zusammen. Das Projekt startete Anfang Oktober 2019 und hat eine Laufzeit von vier Jahren. Die Europäische Union fördert es im Rahmen des Förderprogramms für Forschung und Innovation „Horizon 2020“ mit rund 3,8 Millionen Euro.

„Der Begriff „Knowledge Graph“ existiert bereits seit den 1980er Jahren. Wissensgraphen werden mittlerweile von großen Tech-Unternehmen wie Google, Microsoft, Ebay und Facebook genutzt“, erklärt Projektleiter Prof. Dr. Axel-Cyrille Ngonga Ngomo. Der Wissenschaftler leitet am Institut für Informatik der Universität Paderborn die Fachgruppe „Data Science“ und arbeitet mit drei Nachwuchswissenschaftlern an „KnowGraphs“. „Bei Amazon etwa werden Wissensgraphen zum Beantworten von Fragen an Alexa genutzt. Facebook wiederum setzt Wissensgraphen bei der Modellierung von Nutzern ein“, führt Ngonga Ngomo aus. Ihre Informationen beziehen diese Unternehmen beispielsweise von offenen Datenquellen wie Wikipedia, aber auch aus unternehmenseigenen Datenquellen.

Mit dem Projekt „KnowGraphs“ wollen die Paderborner Forscher erreichen, dass Wissensgraphen nicht bloß den großen Tech-Unternehmen vorbehalten bleiben. „Wissensgraphen sind ein Schlüsselfaktor für viele Technologien – unter anderem für den Einsatz Künstlicher Intelligenz in der Industrie, in der Biomedizin und in den Wirtschaftswissenschaften. Doch der Aufbau und der Unterhalt der Infrastruktur von Wissensgraphen ist kosten- und personalintensiv“, erläutert Ngonga Ngomo. Um Wissensgraphen einem größeren Nutzerkreis zugänglich machen zu können, sollen ihre Strukturen weiterentwickelt werden. „In unserem Forschungsprojekt wollen wir neue Wissensrepräsentationsparadigmen und neue Extraktions- und Analyseverfahren für Wissensgraphen entwickeln. Außerdem sollen legale Implikationen bei der Nutzung von Wissensgraphen entwickelt werden“, so der Informatiker.

So könnten Wissensgraphen beispielsweise künftig von Unternehmen im Bereich Biomedizin für die schnellere Entwicklung von neuen Wirkstoffen genutzt werden. Privatpersonen wiederum könnte bald ein sogenannter „Personal Knowledge Graph“ zur Verfügung stehen, mit dem sich etwa Suchinhalte dezentral personalisieren lassen.

Mit „KnowGraphs“ wollen die Wissenschaftler um Ngonga Ngomo außerdem einen Beitrag dazu leisten, effizientes erklärbares Maschinelles Lernen für große Datenmengen voranzutreiben. Beim Maschinellen Lernen, einem Teilgebiet von Künstlicher Intelligenz, trifft eine KI auf Basis von Daten Entscheidungen.

Unter der Leitung des KnowGraphs-Konsortiums werden im Projekt insgesamt 15 europäische Nachwuchswissenschaftler forschen. Sie werden im Rahmen der „Marie-Skłodowska-Curie Actions (MSCA)“ gefördert. Die nach der zweifachen Nobelpreisträgerin Marie Curie benannten MSCA sind Teil des EU-Förderprogramms „Horizon 2020“ und sollen die internationale und sektorübergreifende Karriere von jungen Wissenschaftlern unterstützen. Bei „KnowGraphs“ werden sich die Nachwuchsinformatiker beispielsweise in Workshops und „Winter Schools“ vernetzen und neben der Arbeit in ihren Forschungseinrichtungen in Unternehmen den konkreten Einsatz von Wissensgraphen erforschen.

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Ein digitaler Klassenraum soll es jungen Menschen ermöglichen, bei Krankheit und langen Krankenhausaufenthalten nicht den Anschluss zu verlieren und die schulische oder berufliche Ausbildung weiterzuführen. Als Plattform dient dafür der mobile kooperative Schreibtisch „MokoDESK“. Die Fachgruppe „Kontextuelle Informatik“ des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn hat die Software entwickelt, die nun in enger Kooperation mit den Projektpartnern von der coactum GmbH aus Paderborn ausgebaut wurde. Ziel des Forschungsprojekts „Mobile virtuelle Lernräume zur individuellen Unterstützung von jungen Menschen mit schweren Erkrankungen“ (kurz: MoviLe) war es, durch den Einsatz innovativer Medien die Chancengleichheit unter Schüler*innen zu verbessern und Nachteile, die durch das Versäumen von regulären Unterrichtsstunden entstehen, zu reduzieren und auszugleichen. Das dreijährige Projekt wurde im Rahmen des Programms „Erasmus+“ von der Europäischen Union mit ca. 100.000 Euro gefördert.

