Die Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik vereint drei Institute mit starken MINT-Disziplinen und trägt mit ihrer Forschungsleistung zu allen Profilbereichen der Universität bei. Das Jahr 2021 war geprägt vom weiteren Ausbau der Forschungsschwerpunkte, der stärkeren Vernetzung der Disziplinen und der Vorbereitung auf die Antragstellung für die Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder.
Unter den vielen Einzel- und Verbundforschungsprojekten mit Beteiligung der Fakultät sollen zwei Erfolge exemplarisch genannt werden: Im neu gestarteten SFB/ Transregio 318 arbeiten Wissenschaftler der Universitäten Paderborn und Bielefeld daran, Künstliche Intelligenz begreifbar und erklärbar zu machen. Das Paderborn Center for Parallel Computing (PC2) wurde Gründungsmitglied des Vereins für Nationales Hochleistungsrechnen (HNR), was neben der Finanzierung des neuen Supercomputers Noctua 2 das Hochleistungsrechnen als zukunftsfähiges Forschungsthema an der Universität etabliert.
Nationale und internationale Rankings unterstreichen regelmäßig die Stärke unserer Institute. Im Jahr 2021 hat der Förderatlas der Deutschen Forschungsgemeinschaft bezüglich der Einwerbung von Fördermitteln unsere Ingenieurwissenschaften unter den Top-15 in Deutschland platziert. Im weltweiten Shanghai-Ranking erreichen die Mathematik (Gruppe 201-300) und die Elektro- und Informationstechnik (Gruppe 301-400) hervorragende Positionen.
Im Jahr 2021 wurde die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses an der Universität Paderborn neu ausgerichtet. Auf der Universitätsebene stellt das Jenny Aloni Center for Early-Career Researchers fachübergreifende Informationen sowie Qualifizierungs- und Beratungsangebote bereit. Komplementär dazu wurde auf der Fakultätsebene ein Graduiertenzentrum für die fachspezifische Begleitung des wissenschaftlichen Nachwuchses eingerichtet.
Ich bedanke mich bei allen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern für die engagierten und erfolgreichen Beiträge zur Forschungsstärke der Fakultät.

Prof. Dr. Marco Platzner

Forschungsdekan der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik

Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn untersuchen algorithmische Voreingenommenheit
 

Wenn Menschen argumentieren, kommen nicht selten bewusste oder unbewusste Vorurteile gegenüber Geschlechtern, Ethnizitäten oder anderen Personengruppen zum Tragen. Man spricht vom sogenannten sozialen Bias. Algorithmen, die Sprachdaten im Kontext Künstlicher Intelligenz verarbeiten, können diesen Bias übernehmen und sogar verstärken. Das haben Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn empirisch belegt. In einer Studie haben sie untersucht, welche Arten von Voreingenommenheit in argumentativen Datensätzen enthalten sind. Die Forschung findet im Rahmen des Projekts „Bias von KI-Modellen bei der Informationsbildung" statt, das vom Land NRW seit März 2020 an den Universitäten Paderborn und Bielefeld gefördert wird.

„Anerkannte, wissenschaftlich fundierte Bias-Maße zeigen, dass insbesondere junge männliche Personen mit europäischen Namen häufig positiver dargestellt werden als etwa Menschen mit afroamerikanischen Namen. Das geht aus unseren Daten hervor und ist auf bestimmte Vorurteile zurückzuführen“, erklärt Jun.-Prof. Dr. Henning Wachsmuth vom Paderborner Institut für Informatik. Sein Doktorand Maximilian Spliethöver und er haben für die Studie „Argument from Old Man’s View: Assessing Social Bias in Argumentation" den Best Paper Award des siebten internationalen Workshops zum Thema „Argument Mining“ erhalten, u. a. unterstützt von IBM.

Die Wissenschaftler*innen haben Daten aus Online-Portalen wie Debattier- und Diskussionsforen untersucht. Wachsmuth zufolge legen die Auswertungen u. a. nahe, dass Männer z. B. eher positiv im beruflichen Kontext hervorgehoben werden, während Frauen häufiger in Kombination mit Begriffen aus dem häuslichen Umfeld in Erscheinung treten.

Die Ergebnisse sollen den Grundstein für einen besseren algorithmischen Umgang mit Vorurteilen in argumentativen Kontexten legen. Dazu Wachsmuth: „Unser Projekt ist dadurch motiviert, dass KI-Modelle Datenkorrelationen anstelle tatsächlicher Kausalitäten widerspiegeln. Auch dann, wenn es sich um einen nicht zu rechtfertigenden, nur historisch bedingten Zusammenhang handelt. Beispiele sind eine Vorhersage der Rückfallwahrscheinlichkeit Krimineller auf Basis ihres ethnischen Hintergrunds oder die Empfehlung zur Einstellung einer Person aufgrund ihres Geschlechts. Da KI verstärkt alle Bereiche der Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft durchdringt, kann Bias in KI-Modellen unsere Gesellschaft nachhaltig verändern.“ 

Die Wissenschaftler*innen der beiden Universitäten untersuchen deshalb, wie solche Vorurteile in zugrundeliegenden Daten das Lernen und die Konfiguration von KI-Modellen beeinflussen. Ein Fokus der Paderborner Forschung liegt auf Bias in menschlicher Sprache und dessen Auswirkungen auf die Meinungsbildung, zum Beispiel in sozialen Medien. Ziel ist es dabei nicht nur, das Phänomen zu erkennen, sondern auch die Auswirkungen auf KI-Modelle zu minimieren, insbesondere auf diejenigen zur automatischen Sprachverarbeitung.
Weitere Informationen: 
http://argmining2020.i3s.unice.fr

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Die Anwendungsbereiche von Servicerobotern sind vielfältig. Vor allem in der Logistik, in der Pflege, im Gesundheitswesen oder auch in der Montageunterstützung gibt es eine Vielzahl von Anwendungsfällen. Eine unzureichende Kompatibilität von Komponenten und ein unübersichtlicher Markt sorgen bei der Entwicklung entsprechender Soft- und Hardware allerdings für überproportional hohe Kosten. Im Verbundprojekt „Servicerobotik-Netzwerk“ (SeRoNet) arbeiteten Wissenschaftler*innen des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn gemeinsam mit weiteren Partner*innen daran, den gesamten Entwicklungsprozess zu vereinfachen und damit günstigere Robotersysteme zu ermöglichen. Im Zuge des Projekts ist eine Plattform gestartet, auf der Unternehmen sich vernetzen und gemeinsam an Problemlösungen arbeiten konnten. Auf robot.one und xito.one sollen zukünftig Hard- und Software-Hersteller Komponenten für die Servicerobotik kooperativ entwickeln und mit allen relevanten Akteuren der Branche in Kontakt treten können. SeRoNet wurde seit März 2017 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit rund 6,5 Millionen Euro gefördert. Anfang Februar 2021 wurde es verlängert und lief dann bis November 2021.

Mit insgesamt zwei Open Calls wurden interessierte Unternehmen dazu aufgerufen, sich um eine Teilnahme zu bewerben. Mit der Online-Plattform schafften die Projektpartner unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA ein Ökosystem, in dem Anwender, Systemdienstleister und Komponentenhersteller miteinander interagieren konnten. Das sollte zum einen eine bessere Kompatibilität und Wiederverwendbarkeit von Komponenten fördern und zum anderen einen Marktplatz schaffen, auf dem Ressourcen gebündelt werden, die wiederum zu kostengünstigeren Robotersystemen führen. Zur Teilnahme aufgerufen waren insbesondere Anbieter von breit einsetzbaren Softwarekomponenten für Serviceroboter- und Automatisierungslösungen, um ihre bereits existierenden Produkte in das technische Rahmenwerk von SeRoNet zu integrieren. Auch Hardwarehersteller, die Treiber für ihre Hardware auf der Plattform einstellen möchten, konnten sich auf der Plattform registrieren.

Unter der Integration in das Rahmenwerk von SeRoNet wird verstanden, dass Hersteller die äußeren Kommunikationseigenschaften ihrer Komponenten SeRoNet-konform gestalten und ihre Funktionslogik in ein Schnittstellengerüst einpassen. Ein breiter Katalog definierter Kommunikationsmuster, Schnittstellen und Datentypen garantiert, dass Komponenten, die semantisch gleiche Daten nutzen, problemlos zusammenarbeiten können. So sollen komplette Serviceroboter- oder Automatisierungssysteme virtuell aus SeRoNet-Komponenten zusammengesetzt und vor der erstmaligen Ausführung modellbasiert auf Ausführbarkeit geprüft werden können.

Die Fachgruppe Advanced Systems Engineering der Universität Paderborn ist federführend für die Geschäftsmodellentwicklung verantwortlich. Dieses beinhaltet die Modellierung des Wertschöpfungsnetzwerks, die Identifikation des Nutzenversprechens für alle Akteure auf der Plattform, das Geschäftsmodell und die Planung von Maßnahmen für den Marktangang der Plattform. Koordiniert wird SeRoNet vom Fraunhofer IPA in Stuttgart.
Weitere Informationen: www.seronet-projekt.de

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Seit zwei Jahren arbeiteten Wissenschaftler*innen des Heinz Nixdorf Instituts der Universität Paderborn mit Partnern aus Industrie und Forschung an einem neuartigen Verfahren zur strategischen Produktplanung auf Basis von Produktnutzungsdaten. Im Verbundprojekt „DizRuPt – Datengestützte Retrofit- und Generationenplanung im Maschinen- und Anlagenbau“ untersuchten sie, wie Unternehmen durch eine kluge Datenanalyse dabei unterstützt werden können, Verbesserungspotentiale für die nächste Produktgeneration oder bereits im Betrieb befindliche Produkte zu identifizieren. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ für drei Jahre gefördert. Im Rahmen eines digitalen Meilensteintreffens zogen die Beteiligten nun eine positive Zwischenbilanz.
Produkte und Anwendungen fast aller Lebensbereiche sammeln und generieren während ihrer Nutzungszeit immer mehr Daten. „Aus unserem Alltag kennen wir diese Datensammlung und -analyse beispielsweise von den sozialen Medien“, erläutert Maurice Meyer, Wissenschaftler der von Prof. Dr.-Ing. Roman Dumitrescu geleiteten Fachgruppe „Advanced Systems Engineering“ am Heinz Nixdorf Institut. „Das Verhalten der Nutzer*innen wird auf einer Plattform wie Facebook genau analysiert. Die dabei anfallenden Daten werden kontinuierlich ausgewertet, um den Nutzer*innen ein besseres Produkt zu bieten – in Form von individualisierter Werbung oder passgenauen Vorschlägen für interessante Seiten.“ Ähnliche Potentiale existieren im Maschinen- und Anlagenbau, denn Maschinen und Anlagen werden immer intelligenter. Dadurch generieren und sammeln sie fortlaufend größere Mengen an Daten im laufenden Betrieb bei den Kunden. „Wir arbeiten an Methoden und Hilfsmitteln zur Analyse und Nutzung dieser Daten, damit die Hersteller der Maschinen und Anlagen sie zur langfristigen Verbesserung ihrer Produkte einsetzen können“, erklärt Meyer. Mit den gesammelten Daten könne zum einen das Verhalten und die Leistung der Maschinen und Anlagen im Betrieb besser ausgewertet und optimiert werden. Zum anderen soll die Datenanalyse dabei helfen, das Verhalten und die Erwartungen der Kund*innen optimal zu verstehen, um diesen in Zukunft besser gerecht werden zu können. „In der heutigen Zeit verlangen Kund*innen individuell zugeschnittene Produkte. Die Analyse der Daten aus dem Betrieb stellt die Grundlage für die Entwicklung solcher Produkte dar. Das Projekt DizRuPt adressiert damit neben der Digitalisierung einen weiteren Megatrend“, so Meyer.

Bei dem digitalen Meilensteintreffen im März 2021 konnten die Projektpartner bereits zahlreiche Ergebnisse präsentieren. Darüber hinaus diskutierten sie offene Fragen und Risiken, die sie in Zukunft intensiv bearbeitet wollen. Ein kritischer Aspekt sei die Verfügbarmachung der Daten. Viele Unternehmen scheuten die Freigabe ihrer Nutzungsdaten an den Hersteller, da diese mitunter vertrauliche Informationen über den eigenen Produktionsprozess beinhalten. „Ein Ziel für die Zukunft ist es, ein stimmiges Gesamtkonzept zu entwickeln. Über die einzelnen Bestandteile und Vorgehensweisen verfügen wir. Diese wollen wir so optimieren, dass alles ineinandergreift und einfach anzuwenden ist“, erklärt Meyer. Ein wichtiges Anliegen sei außerdem die Praxisrelevanz. Die entwickelten Methoden und Hilfsmittel sollen auch für kleinere Unternehmen ohne umfangreiche Vorkenntnisse in der Analyse von Nutzungsdaten anwendbar sein. 
 
Weitere Informationen unter: 
www.dizrupt.de

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Universität Paderborn hat Atos beauftragt mit Bau eines neuen Supercomputers

140.000 Prozessorkerne, Hightech der allerneuesten Generation und dabei so kompakt wie ein Squash-Court: Die Universität Paderborn hat einen neuen Supercomputer bekommen. „Noctua 2“, so der Projektname der zweiten Ausbaustufe des 2018 installierten „Noctua“, wurde vom Marktführer Atos gebaut und ist bereits Ende 2021 installiert worden. Der Rechner mit einem Gesamtfinanzierungsvolumen von mehr als 14 Millionen Euro ist der erste Supercomputer, der im neuen HPC-Rechenzentrum (High Perfomance Computing) des Paderborn Center for Parallel Computing (PC²) Einzug erhalten hat. Das HPC-System wird zur Hälfte über das Land Nordrhein-Westfalen und den Bund im Forschungsbauten-Programm und über Investitionsmittel im Rahmen des neu gegründeten Verbundes der Nationalen Hochleistungsrechenzentren (NHR) finanziert, in den die Universität Paderborn Anfang 2021 aufgenommen wurde.

Atos hat Noctua 2, der vom PC² betrieben wird, geliefert, aufgebaut und installiert und übernimmt außerdem die Wartung des Systems für die nächsten fünf Jahre. Das PC² verfügt über umfangreiche Erfahrungen mit dem Betrieb von massiv-parallelen Rechnersystemen und High Performance Computing (HPC). Wissenschaftler*innen erforschen dort schon seit vielen Jahren die effiziente Nutzung von Supercomputern und betreiben Hochleistungsrechnersysteme zur Versorgung von Wissenschaftlern der gesamten Hochschulregion Ostwestfalen-Lippe und bundesweit im Rahmen des NHR-Verbundes. „Mit Atos haben wir einen branchenführenden Partner an unserer Seite. Das Paderborner Center für Paralleles Rechnen bietet Spitzenforscherinnen und -forschern Zugang zu modernsten Rechenkapazitäten. Um hier den nächsten Schritt in Richtung Zukunftssicherheit zu gehen, benötigen wir erfahrene Experten, die uns beim Aufbau und Betrieb von energieeffizienten HPC-Systemen unterstützen. Atos hat uns mit der jahrzehntelangen Erfahrung überzeugt”, sagte Prof. Dr. Christian Plessl von der Universität Paderborn, Vorstandsvorsitzender des PC².
 
Das neue System von Atos weist vor allem dank der Free-Cooling-Fähigkeiten des BullSequana XH2000 sehr niedrige Gesamtbetriebskosten auf. Das patentierte Direct Liquid Cooling (DLC)-Verfahren nutzt zu 100 Prozent Warmwasser und verbraucht damit weniger Energie als vergleichbare Systeme und verringert den gesamten Energieverbrauch, was einen energieeffizienten Betrieb der Hochleistungssysteme für die Universität bedeutet. Durch den Einsatz der „State-of-the-Art“-Technologie von Atos schafft die Universität Paderborn die notwendige Basis für eine qualitativ hochwertige, zeitnahe sowie flexible Datenauswertung. Der Einsatz innovativer Technologien bedeutet außerdem eine langfristige Investitionssicherheit für die Universität und deckt das größtmögliche Spektrum an Anwendungen ab – z. B. aufwendige Simulationen für die Physik und die Chemie oder maschinelles Lernen, die alle eine enorme Rechenleistung benötigen.

„Modernste Technologien und eine erstklassige IT-Ausstattung stellen für viele wissenschaftliche Untersuchungen die Basis dar. Deshalb freuen wir uns sehr, mit Noctua 2 noch bessere Rahmenbedingungen für die nationale und internationale Spitzenforschung schaffen zu können“, freute sich Prof. Dr. Birgitt Riegraf, Präsidentin der Universität Paderborn. 

„Als der führende europäische Anbieter im Bereich Supercomputing hat Atos die besten Voraussetzungen, um die Universität Paderborn und ihre Forschung technologisch hervorragend auszustatten. Wir freuen uns, dass wir die Ausschreibung für uns entscheiden konnten und werden der Universität Paderborn die moderne, hochverfügbare und flexible Supercomputing-Infrastruktur zur Verfügung stellen und über Jahre betreuen, welche eine herausragende Wissenschaft und Forschung benötigt”, sagte Dr. Martin Matzke, Head of Big Data & Security Atos Zentraleuropa.

„Um die bestmögliche Qualität für wissenschaftliche Simulationen und Datenauswertung zu gewährleisten und die Universität Paderborn auch weiterhin zukunftssicher aufzustellen, ist eine moderne IT-Infrastruktur unerlässlich. Gleichzeitig muss beim Betrieb dieser modernen Anlagen auf die Wirtschaftlichkeit geachtet werden. Dazu gehören insbesondere der Stromverbrauch und die Kühlung“, sagte Simone Probst, Vizepräsidentin für Wirtschafts- und Personalverwaltung an der Universität Paderborn. Die Herausforderung bestand darin, die optimale Kombination aus bestem Angebot bei Performance und Funktionalität, möglichst niedrigen Gesamtbetriebskosten – insbesondere bei der Energieeffizienz sowie der Warmwasserkühlung –, der Konfiguration verschiedener Knoten (Rechenknoten, FPGA-Knoten, Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, paralleles Speichersystem) und einer geeigneten Funktionalität des Clustermanagementsystems (Benutzerumgebung) zu finden.

Dr. Jens Simon, Betriebsleiter des PC², blickte mit Vorfreude auf die Installation des neuen Rechners: „Mit mehr als 140.000 Prozessorkernen der neuesten AMD Milan 7763 CPU-Generation und besonders leistungsfähigen Nvidia A100-40 GPU-Beschleunigern stoßen wir in eine völlig neue Dimension der Rechenleistung vor. Dadurch steht unseren Nutzer*innen ein sehr leistungsfähiges Forschungsgroßgerät mit modernsten Technologien zur Verfügung.“
 

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Paderborner Informatikerin Prof. Dr. Patricia Arias-Cabarcos erforscht menschenzentrierte Lösungen für verbesserte Sicherheitstechnologien

Angespannt bis kritisch: So stufte das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) die IT-Sicherheitslage in Deutschland in seinem jüngsten Jahresbericht ein. Durch neue Schadsoftware-Varianten, vermehrte cyber-kriminelle Erpressungsmethoden und gezielte Angriffe auf elementare Bereiche wie die medizinische Versorgung wächst die Bedrohungslage. Ende 2021 hat das BSI wegen einer Sicherheitslücke im Umfeld der weit verbreiteten Programmiersprache Java sogar die Warnstufe Rot ausgesprochen. Gefragt sind moderne IT-Sicherheitsstrategien. Doch neueste Technik allein reicht nicht aus, sagte Prof. Dr. Patricia Arias-Cabarcos, die seit Oktober 2021 den Lehrstuhl für IT-Sicherheit an der Universität Paderborn inne hat. Die Wissenschaftlerin rückt den Menschen auch in der digitalen Welt in den Fokus. Am Institut für Informatik erforscht sie, wie sich der aktuelle Stand der Cybersicherheit durch menschenzentrierte Lösungen verbessern lässt. Arias-Cabarcos Vision: Alle Menschen sollen die Möglichkeit haben, ein sicheres digitales Leben zu führen, ohne über tiefgreifende technische Kenntnisse zu verfügen.

Der Mensch – Teil des Problems oder Teil der Lösung?

„Unsere Gesellschaft stützt sich mehr und mehr auf digitale Infrastrukturen und Dienste. Wir führen unser Leben zunehmend online. Dieses hohe Maß an Vernetzung vergrößert das Risiko und die Möglichkeiten für Angriffe“, so Arias-Cabarcos. Schutz bieten verschiedene präventive Maßnahmen. Doch: „Wenn Sicherheitstechnologien zu kompliziert sind, nutzen die Menschen sie nicht“, so die IT-Sicherheitsexpertin. Dabei machen zahlreiche Bedrohungen deutlich, welche Reichweite Cyber-Angriffe in einer global vernetzten Welt haben können. „Da wir heute kritische Infrastrukturen mit dem Internet verbunden haben, vergrößern sich die Auswirkungen und der potenzielle Schaden von Angriffen. Diese können Einzelpersonen treffen, aber auch die Produktion in einer Fabrik stören oder den Betrieb eines Krankenhauses beeinträchtigen, was erhebliche Folgen für das Leben der Menschen, die Wirtschaft und die Gesellschaft hat“, betonte die Wissenschaftlerin. Damit effektive Sicherheitstechnologien nicht nur von Expert*innen entwickelt, sondern von der Mehrheit der Nutzer*innen auch angewendet werden, konzentriert sich die Paderborner Informatikerin in ihrer Forschung darauf, sowohl technische als auch menschliche Aspekte zu berücksichtigen. Arias-Cabarcos arbeitet daran, benutzerfreundliche Cybersicherheitslösungen zu entwickeln, die verständlich, einfach handzuhaben und datenschutzfreundlich sind. Grundlegend für ihre Forschung ist deshalb die interdisziplinäre Zusammenarbeit und Kombination von Methoden aus der Informatik, der Mensch-Computer-Interaktion, der Psychologie sowie der Soziologie.

Coronapandemie: Katalysator für Digitalisierung und Cyberattacken

Die verschärfte Gefährdungslage im Netz verdeutlicht, wie wichtig das Thema IT-Sicherheit aktuell ist. „Durch die Pandemie und den Übergang zum Online-Unterricht und zum Homeoffice wurde in vielen Bereichen ein radikaler Wandel herbeigeführt“, so Arias-Cabarcos. Die Verlagerung vieler Lebensbereiche in den digitalen Raum bedeutet für Cyber-Kriminelle neue Gelegenheiten: „Ungeschulte Nutzer mussten mit einer manchmal schlecht gesicherten Technologie umgehen. Auch durch die Notwendigkeit, sich Tools wie Videokonferenzdienste oder Virtual Private Networks (VPN) schnell anzueignen, sowie durch die Vermischung von Privat- und Berufsleben hat die Zahl der Cybervorfälle stark zugenommen – insbesondere durch Malware, also Schadprogramme, die unerwünschte und meist schädliche Funktionen auf einem IT-System ausführen, ohne dass der Nutzer es merkt, sowie sogenannte Phishing-Techniken zum Diebstahl von Nutzerdaten“, erklärt Arias-Cabarcos. Sie betonte: „Jedes Digitalisierungsprojekt muss der Sicherheit Priorität einräumen und technische, organisatorische sowie auf den Menschen bezogene Maßnahmen nicht nur zu Beginn, sondern auch während des gesamten Lebenszyklus einbeziehen, denn Sicherheit ist ein sich ständig veränderndes Ziel.“

Sicherheitslücken schließen

Arias-Cabarcos möchte das Bewusstsein der Nutzer*innen schärfen und ihnen eine leichte Kontrolle darüber ermöglichen, welche Informationen sie weitergeben wollen. Derzeit arbeitet sie mit ihrem Team daran, Technologien zur Verbesserung der Transparenz zu entwickeln. Beispielsweise sollen Visualisierungswerkzeuge dabei helfen, zu verstehen, wie Dritte unsere Daten sammeln, um detaillierte Profile über uns zu erstellen, während wir Anwendungen und Dienste online nutzen. Außerdem erforscht Arias-Cabarcos benutzerfreundliche Authentifizierungsmöglichkeiten. Mit verschiedenen Partner*innen untersuchte sie u. a., wie sich Nutzer*innen zukünftig anstelle von Passwörtern mithilfe von Gehirnströmen über tragbare Geräte identifizieren können oder wie Smartphone-Passwortmanager als Hilfsmittel beim täglichen Zugang zu Online-Diensten angenommen und verbessert werden können.