Bei dem Programm handelt es sich um einen vollständig ausgestatteten virtuellen Lernraum, der online-gestützte Lern- und Arbeitsformen ermöglicht. Eine Besonderheit ist der individuelle Betreuungsprozess: Es können sowohl Einzelakteure als auch Gruppen unterstützt und gefördert werden. Dafür gibt es einen Ort des Austauschs. Die Software fördert ihre Nutzer*innen darin, Kompetenzen zu erwerben, die sonst im Unterricht vermittelt werden und schafft dafür die Atmosphäre eines digitalen Klassenraums, der den Schulalltag abbildet. Durch die Plattform erfolgt eine Dokumentation der Lernfortschritte. Ziel war es, den „MokoDESK“ flexibel und praxisnah zu gestalten, sodass bestmöglich auf die Bedürfnisse der erkrankten Kinder und Jugendlichen eingegangen werden kann. Schon die erste Version des Programms wurde 2014 mit dem E-Learning Award in der Kategorie „Learning Communities“ ausgezeichnet. Nun wurde die Software während der dreijährigen Projektlaufzeit um einige Funktionen erweitert.

„Eine Besonderheit des Projekts war der länderübergreifende, praxisnahe Austausch, der verschiedenste Perspektiven vereint“, erklärt Dr. Harald Selke von der Fachgruppe „Kontextuelle Informatik“ des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn. Beteiligt waren Partner aus Deutschland und Österreich: die Bezirksregierung Detmold, der Landesschulrat für Oberösterreich, das Bildungsnetz Förderung: Individuell e. V., die Pädagogische Hochschule der Diözese Linz sowie Schulen in Bielefeld und Linz. Unter Leitung der v. Bodelschwinghsche Stiftungen Bethel arbeitete das Projektteam in den letzten drei Jahren daran, den „MokoDESK“ weiter auf die Zielgruppe zuzuschneiden. Die Heilstättenschule Linz, die Dothanschule Bielefeld-Bethel, LARS Lernen auf Reisen Schule und die JuLe Internetschule nutzen das Programm bereits. In Zukunft wird der „MokoDESK“ von dem Projektpartner coactum GmbH übernommen, da dieser über die nötigen Kenntnisse und Ressourcen verfügt, um die Software dauerhaft zu managen und fortlaufend zu verbessern. Die Verantwortlichen stehen auch weiterhin in engem Austausch mit Lehrkräften und Nutzer*innen der Software. Unter den Projektpartnern ist bereits ein neues Projekt geplant, das sich in einem ähnlichen Kontext bewegt.

Weitere Informationen unter: www.movile.info

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Vom 16. bis 19. September 2019 fand an der Universität Paderborn die dritte internationale Konferenz zur Mathematikschulbuchforschung und -entwicklung (ICMT3) statt. Fachdidaktiker*innen, Schulbuchentwickler*innen, Mathematiker*innen, Bildungsforscher*innen und Lehrende kamen zusammen, um über die Inhalte, die Nutzung und die Entwicklung von Mathematikbüchern in Schulen und Hochschulen zu diskutieren. Die Tagung wurde von Prof. Dr. Sebastian Rezat und seinem Kollegen Prof. Dr. Mathias Hattermann vom Fachgebiet „Didaktik der Mathematik“ der Universität Paderborn ausgerichtet und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. „Schulbücher leiten weltweit das Lehren und Lernen von Mathematik in allen Bildungsinstitutionen. Sie spielen eine wichtige Rolle in der Definition von Mathematik als Schulfach, nehmen Einfluss auf die Lernprozesse von Schüler*innen und unterstützen die professionelle Entwicklung der Lehrenden“, erklärt Prof. Dr. Sebastian Rezat. Damit sind Mathematikschulbücher die zentralen Instrumente des Wandels und der Innovation im Mathematikunterricht.

Digitalisierung macht auch vor Mathematikbüchern nicht halt

Auch die Schulbuchlandschaft ist aktuell an der Schwelle fundamentalen Wandels. Der gesellschaftliche Megatrend Digitalisierung wirkt sich auch auf Mathematikbücher aus. Die Tagung befasste sich daher in einem Symposium, einem der vier Hauptvorträge und diversen Einzelbeiträgen schwerpunktmäßig mit Fragen zu digitalen und interaktiven Mathematikbüchern. Diskutiert wurde unter anderem die Entwicklung und der Einsatz von E-Books, Assessment Tools und digitalen Lehr- und Lernplattformen im Mathematikunterricht.

„Lehr*innentag“ nahm aktuelle Themen und Trends des Mathematikunterrichts unter die Lupe

Teil der Tagung war am 17. September ein „Lehrer*innenTag“, der unter dem Motto „Vielfalt begegnen - vielfältig gestalten“ stattfand und sich an Lehrer*innen aller Schulstufen und -formen der Region Ostwestfalen-Lippe richtete. In Vorträgen und Workshops wurde unter anderem darüber gesprochen, ob sprachsensibler Mathematikunterricht notwendig ist, wie Grundschüler*innen mit Rechenschwäche individuell gefördert werden können und wie Mathematikbücher auf sprachliche Vielfalt reagieren können.

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