„Zwar wird der Mensch häufig als das schwächste Glied in der Kette der Cybersicherheit betrachtet, doch in Wahrheit kann jede schwache Komponente wie ein schlecht gesichertes Gerät oder eine mangelhafte Sicherheitsrichtlinie ein Einfallstor für einen Angriff sein. Wirksame Maßnahmen sollten daher den Schutz aller Elemente berücksichtigen und anpassungsfähig sein, um im Falle eines Angriffs reagieren zu können“, so Arias-Cabarcos.

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Software-Programmierung ohne IT-Fachkenntnisse

Um passgenaue Lösungen zur Digitalisierung, Automatisierung und Optimierung von Prozessen in Unternehmensabteilungen zu entwickeln, werden im Regelfall Programmierkenntnisse und dementsprechend IT-Fachkräfte benötigt, die jedoch nicht jedem Unternehmen direkt zur Verfügung stehen. Eine Alternative bieten sogenannte Low-Code-Plattformen, die es erlauben, Softwareanwendungen ohne fortgeschrittene Programmierkenntnisse zu erstellen. An einer solchen Lösung arbeitete auch das Konsortium des vom Land NRW geförderten it‘s OWL-Projektes „Entwicklung und Umsetzung eines ganzheitlichen Ansatzes zur Digitalisierung von Prozessen in Industriebetrieben mittels Low-Code-Software“ (Pro-LowCode), das Anfang März 2021 mit einer Laufzeit von zwei Jahren gestartet ist.
Gemeinsam mit der Technischen Hochschule (TH) OWL Lemgo, der S&N Invent GmbH, der HOMAG Kantentechnik GmbH und der DENIOS AG sowie den assoziierten Partnern BarSys – Bartels Systembeschläge GmbH und ISRINGHAUSEN GmbH & Co. KG möchte der SICP – Software Innovation Campus Paderborn technische, organisatorische und personelle Voraussetzungen für eine Anwendung von Low-Code-Plattformen in Industriebetrieben aufzeigen. Darüber hinaus soll ein methodisches und softwaretechnisches Rahmenwerk entwickelt werden, welches anschließend prototypisch bei den Partnerunternehmen im produktiven Betrieb demonstriert wird.

Aufgrund der Digitalisierung und Optimierung von Prozessen besteht in Unternehmen ein steigender Bedarf an betriebsspezifischen Softwareanwendungen. Hier stehen die Unternehmen jedoch vor einer Herausforderung: Um in einer Standardsoftware unterschiedliche Nutzeranforderungen zu berücksichtigen, muss diese durch IT-Fachkräfte regelmäßig angepasst werden, um sie für verschiedene Anwendungsfälle einsetzbar zu machen. Doch an IT-Fachkräften mangelt es in Unternehmen und die bestehenden IT-Abteilungen sind meist in hohem Maße ausgelastet. Zudem ist eine solche Lösung meist kostenintensiv und mit langen Bereitstellungszeiten verbunden.

Programmieren mithilfe von Softwarebausteinen

„Low-Code-Plattformen bieten großes Potenzial. Durch sie ist es möglich, Softwareanwendungen ohne erweiterte Programmierkenntnisse mithilfe einer grafischen Benutzeroberfläche zu erstellen. Dazu müssen vorgefertigte Softwarebausteine, wie nach dem Baukastenprinzip, lediglich durch eine*n Fachexpert*in zusammengestellt werden. Anschließend wird der Code automatisch im Hintergrund erzeugt. Diese Lösung gestattet es Mitarbeitenden in Abteilungen, die die Prozessanforderungen innerhalb des Unternehmens am besten kennen, an der Softwareentwicklung mitzuwirken. Dadurch können nicht nur Kosten eingespart, sondern es kann auch der Entwicklungszyklus verkürzt werden“, erklärt Nils Weidmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter im SICP.

Hindernisse in der Anwendung von Low Code

Doch auch wenn Low-Code-Programmierung viele Vorteile bietet, gibt es bislang noch verschiedene Hindernisse bei der Anwendung. So sind die Low-Code-Plattformen in vielen Anwendungsunternehmen bislang weitgehend unbekannt und die Anwendungsmöglichkeiten sowie -grenzen solcher Plattformen in einem zu geringen Maße erforscht worden – dies insbesondere in industrieller Anwendung. Zudem fehlt für potenzielle Anwender*innen die Transparenz, welche Plattform für welche Anwendungsfälle geeignet ist. Eine weitere Fragestellung besteht darin, wie die mittels Low Code entwickelten Programme in die bestehenden IT-Systeme integriert werden sollen.

Pro-LowCode

An diesem Punkt setzt das Projekt Pro-LowCode an: „Unser Projekt hat zwei große Ziele: Auf der einen Seite sollen die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Low-Code-Plattformen sowie deren technische, organisatorische und personelle Voraussetzungen für eine Anwendung in mittelständischen Industriebetrieben aufgezeigt werden. Auf der anderen Seite wird ein methodisches und softwaretechnisches Rahmenwerk für die Low-Code-Entwicklung in industriellen Anwendungsfeldern entwickelt, welches die Einführung der Low-Code-Entwicklung in Betrieben unterstützen soll. Damit wird eine schnelle Integration eines Low-Code-Programms in bestehende IT-Systeme und Anwendungslandschaften ermöglicht“, erläutert Dr. Stefan Sauer, Projektleiter im SICP.

Um die organisatorisch-personellen Voraussetzungen für die Nutzung von Low-Code-Plattformen zu schaffen, entwickelten die Wissenschaftler*innen gemeinsam mit Expert*innen aus den beteiligten Industrie-Unternehmen einen Leitfaden und einen Quick-Check, welche die Betriebe beim Einsatz von Low-Code-Programmierung und der Auswahl der richtigen Low-Code-Plattform methodisch unterstützen. Darüber hinaus sollen auch Fallstudien entwickelt und publiziert werden, in denen gelungene Low-Code-Lösungen aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen beschrieben werden. Ein „Open Call“ wird es weiteren Unternehmen ermöglichen, sich schon während der Projektlaufzeit an der Erprobung der Lösungen in ihrem Anwendungskontext zu beteiligen, um Einsatzpotenziale zu analysieren.

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Seit Oktober 2020 ist das Institut für Elektrotechnik um ein Fachgebiet reicher. Mit seiner Forschung im Gebiet der Energiesystemtechnik (EST) verstärkt Prof. Dr.-Ing. Henning Meschede die Professorenschaft des Instituts. Die Erforschung und Entwicklung dezentraler, nachhaltiger Energieerzeugung und -verteilung sowie der Analyse des Energiebedarfs setzt neue Schwerpunkte in Forschung und Lehre der Elektrotechnik. Aber nicht nur dort, denn Professor Meschede setzt auf den interdisziplinären Ansatz, besonders an den Schnittstellen zu Maschinenbau und Informatik sowie Natur-, Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaften.

„Den besonderen Akzent des Fachgebietes sehe ich vor allem in der Erforschung regionaler erneuerbarer Energiesysteme, industrieller und gewerblicher Sektorenkopplungskonzepte und den Datenanalysen im Kontext erneuerbarer Energiesysteme“ so Professor Meschede, der sich freut, in Paderborn seinen neuen Wirkungskreis aufbauen zu können.

Mit dem neuen Lehrangebot des Fachgebietes sollen vor allem Vorlesungen und Übungen zu den Bereichen Energiesystemtechnik und Energieeffizienz abgedeckt werden. Aufgrund der interdisziplinären Ausrichtung des Fachbereichs EST steht das Lehrangebot sowohl für Studierende der Fakultät Elektrotechnik, Informatik und Mathematik (EIM) als auch für Studierende der Fakultät Maschinenbau offen.

„Bereits im Sommersemester 2021 bieten wir die Veranstaltungen Energiesystemtechnik, Energieeffizienz in der Industrie, Energiesystemtechnik und Abwärmenutzung und Prozessintegration an. Das Angebot richtet sich dabei nicht nur an Studierende der Fakultät EIM, sondern steht auch Studierenden der Fakultät Maschinenbau offen.“
Professor Meschede promovierte und forschte an der Universität Kassel, an der er bereits die Koordination von Forschungskooperationen mit Unternehmen aus dem Energiesektor sowie die Leitung von Forschungsarbeiten im Bereich der Energiedaten verantwortete. Nach beruflichen Aufenthalten in der Energiewirtschaft folgte er dem Ruf an die Universität Paderborn.

„Mit der Professur nehmen wir Bezug auf die aktuellen gesellschaftlichen Herausforderungen, die es zu lösen gilt. In fast allen Fällen ist die Elektrotechnik an der Lösung beteiligt. Wer hier seine berufliche Zukunft sieht und an Innovationen, die diese Gesellschaft voranbringen interessiert ist, der ist in unserem Institut gut aufgehoben. Mit Professor Meschede haben wir einen jungen, hochmotivierten Kollegen berufen können, der sich mit seiner Gestaltungskraft voll einbringen wird“, so Professor Jens Förstner, Institutsleiter der Elektrotechnik.

Die Professur ist eine auf zunächst fünf Jahre ausgerichtete Stiftungsprofessur der WestfalenWIND GmbH. Das KET (Kompetenzzentrum für Nachhaltige Energietechnik) freute sich ebenfalls, Herrn Meschede als neues professorales Mitglied begrüßen zu können.

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Das Institut für Informatik hat seit dem Sommersemester 2021 eine neue Juniorprofessur in seinen Reihen. Jun.-Prof. Dr. Sebastian Peitz, der seit 2013 Geschäftsführer des Instituts für Industriemathematik hier an der Universität Paderborn war, hat nun die Juniorprofessur im Bereich Data Science for Engineering angenommen.

Der Wechsel in die Informatik war für Jun.-Prof. Dr. Sebastian Peitz bereits die dritte Fachdisziplin in seinem wissenschaftlichen Werdegang. Zuvor hat er im Maschinenbau sein Masterstudium absolviert, um später in der Mathematik zu promovieren. „Ursprünglich habe ich Maschinenbau studiert, weil ich großes Interesse an erneuerbaren Energien hatte – besonders der Windenergie. Ich habe dann aber schon im Studium gemerkt, dass mich die wissenschaftlichen Grundlagen ganz besonders interessieren.“, so Herr Peitz zu seinem Werdegang.

Nun forscht er im Bereich Data Science mit dem Fokus auf Optimierungs- und Effizienzstrategien für ingenieurwissenschaftliche Anwendungen. Er selbst bezeichnet sich als anwendungsorientierten Mathematiker, der durch seine Erfahrungen aus dem Maschinenbau zusätzlich von einem intuitiven Problemverständnis profitieren kann. In den letzten Jahren habe er sich verstärkt mit der Entwicklung datenbasierter Methoden befasst, welche auch in technischen Systemen eine immer größere Bedeutung haben. An dem Wechsel in die Informatik fasziniert ihn daher ganz besonders, einen noch größeren Fokus auf Data Science legen zu können. „An meinem Job mag ich vor allem die große Abwechslung. Paderborn bietet gute Möglichkeiten für interdisziplinäre Projekte und Forschungen und die Kolleg*innen hier sind immer offen für neue, gemeinsame Projekte.“ Das sei auch ein wichtiger Grund gewesen, warum Jun.-Prof. Dr. Sebastian Peitz weiterhin hier an der Universität Paderborn bleiben wollte.

Im Sommersemester 2021 hat der Schwerpunkt seiner Arbeit vor allem in der Lehre gelegen. Für Bachelorstudierende gab es ein Seminar zum Thema „Ausgewählte Themen in der kontinuierlichen und kombinatorischen Optimierung“. Informatikstudierende im Master konnten sich auf das Seminar „Data-driven modeling of complex systems“ freuen. „Ich persönlich habe die Erfahrung gemacht, dass es häufig gut ist, sich auch über die Grenzen des eigenen Studienplans hinaus zu interessieren. Erst dann merkt man, dass es Anknüpfungsmöglichkeiten in viele Richtungen gibt.“, so Jun.-Prof. Dr. Peitz.

Doch auch laufende und geplante Forschungsprojekte haben ihn im Sommersemester begleitet. Zum einen forschte er im Rahmen eines gemeinsamen Projekts mit der dSPACE GmbH im Bereich autonomes Fahren mit dem Ziel, den Entwicklungs- und Testprozess effizienter zu gestalten. Zum anderen behandelte er in einem laufenden DFG-Projekt die Entwicklung von Lösungsalgorithmen für nicht-glatte Mehrzieloptimierungsprobleme.

Der Wechsel in die Informatik eröffnete Jun.-Prof. Dr. Sebastian Peitz nochmals neue Möglichkeiten, sich Problemen aus einer anderen Perspektive zu nähern. Für ihn sei es dabei besonders wichtig, komplexe Systeme aus verschiedenen technischen Bereichen zu betrachten, was häufig in interessanten Forschungsfragen mündet.

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Specialized in algorithmic game theory, Jun.-Prof Dr. Polevoy was teaching a course “Efficiency in games” in the 2021 summer semester. Having spent and researched many years in different countries, Jun.-Prof. Dr. Polevoy brings a high amount of knowledge and experience to the table.

Originally from Ukraine, he moved to Israel and completed his bachelor’s and master’s degrees at the Technion (IIT). He then did his PhD at Delft University of Technology in the Netherlands in 2012, which he defended in December 2016. He was a postdoc at the University of Amsterdam and then obtained a scholarship which allowed him to work for a year at the University of Warsaw, Poland. Now, he has been to Germany for almost two years and has been working in the research area of algorithmic game theory.

He is very grateful for the different viewpoints and approaches, which he was able to experience. Those varied perspectives, which he gained over the past few years, have contributed to his development as a researcher. “Over the past few years, I’ve met some very inspiring people. That increased my motivation to continue in the fields of science and research even further. […] Moving from one country to another was not my main intent but it definitely gave me some more viewpoints. […] In general, I think that witnessing various working styles definitely enriches you.”, said Jun.-Prof Dr. Polevoy.

In terms of research, he has dealt primarily with approximation algorithms and non-cooperated game theory in the past. For the upcoming time though, he is going to expand his spectrum to cooperative game theory and mechanism design as well. „I do like understanding people through math. The fact that we can, given some experimental data, predict what people will do and maybe even suggest some improvement, is definitely something that I like a lot about game theory.”

Having spent his time in Paderborn mostly in home office due to Covid 19, he was looking forward to the end of the pandemic. He mentions that “It would be nice to be able to meet people in person. I am very open for cooperation and hoping to work with as many people as possible here in Paderborn.”, Jun.-Prof Dr. Polevoy stated.

He focused a lot on teaching in the 2021 summer semester and was hoping that as many students as possible participated in his lectures and were open minded about game theory in general. “It’s not only for students who are into social science or economics. Being a more theoretical scientist, I’m also going to focus a lot on the theoretical and mathematic aspects of it. It’s basically a mathematical take on social science.”

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Universität Paderborn erhält Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft

Quantentechnologien stehen weltweit im Mittelpunkt der Forschung. Zugrundeliegende Phänomene, die bei der bildgebenden Forschung für die wissenschaftliche Erschließung von Quantenkommunikationssystemen zum Einsatz kommen, sind dabei unerlässlich. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat Ende 2021 zwei Großgeräteinitiativen (GGI) beschlossen, die sich mit solchen Anwendungen befassen. In der GGI „Testumgebungen für Quantenkommunikation“ (QCDE) fördert sie bundesweit vier Anträge. Eines der Vorhaben wird federführend von Prof. Dr. Klaus Jöns von der Universität Paderborn durchgeführt. Das Forschungsprojekt „Photonic Quantum Systems Network - PhoQSNET“ wird mit rund zwei Millionen Euro für die Dauer von fünf Jahren gefördert.
Bisher werden Ansätze im Bereich der Quantenkommunikation hauptsächlich mithilfe hochspezialisierter Laboraufbauten entwickelt. Die GGI QCDE soll nun ein erster Schritt hin zur Standardisierung von Quellen, Transmission und Detektion sein, damit auf dieser Basis Kommunikationsprotokolle und mögliche Anwendungen erforscht werden können, teilte die DFG mit. Bei der Initiative werden aufwändige Großgeräte mit herausragender, innovativer Technik und dem Ziel der Bearbeitung von speziellen wissenschaftlichen Fragestellungen gefördert.
Das Ziel von PhoQSNet besteht darin, eine Forschungsinfrastruktur für die Quantenkommunikation in einer realen städtischen Umgebung zu verwirklichen. Dafür wird ein Drei-Knoten Quantennetzwerk zwischen zwei Unigebäuden auf dem Campus und einem auf dem Heinz-Nixdorf Campus in Paderborn aufgebaut. „Unsere Vision ist ein additives, skalierbares Netzwerk, das auf der bestehenden Telekommunikationsinfrastruktur aufbaut und dessen Knotenpunkte eine standardisierte, modulare Toolbox mit den notwendigen Komponenten zur Implementierung einer Vielzahl von Quantenkommunikationsprotokollen umfassen“, erklärte Jöns. Bei diesen Komponenten handelt es sich um Quantenlichtquellen (einzelne Photonen, verschränkte Photonen und gequetschte Zustände), Modulatoren (Phase, Polarisation) und Detektoren (Einzelphotonenzähler, Homodyn-Detektoren). Die Protokolle selbst werden Gegenstand laufender und künftiger Projekte innerhalb des neu gegründeten interdisziplinären Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) in Paderborn sein. Die Module müssen daher den höchsten Anforderungen genügen, um die komplexen physikalischen Prozesse zu ermöglichen: „Das bedeutet eine Maximierung der Gesamteffizienz und Minimierung des Rauschens. Darüber hinaus müssen sie auch den Anforderungen der realen Welt gerecht werden, d. h. einen geringen Platzbedarf, minimalen Betriebsaufwand und langfristige Stabilität aufweisen“, so Jöns.
Aus der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik sind Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt als einer der Hauptantragsteller und darüber hinaus Prof. Dr. Johannes Blömer, Prof. Dr. Sevag Gharibian und Prof. Dr. Jens Förstner beteiligt.

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Online-Selbstlernkurs zu Data Science und Entscheidungsbäumen

Methoden des maschinellen Lernens werden zunehmend in ganz unterschiedlichen Lebensbereichen eingesetzt und bringen zahlreiche Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) hervor. Grundlegend dafür sind große Datenmengen und ein Verständnis ihrer Anwendungs- und Auswertungsmöglichkeiten. Diese Entwicklung wird seit einiger Zeit von der Forderung begleitet, Data Science und maschinelles Lernen schon in der Schule zu unterrichten. Als Ziel wird das Leitbild eines informierten und kritischen Konsumenten datengetriebener Phänomene genannt. Ein neues Vorhaben der Universität Paderborn bietet Lehramtsstudierenden und Lehrkräften deshalb die Gelegenheit, eigene KI-Projekte im Rahmen eines frei zugänglichen Onlinekurses zu entwickeln. Die Inhalte und Konzepte sind dabei eng mit dem bereits etablierten ProDaBi-Projekt der Universität Paderborn verzahnt.

Entscheidungsbäume selbst erstellen

Sogenannte Entscheidungsbäume – grafisch veranschaulichbare Regelsysteme – werden durch maschinelles Lernen automatisiert aus Daten erstellt. Aufgrund ihrer Anschaulichkeit sind sie besonders geeignet, um künstliche Intelligenz in der Schule zu thematisieren. Allerdings fehlt Lehrenden häufig die Möglichkeit, die Methode interaktiv zu erkunden. „Das wollen wir mit unserem Projekt ändern und Lehramtsstudierenden sowie Lehrkräften Gelegenheit geben, echte Daten zeit- und ortsunabhängig zu analysieren und den Ansatz nicht nur konzeptionell zu verstehen, sondern auch konkret anzuwenden und eigene Entscheidungsbäume mit Softwareunterstützung zu erstellen”, sagt Projektleiterin Dr. Susanne Podworny von der Universität Paderborn. Unterrichtskonzepte sollen ebenso vorgestellt werden. Zum Einsatz kommt dabei die kostenlose, browserbasierte Data-Science-Umgebung „CODAP“, mit der auch in der Schule gearbeitet werden kann. In der zweiten Hälfte des Jahres 2021 wurde ein kostenloser, frei zugänglicher Kurs entwickelt, der auf der überregionalen Plattform „KI-Campus“ veröffentlicht wurde.

Informatik als Pflichtfach in Klasse 5/6

Das Projekt baute auf Materialien und Forschungen auf, die im Rahmen des Paderborner ProDaBi-Projekts bereits erfolgreich in Schulen und Lehrerfortbildungen eingesetzt wurden. „Mit Einführung des Pflichtfachs Informatik für die Klassen 5 und 6 und dem dort verankerten Themenbereich der künstlichen Intelligenz in Nordrhein-Westfalen ist ein gesteigertes Interesse von Informatiklehrkräften zu erwarten”, sagte Projektmitarbeiter Yannik Fleischer. Deshalb wollen die Wissenschaftler*innen zusammen mit den Lehrkräften geeignete schulnahe Kompetenzen und Materialien in einem Online-Selbstlernkurs ausbauen, entwickeln und deren Einsatz erforschen. „Das ist eine hervorragende Möglichkeit, um im ProDaBi-Projekt entstandene Konzepte über einen kostenlosen Online-Selbstlernkurs einer breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen”, ergänzte Podworny. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über eine Dauer von sieben Monaten mit rund 69.000 Euro gefördert. Weitere Informationen zum ProDaBi-Projekt und zur Vermittlung von Data-Science-Inhalten in der Schule gibt es unter: https://www.prodabi.de/

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„Den gestohlenen Corona-Impfstoff wiederfinden“, „Dem Tunnel der Schlangen entkommen“, „Einen Diamantendieb fassen“: Das sind nur einige der Aufträge von insgesamt fünf spannenden mathematischen Exit-Games, die Mathematik-Lehramtsstudierende der Universität Paderborn als Wettbewerb für die zehnte Jahrgangsstufe erarbeitet haben.

Schon seit einiger Zeit erfreuen sich Exit-Games immer größerer Beliebtheit. Die Aufgabe besteht darin, in eine spannende Geschichte eingebettete Rätsel in einer vorgegebenen Zeit zu lösen. Dr. Daniel Thurm von der Mathematikdidaktik der Universität Paderborn hat dazu ein Kooperationsprojekt mit dem Gymnasium Schloß Neuhaus (Paderborn) initiiert, bei dem die Entwicklung, Durchführung und Reflexion von mathematischen Exit-Games im Mittelpunkt steht.

Im Sommersemester 2021 entwickelten Mathematik-Master-Lehramtsstudierende digitale Exit-Games mit mathematischen Problemlöseaufgaben. Die Durchführung erfolgte im Juni 2021 im Rahmen eines Wettbewerbs. Über einen Monat lang traten vier Gruppen mit jeweils drei bis vier interessierten Schülerinnen und Schülern der Jahrgangsstufe 10 des Gymnasium Schloß Neuhaus einmal pro Woche gegeneinander an. Jede Woche stand dabei ein anderer mathematischer Inhaltsbereich im Vordergrund (Arithmetik/Algebra, Stochastik, Geometrie oder Funktionen). Die Aufgaben waren zum Teil knifflig: „Es ist allerdings gewollt, dass die Schülerinnen und Schüler auch mal ihre Grenzen ausloten“, erläutert Thurm. Nach fünf Wochen wurden die Sieger mit den meisten Punkten ausgezeichnet.

„Das Projekt zielt darauf ab, auch in der gegenwärtigen Pandemie-Situation mathematisch interessierten Lernenden ein spannendes Angebot zu machen“, so Thurm. „Gleichzeitig ermöglicht es den Lehramtsstudierenden, kreativ und praxisnah ihre digitalen und fachdidaktischen Kompetenzen auszubauen“, hielt der Wissenschaftler fest.

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Ein Argument dient dazu, die Plausibilität einer Aussage logisch zu begründen. Argumentative Texte benötigen dafür oft viele Sätze, in denen zahlreiche Aussagen und Gründe mit Hintergrundinformationen und rhetorischen Mitteln subjektiv zusammengebracht werden. Doch gibt es einen Weg, Begründungen in Texten automatisch objektiv zusammenzufassen, um den Kern des Arguments zu ermitteln und prägnant wiederzugeben? Genau damit befasste sich ein neues Projekt von Jun.-Prof. Dr. Henning Wachsmuth (Universität Paderborn) und Jun.-Prof. Dr. Martin Potthast (Universität Leipzig), welches von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) innerhalb des Schwerpunktprogramms „Robust Argumentation Machines“ (RATIO) ab April 2021 gefördert wird.

Suchmaschinen als Ausgangspunkt für Argumentzusammenfassungen

Einen Ausgangspunkt für das Projekt „OASiS: Objective Argument Summarization in Search“ bildet die von der Arbeitsgruppe von Jun.-Prof. Dr. Wachsmuth in Zusammenarbeit mit den Universitäten Leipzig, Weimar und Halle entwickelte Suchmaschine „args.me“, die seit 2017 online ist. Diese stellt Pro- und Kontraargumente zu Suchthemen gegenüber, um eine selbstbestimmte Meinungsbildung zu unterstützen. Dabei ist ein zentraler Aspekt der Suchmaschine, dass kurze Text-Snippets generiert werden, um den Suchenden einen schnellen Überblick über die vielfältigen Argumente zu geben.
Jun.-Prof. Dr. Wachsmuth erklärt, welche Leerstelle sein Projekt füllt: „Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Forschungsschwerpunkt des Projektes in der automatischen Textzusammenfassung und dem so genannten Stiltransfer, das heißt, der Änderung des Stils eines Textes unter Erhaltung des Inhalts. Beide gelten generell als schwere Probleme, in spezifischen Kontexten wurden in jüngerer Zeit aber deutliche Fortschritte erzielt. Für Argumente gibt es erste erfolgreiche Inhaltszusammenfassungen, gleichwohl ohne Berücksichtigung des argumentativen Kerns. Stiltransfer wurde bislang für Argumente nicht erforscht. Diese Lücken soll das Projekt schließen.“ 

Intelligente Algorithmen zur Zusammenfassung und Neutralisierung des Stils

Nach der Erstellung eines Datensatzes mit unzähligen händisch verfassten Argumentzusammenfassungen sollen neuartige algorithmische Methoden entwickelt werden, die anhand der Daten selbstständig lernen, automatisch argumentative Begründungen zusammenzufassen und deren Stil zu neutralisieren. Dies bedeutet, dass die zusammengefasste Argumentation wertfrei, im Sinne der Reduzierung von subjektiven Ansichten, und prägnant sein soll. „Die gewonnenen Erkenntnisse werden dabei helfen, besser zu verstehen, wie sich subjektive Sprache und Argumentationen algorithmisch zusammenfassen lassen.“, erklärt Jun-Prof. Dr. Potthast sein Erkenntnisinteresse. „Der Datensatz wird systematischere Forschung an Argumentgenerierung ermöglichen, und die Methoden werden für Suchmaschinen und vergleichbare Anwendungen nützlich sein.“ So werden er und Jun- Prof. Dr. Wachsmuth ihre Ergebnisse zur freien Verfügung stellen, um den Zielen des DFG-Forschungsschwerpunktes RATIO und der Forschung automatischen Sprachverarbeitung im Allgemeinen zuträglich zu sein.
Die Förderung der DFG beläuft sich nach jetzigem Stand im Gesamten auf rund 642.000€ und ist für 36 Monate angesetzt.

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Prof. Dr. Regina Bernhaupt ist Professorin für Qualitätsmessung und -analyse von dynamischen Real-Life-Systemen im Department „Industrial Design“ der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden. Im Sommersemester 2021 übernahm sie an der Universität Paderborn einen Lehrauftrag für User Experience Design. Seit mehreren Jahren arbeitet sie eng mit SICP-Geschäftsführer Dr. Stefan Sauer in der Leitung der IFIP Working Group 13.2 on Methodology for User-Centred System Design und der Organisation der Konferenzreihe Human-Centered Software Engineering zusammen. Er sprach mit ihr über ihre Forschung und die Lehrveranstaltung.

Regina, Du beschäftigst Dich schon seit vielen Jahren mit empirischer Forschung im Bereich Mensch-Maschine-Interaktion sowie Industrie- und Game-Design. Ein besonderer Schwerpunkt ist hierbei das Thema User Experience, kurz: UX. Wie hat sich das entwickelt und wie charakterisierst Du Deine aktuelle Forschung und ihre Wirkung in die Praxis?

Regina Bernhaupt: User Experience, also die Benutzererfahrung, war in der Software-Entwicklung immer schon prominent. 1988 erwähnten Forscher*innen in einem Artikel, dass es sinnvoll wäre, dass Nutzer*innen nicht nur schnell und effizient mit Software interagieren, sondern Spaß und Freude ein zentrales Element sein sollten. Es hat dann noch einmal fast 20 Jahre gedauert, bis dieser Begriff in den frühen 2000ern auch in der Forschung zentraler wurde. Heute ist User Experience ein zentrales Designelement und wir haben einige Kernkonzepte in der Forschung evaluiert, die für eine positive User Experience zentral sind. Die Emotion des Benutzers – nehmen wir das Beispiel der Spiele, da ist das einfach erklärt: Das reicht von der Vorfreude auf die neue Spielekonsole, über das völlige Absorbiert-Sein in das Spiel mit all dem emotionalen Auf und Ab, wenn wir gewinnen oder verlieren, bis hin zu langfristigen Effekten, die unser Wohlbefinden und die Ausgeglichenheit beeinflussen können. Ein anderer Faktor ist die Ästhetik, nicht nur, weil eine Benutzeroberfläche schön gestaltet ist, sondern weil all meine Sinne zufriedengestellt werden. Produkte müssen sich gut anfühlen, die Interaktion muss angenehm sein.

Und was beschäftigt Dich aktuell besonders?

Bernhaupt: Seit fünf Jahren beschäftigen wir uns auch mit den Werten der Menschen und wie verschiedene Werte zu anderen Anforderungen führen. Im vergangenen Jahr hat diese Forschung wesentlich mehr Bedeutung bekommen, da wir alle mit massiven Werteverschiebungen konfrontiert sind: Wie stehe ich dazu, die Gesellschaft zu unterstützen, auch wenn mich das individuell einschränkt? Ich persönlich habe die letzten 365 Tage am gleichen Ort verbracht – verglichen mit Jahren, an denen ich nicht mehr als fünf Tage am gleichen Ort war. Kann ich also viel einfacher nachhaltig leben, als ich dies vor der Pandemie gedacht habe? Diese starken Werteverschiebungen werden in den nächsten Jahren zentral für das User Experience Design sein und sich in neuen Anwendungen der Technologie widerspiegeln. Wir sehen hier in den Niederlanden gerade eine massive Verstärkung von „Digital Twins“, also digitalen Abbildern realer Systeme, ja ganzer Städte. Diese digitalen Varianten werden es ermöglichen, Produktionen verstärkt online zu kontrollieren und neue Designs wie zum Beispiel Messsysteme in Städten zum CO₂-Ausstoß vorab zu simulieren und mit den Bewohnern auszuprobieren, bevor sie teuer gebaut und umgesetzt werden. Meine Arbeit fokussiert aktuell stark auf diese Werteverschiebungen und wie wir die nötigen Methoden erarbeiten können, um werte-orientierte Services und Produkte umzusetzen und dann auch ihren Erfolg zu messen. Mein zentrales Ziel wird jedoch weiterhin sein, Menschen glücklicher zu machen, wenn sie mit Technologie interagieren.

Was ist typisch für Deine Lehre an der TU/e und unterscheidet sie sich in einem Department für Industrial Design von dem, was wir in der Informatik gewohnt sind?

Bernhaupt: Die Fakultät Industrial Design an der TU/e hat in der Lehre in den letzten 20 Jahren mit ihrem einzigartigen „Squad“-Konzept neue Formen der Lehre vorbereitet. Aktuell arbeiten alle unsere Designstudierenden ab dem zweiten Bachelorjahr in Squads – also Themenbereichen, in denen Studierende Problemstellungen aus der Industrie oder Forschung bearbeiten. Heute wird das unter dem Begriff „Challenge-based Learning“ stark eingesetzt. Die Kompetenzen, die wir Studierenden im Industrial Design vermitteln, sind natürlich andere als in der Informatik. Zentrale Kenntnisse wie Kreativität und Ästhetik oder Business und Entrepreneurship finden sich in der Informatik oft weniger wieder. Design heute hat aber Technologie und die Fähigkeit, diese ein- und umzusetzen als zentralen Fokus, d. h. unsere Design-Studierenden müssen sich auch mit Arduino Prototyping oder Datenbanken und AI-Methoden auseinandersetzen. Ein personalisiertes Servicedesign setzt da ein gutes Verständnis von Machine Learning oder Recommendation Engines voraus.

Was erwartet die Studierenden der Universität Paderborn in der Veranstaltung „User Experience Design“?

Bernhaupt: Die Veranstaltung wird sich am Challenge-based Learning orientieren und vermittelt die Kenntnisse, um User Experience erfolgreich in einem Service oder Produkt zu manipulieren und umzusetzen. Wenn eine Veranstaltung User Experience im Titel hat, dann ist natürlich auch die Erfahrung der Studierenden wichtig. Auch wenn in akademischen Kreisen „Spaß“ in einer Lehrveranstaltung eher verpönt ist – ich glaube, dass Lernen Spaß machen soll und dass wir uns mit Spaß und Freude auseinandersetzen müssen, um Produkte zu entwickeln, die eine positive Experience haben. Für die Lehre erwartet die Studierenden eine „Flow Experience“. Wir werden die Fähigkeiten der Studierenden gemeinsam entwickeln und sie an Herausforderungen testen. Und wie das bei Spielen der Fall ist – die Balance zwischen Herausforderung und Fähigkeiten ist ein zentrales Element, um verschiedene Emotionen auszulösen. Wir werden also mit vielen kleinen Beispielen Einsicht in zentrale User-Experience-Designelemente nehmen, und die Studierenden müssen sich einer Challenge stellen.

Was musst Du aufgrund der COVID-19-Pandemie anders machen als Du es ohne die damit verbundenen Beschränkungen gemacht hättest?

Bernhaupt: Die virtuelle Variante der Lehre stellt uns auch nach einem Jahr Online-Kursen immer wieder vor Herausforderungen. Ein Beispiel ist die praktische Übung zum Flow-Prinzip: Studierende mussten im Klassenraum auf einem Blatt Papier ein Spiel spielen, wie „Stadt, Land, Fluss“ oder das berühmte „Hangman“. Und dann sollte das Spiel abgeändert werden, um zum Beispiel mehr Spaß zu machen. Ich habe Wochen gebraucht, um hier Beispiele zu finden, die auch virtuell mit vielen Studierenden vor der Kamera funktionieren. Die Emotion im Klassenraum, wenn Leute ihre Kinderspiele wiederentdecken und spielen, ist etwas, das sich nicht wirklich virtuell umsetzen lässt. Diese Einschränkung ist sehr einfach vermittelbar und für jeden spürbar – und wir werden uns in der Lehrveranstaltung dem einfach stellen: Wie können wir User Experiences umsetzen, auch wenn die soziale Verbundenheit im physischen Raum nicht vorhanden ist. Oder wie die Redensart sagt: Es hat alles seine Vorteile und Nachteile.

Neben Deiner Professur an der TU/e bist Du weiterhin Forschungsdirektorin bei Ruwido Austria. Was machst Du dort und wie geht das mit Deiner Universitätsarbeit zusammen?

Bernhaupt: Ruwido Austria ist ein Hersteller für Interaktionslösungen, speziell Fernbedienungen, die auch in Österreich produziert werden. Ruwido ist zentral für meine Forschungsarbeiten, da ich hier meine Methoden und Ansätze zur User Experience auch wirklich ausprobieren und umsetzen kann. In den vergangenen Jahren war hier vor allem die Sprache zentrales Thema – und wie Sprachinteraktion die Kontrolle im Wohnzimmer verändert. Heute sind es vor allem die Werte, die sich in der Gesellschaft verändern, und wie neue Unterhaltungsangebote an diese Werte angepasst werden sollen.

Wie Du weißt, geht es dem SICP im Kern um die Kooperation von Wissenschaft und Unternehmen zur Erforschung und Entwicklung digitaler, daten- und softwarebasierter Innovationen. Du kennst beide Seiten. Welche Tipps kannst Du uns aus Deiner Erfahrung heraus geben?

Bernhaupt: Mein zentraler Tipp ist es, immer einen „Übersetzer“ im Team zu haben, eine Person, die zwischen Technologie und Anforderungen der Benutzer*innen übersetzt. Ideal sind hier Absolvent*innen mit einem Schwerpunkt in Mensch-Maschine-Interaktion. So können Innovationen, aber auch neue Designideen vorangetrieben werden, die sonst oft als nicht machbar gelten. In meinen Projekten geben wir dem Design und der Evaluierung der Benutzerbedürfnisse eine zentrale Rolle, damit haben wir viele Produkte wesentlich benutzerfreundlicher und innovativer umsetzen können als andere.

Weitere Informationen über Regina Bernhaupt: https://www.tue.nl/en/research/researchers/regina-bernhaupt/

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Projektkurs „Data Science und Künstliche Intelligenz“ im Schulunterricht

Per App einen freien Parkplatz finden – das hatten sich die Schüler Maarten Liphardt, Karl Schneidewind und Luis Wengenmair der zwölften Jahrgangsstufe (Q2) des Gymnasiums Theodorianum in Paderborn zur Aufgabe gemacht. Im Kurs „Data Science und Künstliche Intelligenz“ entwickelten sie eine eigene durch künstliche Intelligenz (KI) gestützte Webanwendung zur Vorhersage der Belegung von Paderborner Parkplätzen und Parkhäusern (parkpb.maar10media.de). Der Kurs wurde im Rahmen des Projekts „Data Science und Big Data in der Schule“ (ProDaBi) der Universität Paderborn bereits zum dritten Mal durchgeführt. Das ProDaBi-Projekt wurde von der Deutsche Telekom Stiftung initiiert sowie seit 2019 finanziell unterstützt und wird von Prof. Dr. Rolf Biehler, Didaktik der Mathematik, und Prof. Dr. Carsten Schulte, Didaktik der Informatik, beide von der Universität Paderborn, geleitet. Ein Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Curriculums zu Data Science und künstlicher Intelligenz in der Sekundarstufe II.
Durch den Projektkurs sollten Kenntnisse in den Bereichen Statistik, Datensammlung, Datenanalyse, maschinelles Lernen, Entscheidungsbäume (gerichtetes Regelsystem zur Entscheidungsfindung) und künstliche neuronale Netze vermittelt werden. Mit ihrem neu erworbenen Wissen waren die Schüler nun in der Lage, eine eigene datengetriebene Webanwendung zur Vorhersage von freien Parkplätzen zu entwickeln. Damit konnten sie zeigen, wie Programme mit künstlicher Intelligenz zum praktischen Nutzen der Gesellschaft eingesetzt werden können. Die mit einem KI-Modell verarbeiteten Parkplatzdaten aus zwölf Jahren wurden von den für die Parkraumbewirtschaftung in Paderborn zuständigen Firmen ASP aus Paderborn und RTB aus Bad Lippspringe zur Verfügung gestellt.

Gelerntes in die Praxis umsetzen

Während des Kurses lernten die Schüler verschiedene Tools und Programmier- sowie Skriptsprachen kennen, um diese bei der Entwicklung der Webanwendung und der zugrundeliegenden KI-Modelle zu nutzen. Dabei folgten sie einem selbstgesteuerten Lern- und Arbeitsprozess. Sie organisierten ihre Teamarbeit im Rahmen eines agilen Projektmanagements bzw. eines agilen Lernprozesses nach der sogenannten Scrum-Methode. Unterstützt wurden sie dabei von den Projektkursmitarbeiter*innen Annika Löhr (Gymnasium Theodorianum Paderborn), Yannik Fleischer (Mathematikdidaktik, Universität Paderborn) und Sven Hüsing (Informatikdidaktik, Universität Paderborn).

Zu den Aufgaben der Schüler gehörten u. a. das Bereinigen, Auswerten und Visualisieren von Daten sowie das Konfigurieren, Trainieren und Anwenden datengetriebener Machine-Learning-Modelle zur Vorhersage von Parkplatzbelegungen. Außerdem dokumentierten und präsentierten sie die Datenverarbeitung und Modellierung in Form von sogenannten Computational Essays, die einen Einblick in den Prozess der Datenanalyse und die Entwicklung der künstlichen Intelligenz sowie in die entsprechenden Resultate ermöglichen. Zum Schluss integrierten sie die Ergebnisse des Machine-Learning-Modells in die eigene Webanwendung.

Die Erfolge ihrer Arbeit stellten die Schüler des Theodorianums im März 2021 bei einer Online-Produktpräsentation vor. Dabei zeigten sie den Zuschauer*innen ihre KI-gestützte Web-App und präsentierten tiefergehende Informationen über den genutzten Datensatz, den Aufbau der zugrundeliegenden KI-Modelle und die Gestaltung der Nutzungsoberfläche. Auf die Frage, was den Schülern am Projekt am besten gefallen habe, antworteten sie: „Es war besonders spannend zu sehen, was sich hinter künstlicher Intelligenz verbirgt, mit der man sonst nur oberflächlich in Berührung kommt. Besonders interessant waren dabei die Fragen: Wie erstellt man eine künstliche Intelligenz selbst, wie aufwendig ist das und wie kann man sie nachvollziehen?“

Zur Erprobung des Projektkurskonzepts und der Unterrichtsmaterialien sucht das ProDaBi-Projekt noch weitere Kooperationspartner*innen. Interessierte Schulen im Paderborner Umland können sich gerne unter prodabi@campus.upb.de melden.

Webseite des Projekts: www.prodabi.de

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Mit der Förderbewilligung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) startete Anfang Januar 2021 das Projekt KI-gestützte, sichere Softwareentwicklung (AI-DevAssist) mit einer Laufzeit von drei Jahren und einem Fördervolumen von 2,24 Millionen Euro. Gemeinsam mit der Code Intelligence GmbH, der achelos GmbH, dem Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM und der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn entwickeln Wissenschaftler*innen des SICP – Software Innovation Campus Paderborn der Universität Paderborn einen durch Künstliche Intelligenz (KI) gestützten Assistenten.

„Der KI-Assistent soll Softwareentwickler*innen bereits bei der Programmierung unterstützen, indem er Schwachstellen sowohl direkt im Software-Code als auch bei den Programmausführungen sucht und aufdeckt. Diese Schwachstellen können dann durch die Entwickler*innen behoben werden. Anhand einer solchen kooperativen Schnittstelle zwischen Menschen und einer KI wird Programmierenden die Gewährleistung der unabdingbaren IT-Sicherheit erleichtert. Zudem wird eine neue Form der Zusammenarbeit mit einer KI etabliert, in der sich die Expertise der Anwender kontinuierlich erweitert“, erklärt Dr. Gunnar Schomaker, Projektleiter und Manager des Kompetenzbereichs Smart Systems im SICP.

Schwachstellen in der Software bieten Ziele für Cyberangriffe

Mobile Apps sind untereinander vernetzt. Diese Vernetzung bietet zwar funktionale Vorteile, es können aber auch Schwachstellen in der Software entstehen, welche Ziele für Cyberangriffe bieten. Eine vollständig abgesicherte Software ist für die Privatsphäre und Sicherheit einer vernetzen Gesellschaft, der Wirtschaft und somit des Staates von immenser Bedeutung. Die Konstruktion von sicherer und zuverlässiger Software stellt Entwickler*innen durch die steigende Komplexität vor eine große, bislang ungelöste Herausforderung. Trotz umfassender Bemühungen und Fortschritte, die Anzahl der kritischen Schwachstellen einzudämmen, steigt diese.

Erkennung der Schwachstellen mithilfe eines KI-Assistenten

Menschen machen naturgemäß Fehler, lernen fortwährend bei deren Behebung und erzeugen dabei eine bessere Qualität. In komplexen Systemen herrscht jedoch oft keine Fehlerfreiheit. Aktuelle Entwicklungswerkzeuge sind derzeit noch nicht intelligent genug, um Softwareentwickler*innen in diesem Verbesserungsprozess optimal zu unterstützen. Heutige Werkzeuge geben zudem viele irrelevante Warnungen aus, was Programmierende demotiviert und von den wirklich relevanten Meldungen ablenkt. „Ziel unseres Projektes ist es, Methoden zu erforschen, die es der Künstlichen Intelligenz ermöglichen, Schwachstellen zu erkennen, um dadurch Angriffe auf die Software zu verhindern. Unsere Idee ist dabei, die bisherige Erforschung und Entwicklung von Methoden der Künstlichen Intelligenz um bestehende statische und Fuzzing-Analysewerkzeuge für die Erkennung von Schwachstellen zu erweitern. Außerdem besteht ein großes Anliegen in der Entwicklung des KI-Assistenten darin, eine direkte Interaktion zwischen Softwareentwickler*innen und den KI-Systemen zu erreichen. Eine benutzerfreundliche Interaktion mithilfe einer KI verbessert auch die finale Beurteilung der Kritikalität einer Sicherheitslücke durch den/die Entwickler*in“, erläutert Dr. Schomaker.

Auch kleine und mittlere Unternehmen sollen von Ergebnissen profitieren
Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) haben großen Bedarf, ihre IT-Sicherheit zu verbessern. Dies hat das SICP-Projekt KMU. Einfach Sicher. bereits aufgezeigt. Während „KMU. Einfach Sicher.“ eine Weiterbildungsplattform für IT-spezifische Fachkenntnisse bietet, sollen die Softwareentwickler*innen im Projekt AI-DevAssist durch den KI-Assistenten während der Programmierung unterstützt werden. „Viele Bereiche, in denen IT-Lösungen entwickelt werden, können durch dieses Vorhaben profitieren. So können mithilfe des KI-Assistenten auch Programmierende unterstützt werden, die nur geringe Expertise in der IT-Sicherheit haben. Dadurch wird sichergestellt, dass auch KMU, die häufig nicht über ausgewiesene Sicherheitsexpert*innen verfügen, von den Ergebnissen profitieren. Die Sicherheit der Software ist ein wesentlicher Faktor in allen Bereichen. Dieses Vorhaben bringt in vielerlei Hinsicht ein hohes Potenzial mit sich“, erläuterte Dr. Simon Oberthür, Manager des Kompetenzbereichs Digital Security im SICP.

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Energiesysteme der Zukunft: Paderborner Wissenschaftler erforschen moderne und nachhaltige Konzepte der Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung

Infektionskrankheiten und Versagen im Kampf gegen den Klimawandel: Das sind laut Weltrisikobericht 2021 des Weltwirtschaftsforums die folgenreichsten Gefahren für unsere Erde. Die Corona-Pandemie und aktuelle Umweltbelastungen hängen mitunter eng zusammen: Zwar hat Deutschland im vergangenen Jahr fast alle Klimaziele erreicht – ohne die Lockdowns hätte die Bundesrepublik diese jedoch verfehlt, warnte das Umweltbundesamt. Um den globalen Herausforderungen Klimawandel und Energiewende begegnen zu können, forschen Wissenschaftler am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Paderborn an innovativen Lösungen. Wie eng die Energiewende und die Elektrotechnik verzahnt sind, verdeutlicht ihre Arbeit an zukunftsfähigen Konzepten der Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung.

Zukunftsorientierte Lösungen: regional und regenerativ

„Nachhaltige Energiekonzepte müssen weltweit umgesetzt werden, da Menschen weltweit Energie verbrauchen. Nichtsdestotrotz findet die Energiewende vor allem regional statt“, sagt Prof. Dr.-Ing. Henning Meschede, Leiter des Fachgebiets Energiesystemtechnik (EST). Man denke nur an den Gebrauch von E-Autos oder den Wärmebedarf. Auch die Nutzung erneuerbarer Energien sei regional unterschiedlich ausgeprägt.
„Die länderübergreifende Vernetzung wird ein wesentlicher Bestandteil von zukünftigen nachhaltigen Energiekonzepten sein, dennoch darf der Blick auf die einzelnen Regionen nicht fehlen“, so Meschede, der an der Universität Paderborn untersucht, wie regenerative Energien möglichst effizient eingesetzt werden können. „Regionale erneuerbare Energiesysteme sind besonders dann von Bedeutung, wenn es um den Ausbau von Erzeugungskapazitäten, Energieverteilungssystemen und die Umsetzung von Sektorenkopplungskonzepten geht. Beispielsweise wenn regenerativ erzeugter Strom aus der Region für die regionale Wärmeversorgung genutzt wird“, erklärt der Wissenschaftler. „Um die direkten und indirekten Folgen des Klimawandels wie Dürre, Überflutung oder Klimamigration zu begrenzen, muss unsere Energienutzung schnellstmöglich vollständig auf erneuerbare Energien wie Wind- oder Solarenergie umgestellt werden – neben Strom auch die Wärmeversorgung und der Verkehr“, betont Meschede.

Leistungselektronik für die Energiewende

Für moderne Konzepte der Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung ist die Leistungselektronik eine Schlüsseltechnologie, ohne die die Integration erneuerbarer Energien kaum gelingen kann, erklärt Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Leiter des Fachgebiets Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (LEA). „Es gibt nicht nur eine Form von elektrischer Energie, sondern jeder Verbraucher benötigt eine passende elektrische Versorgung“, schildert er. „Das betrifft sowohl die Höhe der Spannung als auch die Frage nach Gleich- oder Wechselspannung. Auch die Energieerzeuger generieren elektrische Energie ganz unterschiedlicher Art: Photovoltaik-Anlagen liefern Gleichspannung, Windkraftanlagen zwar Wechselspannung, aber leider nicht die zum Wechselspannungs-Stromnetz passende Frequenz. Für Energieübertragung und -verteilung wiederum sind 50Hz-Hochspannungssnetze vorherrschend. Hinzu kommen immer mehr Hochspannungs-Gleichstromübertragungen, z. B. zur Anbindung der Offshore-Windkraftanlagen oder zur Kopplung der deutschen und norwegischen Stromnetze über Seekabel“, erläutert Böcker.
All diese Umformungen der elektrischen Energiearten – ob für LEDs oder den Motor eines E-Autos – ermöglicht heute die Leistungselektronik. Die früher praktizierte Umformung mittels großer und teurer rotierender Maschinensätze ist damit überholt. „Die Leistungselektronik bewältigt diese Aufgaben nicht nur mit früher unvorstellbar hohen Wirkungsgraden, oft im Bereich von 96 bis 99 Prozent, sondern bietet darüber hinaus die Möglichkeit, den Energiefluss gezielt zu steuern, und schafft dadurch die Voraussetzung für intelligente Energiesysteme“, so Böcker weiter.

Smarte Schnittstellen

Doch die Anforderungen steigen: Um regenerative Energien so effizient wie möglich zu nutzen, sind intelligente Energiesysteme gefragt. Durch sie sollen Informationen über Erzeugungsleistungen, Energienachfrage, Anlagen- und Netzzustände transparent und kontinuierlich erfasst werden, um das System optimiert betreiben zu können. Kernelement ist hierbei der Ausbau von Messtechnik. „Um erneuerbare Energien ökonomisch und ökologisch vorteilhaft zu nutzen, ist es wichtig, dass ein intelligentes Energiesystem alle Bereiche von der Erzeugung über die Verteilung bis zur Nutzung abdeckt. Dazu zählen also auch die Bereiche Wärme und Mobilität“, so Meschede. Sektorenkopplungskonzepte, also die Verzahnung dieser einzelnen Bereiche, seien daher ein essentieller Bestandteil eines intelligenten Energiesystems.

Erheblicher Handlungsbedarf

Die beiden Wissenschaftler sind sich einig: Beim Thema erneuerbare Energien liege der Fokus bisher zu stark auf dem Stromsektor. Hier könnten regenerative Energien vergleichsweise leicht genutzt werden. Sie vermuten, dass Strom im Zuge der Energiewende, etwa durch E-Mobilität, eine noch stärkere Rolle einnehmen werde. Mit Blick auf die weiteren Sektoren bestehe aber noch deutlicher Handlungsbedarf: „Mehr als ein Fünftel der in Deutschland nachgefragten Endenergie wird für die Bereitstellung von Prozesswärme in Industrie und Gewerbe genutzt – häufig bereitgestellt durch fossile Energieträger. Auch die Versorgung mit Raumwärme und der Verkehrssektor haben hohe Anteile. Zusätzlich zur Stromwende gehören also zwingend auch die Wärme- und Verkehrswende zu nachhaltigen Energiekonzepten“, sagt Meschede. In Zeiten der Corona-Pandemie stünden zwar viele andere Probleme im Mittelpunkt, doch der Wissenschaftler betont: „Die Herausforderung Klimawandel bleibt und duldet keinen Aufschub.“

Die Begrenzung der Erderwärmung sei ein gesamtgesellschaftliches Vorhaben, bekräftigt Meschede, das über die technischen Dimensionen hinausgehe: Für gesellschaftliche Analysen, ökologische Folgenabschätzungen oder die Erforschung neuer Materialien müsse ebenso Expertise aus dem Maschinenbau, der Informatik und den Natur-, Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaften einbezogen werden. „Ohne interdisziplinäre Vernetzungen und Kooperationen wird weder die Aufgabe Energiewende noch die Begrenzung der Erderwärmung gelingen“, schlussfolgert der Paderborner Wissenschaftler.

Am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik die Energiewende mitgestalten

Bei vielen aktuellen gesellschaftlichen Herausforderungen ist die Elektrotechnik Teil der Lösung. An der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik der Universität Paderborn forschen Wissenschaftler an neuen Konzepten und auch Studierende finden hier verschiedene Angebote, die das Thema Energiewende in den Fokus rücken.

Wissenschaftler*innen des erst kürzlich eingerichteten Fachgebiets „Energiesystemtechnik“ (EST) erforschen regionale erneuerbare Energiesysteme und beschäftigen sich mit industriellen und gewerblichen Sektorenkopplungskonzepten sowie Datenanalysen im Kontext erneuerbarer Energiesysteme. Die interdisziplinären Forschungsarbeiten haben insbesondere Schnittstellen zum Maschinenbau, zur Informatik sowie zu den Natur-, Wirtschafts- und Gesellschaftswissenschaften.
Weitere Informationen zum neuen Fachgebiet Energiesystemtechnik:
ei.uni-paderborn.de/est.

Im Fachgebiet „Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik“ (LEA) forschen Wissenschaftler*innen rund um die Themen Leistungselektronik, Elektrische Antriebstechnik und intelligente Energiesysteme. Die Forschungsarbeiten finden zu einem großen Teil in Kooperationen mit Industriepartnern statt. Seit diesem Sommersemester bietet das Fachgebiet den Master-Kurs „Leistungselektronik für die Energiewende“ an.
Weitere Informationen zum Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik:
ei.uni-paderborn.de/lea.

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Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Einrichtung eines neuen Sonderforschungsbereichs/Transregio (TRR) zum Thema „Erklärbarkeit von künstlicher Intelligenz (KI)“ an den Universitäten Paderborn und Bielefeld bekanntgegeben. Bis 2025 wird sie dafür rund 14 Millionen Euro Fördergelder zur Verfügung stellen. Das stark interdisziplinär ausgerichtete Forschungsprogramm mit dem Titel „Constructing Explainability“ („Erklärbarkeit konstruieren“) geht über die Frage nach Erklärbarkeit von KI als Grundlage algorithmischer Entscheidungsfindungen hinaus. Der Ansatz fördert die aktive Teilnahme der Menschen an soziotechnischen Systemen. Ziel ist es, die Mensch-Maschine-Interaktion zu verbessern, das Verständnis von Algorithmen in den Mittelpunkt zu stellen und dieses als Produkt eines multimodalen Erklärprozesses zu untersuchen. Die vierjährige Förderung begann am 1. Juli 2021.

Künstliche Intelligenz ist heutzutage fester Bestandteil des modernen Lebens – sie sortiert Bewerbungen aus, begutachtet Röntgenbilder und schlägt neue Songlisten vor. Grundlage für solche Prozesse sind algorithmische Entscheidungsfindungen. „Bürger*innen haben ein Recht darauf, dass algorithmische Entscheidungen transparent gemacht werden. Das Ziel, Algorithmen zugänglich zu machen, ist Kern der sogenannten eXplainable Artificial Intelligence (XAI), bei der Transparenz, Interpretier- und Erklärbarkeit als gewünschte Ergebnisse im Mittelpunkt stehen“, sagte Prof. Dr. Katharina Rohlfing, Sprecherin des neuen Sonderforschungsbereichs. „Das Problem ist, dass in unserer digitalen Gesellschaft algorithmische Ansätze wie das maschinelle Lernen rasant an Komplexität zunehmen. Die Undurchsichtigkeit ist ein ernsthaftes Problem in allen Kontexten, insbesondere aber dann, wenn Menschen auf dieser undurchsichtigen Grundlage Entscheidungen treffen müssen", fügte Prof. Dr. Philipp Cimiano als stellvertretender Sprecher hinzu. Gerade bei Vorhersagen im Bereich der Medizin oder der Rechtsprechung sei es notwendig, die maschinengesteuerte Entscheidungsfindung nachzuvollziehen, so Cimiano weiter. Zwar gebe es bereits Ansätze, die die Erklärbarkeit entsprechender Systeme zum Gegenstand hätten, die Erklärungen, die dabei entstehen, setzen allerdings Wissen über die Funktionsweise von KI voraus. Was laut Cimiano und Rohlfing fehle, seien Konzepte zur Ko-Konstruktion von Erklärungen, bei der die Adressaten – also die Menschen – stärker in den KI-gesteuerten Erklärprozess miteinbezogen werden.

Dazu Rohlfing: „In unserem Ansatz gehen wir davon aus, dass Erklärungen nur dann für die Anwender nachvollziehbar sind, wenn sie nicht nur für sie, sondern auch mit ihnen entstehen. In Erklärungen unter Menschen sorgt dafür der Austausch zwischen den Beteiligten, die Fragen stellen und Unverständnis äußern können.“ In einem interdisziplinären Team arbeiten Linguist*innen, Psycholog*innen, Medienforscher*innen, Soziolog*innen, Ökonomen und Informatiker*innen eng zusammen und erforschen die Prinzipien und Mechanismen des Erklärens und Verstehens als soziale Praktiken und wie diese in KI-Systemen implementiert werden können. Darüber hinaus erforscht das Team, wie die Ko-Konstruktion von Erklärungen im Zwischenspiel von Mensch und Maschine neue soziale Praktiken etabliert und wie sich diese gesellschaftlich auswirken.

Der Ansatz soll neue Antworten auf gesellschaftliche Herausforderungen im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz liefern. Im Kern geht es dabei um die Teilnahme von Menschen an soziotechnischen Systemen, mit der auch die Informationssouveränität der Nutzer gefördert wird. „Unser Ziel ist es, neue Formen von Kommunikation mit wirklich erklärbaren und verstehbaren KI-Systemen zu schaffen und somit neue Assistenzformen zu ermöglichen“, fasste Rohlfing zusammen. www.trr318.uni-paderborn.de

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Expert*innen informierten bei virtuellem Graduiertentraining über Microgrids und nachhaltige Energiekonzepte

Bezahlbare, verlässliche und saubere Energie für alle – so lautete eines der nachhaltigen Entwicklungsziele der Vereinten Nationen. Doch noch immer mangelt es Menschen am Zugang zu Elektrizität. Um das zu ändern, arbeiteten Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn und des ECOLOG-Instituts Lüneburg mit Partnern aus der Industrie in einem internationalen Projektteam daran, durch Microgrids, also voneinander getrennte Mini-Stromnetze, neue Wege der Elektrifizierung von abgelegenen Regionen in Ostafrika zu entwickeln. Wie groß das weltweite Interesse an den zukunftsorientierten und nachhaltigen Lösungen ist, zeigte das erste Graduiertentraining, zu dem sich mehr als 300 Teilnehmer*innen aus Afrika, Europa, Asien, Nord- und Südamerika sowie Australien angemeldet haben. Ziel des Trainings war es, die Forschung und Entwicklung von nachhaltigen modularen Energienetzen voranzutreiben, um eine bessere Netzstabilität in abgelegenen Gebieten ostafrikanischer Länder zu erreichen. Die virtuelle Veranstaltung unter dem Titel „Approaching Sustainable Energy Development in East African Countries through an interdisciplinary project on Microgrids“ fand vom 28. Juni bis 2. Juli 2021 statt. Durch Schulungsprogramme wie dieses wollten die Wissenschaftler*innen innerhalb des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts praxisrelevantes Wissen an Nachwuchswissenschaftler*innen und Fachkräfte weitergeben.

Fünf Tage lang vermittelten internationale Expert*innen Grundlagenkenntnisse über die ländliche Elektrifizierung durch Microgrids. Die Vorträge und Workshops wurden von den am Projekt beteiligten Personen der Universität Paderborn, der Makerere University (Uganda), des Nelson Mandela African Institute of Science and Technolgy (Tansania), der University of the Witwatersrand (Südafrika), des PI Photovoltaik-Instituts Berlin, des ECOLOG-Instituts sowie von Asantys Systems gehalten und geführt. Dabei lagen die Schwerpunkte auf ganz unterschiedlichen Themenfeldern und reichten von den Erziehungs- und Sozialwissenschaften über Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften bis hin zur Didaktik der Technik. Im Fokus standen u. a. die nachhaltigen Entwicklungsziele der Vereinten Nationen, die ökonomische Perspektive auf Nachhaltigkeit, technische Aspekte von Microgrids, aber auch Forschungsthemen im Bereich nachhaltiger Energie.
Weitere Informationen zum Projekt: www.art-d.net

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Neues Forschungsprojekt zu mehrsprachigen Frage-Antwort-Systemen

Milliarden Menschen nutzen täglich das Internet und produzieren dabei Quintillionen Bytes an Daten. Künstliche Intelligenz (KI) ermöglicht es, aus diesen riesigen Datenmengen strukturierte Erkenntnisse zu gewinnen. Davon profitieren insbesondere Unternehmen, die auf Grundlage von Daten geschäftskritische Entscheidungen treffen. Das Problem: Obwohl die Daten heute in einer Vielzahl von Sprachen verfügbar sind, mangelt es an mehrsprachigen Datensätzen wie Wissensgraphen (engl.: Knowledge Graphs), die Informationen strukturiert modellieren und Grundlage für viele KI-Anwendungen sind. In einem neuen Forschungsprojekt arbeiteten Wissenschaftler*innen der Fachgruppe „Data Science“ am Institut für Informatik der Universität Paderborn mit Partnern aus der Industrie daran, Endanwendern die Abfrage großer Mengen mehrsprachiger Textdaten mithilfe von Wissensgraphen zu ermöglichen. Durch diese Schlüsselkomponente soll der Einsatz von KI-gestützten Lösungen in Unternehmen effizienter werden, beispielsweise bei Frage-Antwort-Systemen (Question Answering, kurz: QA) in Form von Chatbots oder Enterprise Search, also firmeninternen Suchmaschinen.

Das Projekt mit dem Titel „Polylingual Hybrid Question Answering“ (PORQUE) wird für die nächsten drei Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „Eurostars“ mit insgesamt 1,2 Millionen Euro gefördert. Zu den Projektpartnern zählen das Unternehmen Semantic Web Company (Konsortialführer) und der Softwareentwickler SiteFusion.

Neue Plattform vereint mehrsprachige Daten 
„Unser Projekt zielt darauf ab, polylinguale, also mehrsprachige, konversationelle KI weiterzuentwickeln, um Nutzenden die Möglichkeit zu bieten, eine Vielzahl mehrsprachiger Datenquellen abzufragen. Dadurch sollen Unternehmen in der Lage sein, weltweit verfügbare Daten zu nutzen, um informiert geschäftskritische Entscheidungen treffen zu können“, so Prof. Dr. Axel-Cyrille Ngonga Ngomo, Leiter der Fachgruppe „Data Science“ am Institut für Informatik der Universität Paderborn.

Die Herausforderung liegt darin, komplexe Fragen über mehrere Sprachen hinweg, basierend auf großen Mengen heterogener Daten zu beantworten. „Die Innovation unseres Ansatzes liegt in der Kombination aus automatischer maschineller Übersetzung und Wissensgraphen“, erläutert der Informatiker. „Wissensgraphen bilden die Grundlage, ohne die viele KI-Anwendungen und -Assistenten heute nicht funktionieren würden: Sie stecken in Lösungen zum Auffinden von Informationen und QA-Systemen“, so Artem Revenko, Director Research, PoolParty Semantic Suite. Beispielsweise verbergen sich die Datensätze hinter den Informationsblöcken, die Google bei Suchanfragen einblendet, noch bevor man eine Seite aufruft, oder werden bei Amazon zum Beantworten von Fragen an Alexa genutzt. „Neben der Schwierigkeit, dass ein Mensch eine Frage auf viele verschiedene Arten stellen kann, mangelt es an Wissensgraphen in anderen Sprachen als Englisch, da knapp die Hälfte aller Informationen im Web nicht auf Englisch verfügbar sind“, erklärt Ngonga Ngomo. „Obwohl bereits ein großer Aufwand betrieben wurde, Wissensgraphen sprachübergreifend verfügbar zu machen, sind die meisten populären Wissensgraphen, z. B. DBpedia, in ihrer englischen Version am umfangreichsten. Dieser Mangel an mehrsprachigen Datensätzen schränkt die Übertragung von Modellen, die auf maschinellem Lernen basieren – wie QA-Systeme –, auf unterschiedliche Sprachen ein“, so der Wissenschaftler weiter.

Beantwortung sprachübergreifender Fragen aus dem europäischen Markt

Die neuartige Plattform zur mehrsprachigen Beantwortung von Fragen soll eine Hybrid-Lösung werden, erläuterte Ngonga Ngomo. „Unsere Plattform soll die Übersetzung und sprachübergreifende Anreicherung von Wissensgraphen, gekoppelt mit Informationen aus Texten aus dem Web umfassen. Sobald ein Wissensgraph mit mehrsprachigem Inhalt angereichert ist, wollen wir ihn als Hintergrundwissen für die Erstellung und Qualitätsverbesserung von polylingualen QA-Systemen verwenden.“ Das sei insbesondere im europäischen Kontext relevant, da Daten in diesem Raum in einer Vielzahl von Sprachen verfügbar sind.

Bisher gebe es nur sehr wenige Lösungen, die in Texten enthaltene Entitätsnamen (wie Namen von Personen oder Orten) mit polylingualem Domänenwissen verknüpfen, um Fragen zu beantworten, so Ngonga Ngomo. Er ergänzte: „Kommerzielle Anwendungen, die ein mehrsprachiges QA ermöglichen, hängen bislang stark von Menschen ab, die einen Teil der Qualitätssicherung der Daten übernehmen, was zeitaufwändig und kostenintensiv ist. Indem wir die maschinelle Übersetzung als automatisiertes System mit spezifischen Sprachverarbeitungstechniken kombinieren, ermöglichen wir es Endanwendenden, mehrsprachige Fragen zu stellen und automatisiert präzise Antworten zu erhalten.“

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Universität Paderborn ist einer der beteiligten Standorte

Die Kultusministerkonferenz (KMK) hat Ende 2021 ein umfassendes Zehnjahres-Programm zur Stärkung der mathematischen Bildung in Deutschland beschlossen. Mit „QuaMath – Unterrichts- und Fortbildungs-Qualität in Mathematik entwickeln“ reagierte sie auf das Problem, dass nur knapp die Hälfte aller Jugendlichen die mathematischen Kompetenzen erreicht, die die KMK in ihren Regelstandards festgelegt hat. Damit einher geht eine wegweisende Weiterentwicklung des Mathematikunterrichts. Das Programm wurde vom Deutschen Zentrum für Lehrerbildung Mathematik (DZLM) am Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN) entwickelt und gemeinsam mit den Ländern umgesetzt. Die Universität Paderborn ist als ein Standort des DZLM-Netzwerks an dem Programm beteiligt.
 

Der Zehnjahresplan sieht vor, mit Anregungen zur Unterrichtsentwicklung, fachdidaktisch fundierten Fortbildungsmaßnahmen und durch die Vernetzung aller Beteiligten mehr als 10.000 Schulen zu erreichen. Für das Programm erhält das DZLM ab 2023 eine Fördersumme in Höhe von rund 17,6 Millionen Euro für die ersten fünfeinhalb Jahre. Die Länder investieren zudem jährlich weitere 5,5 Millionen Euro für Länderkoordination sowie Multiplikatoren.

Die Universität Paderborn ist seit dem Beginn im Jahr 2011 am DZLM-Netzwerk beteiligt und hat u. a. Qualifizierungen mitentwickelt und in Kooperation mit Bildungsinstitutionen in verschiedenen Bundesländern sowie regional mit den Bezirksregierungen und Schulen durchgeführt. Der Paderborner Prof. Dr. Rolf Biehler, inzwischen im Ruhestand, gehört zum Vorstand des DZLM. Im Projekt QuaMath ist die Universität Paderborn durch die DZLM-Netzwerkpartnerinnen Prof. Dr. Julia Bruns, Prof. Dr. Uta Häsel-Weide und Prof. Dr. Lena Wessel vertreten.

Bei der forschungsbasierten Entwicklung von Fortbildungskonzepten dienen definierte Qualitätsmerkmale für guten Mathematikunterricht von der Kita bis zum Abitur als Grundlage für die Programmentwicklung. Um Lehrkräfte bei der Weiterentwicklung ihres Unterrichts zu unterstützen, werden typische Entwicklungsverläufe sowie ihre Hürden untersucht und die Fortbildungs- und Unterstützungsangebote gezielt darauf angepasst. Die gewonnenen Erkenntnisse werden ebenfalls in die Qualifizierung der Multiplikatoren, die die Schulnetzwerke in der Unterrichtsentwicklung begleiten, integriert.

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Wissenschaftler der Universität Paderborn klärt im Video über algorithmische Voreingenommenheit auf

1966 haben die Vereinten Nationen den 21. März zum „Internationalen Tag zur Überwindung von rassistischer Diskriminierung“ erklärt. Heute – 55 Jahre später – ist die Stigmatisierung aufgrund von Hautfarbe, Herkunft oder Geschlecht für viele Betroffene noch immer Realität. Selbst die eigentlich als rational geltende künstliche Intelligenz (KI) ist nicht gegen Vorurteile gefeit. Das haben Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn herausgefunden. In einem Video erklärte Informatiker Jun.-Prof. Dr. Henning Wachsmuth, wie es dazu kommen konnte, welchen Einfluss Kriminalstatistiken haben und welche Möglichkeiten es gibt, KI vorurteilsfrei zu gestalten.

Zum Video: https://youtu.be/7EoKX7gGSRM

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Forschungspreisträger der Universität Paderborn präsentieren Ergebnisse

Die notwendigen Voraussetzungen für eine erfolgreiche und nachhaltige Energiewende zu schaffen, ist einer der zentralen Aspekte auf dem Weg zur Klimaneutralität. Dr.-Ing. Oliver Wallscheid, Elektrotechniker an der Universität Paderborn, und der Informatiker Prof. Dr. Eyke Hüllermeier, der Anfang des Jahres 2021 von Paderborn an die Ludwig-Maximilians-Universität München gewechselt war, hatten sich deshalb 2019 zum Ziel gesetzt, flexible und intelligente Energiesysteme zu entwickeln. Dafür haben sie vor zwei Jahren den Forschungspreis der Universität Paderborn erhalten, der mit einer Summe von 150.000 Euro die höchstdotierte Auszeichnung der Hochschule ist. In einem hochschulöffentlichen Vortrag vor dem Universitätspräsidium sowie der Kommission für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs präsentierten die beiden Wissenschaftler am Mittwoch, 27. Oktober 2021, die Ergebnisse ihres Forschungsprojekts mit dem Titel „Reinforcement Learning in Micro- und Smartgrids: Sichere, datengetriebene Betriebsstrategien für komplexe Energiesysteme“. Dabei zeigten sie auf, wie durch künstliche Intelligenz (KI) und maschinelle Lernmethoden künftig eine stabile Energieversorgung garantiert werden kann. „Ich freue mich, dass auch in diesem Fall wieder ein hochinnovatives und gesellschaftlich relevantes Projekt eine Realisierungschance erhalten hat“, zeigte sich Prof. Dr. Johannes Blömer, Vizepräsident für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs, begeistert.

Von Großkraftwerken hin zu Micro- und Smartgrids

Konventionell zeichnet sich die Energieversorgung in Deutschland und Zentraleuropa durch ein sogenanntes „Top-Down“ System aus. Das bedeutet, dass die Endverbraucher*innen ihren Strom in den meisten Teilen von zentralen Großkraftwerken erhalten. Synchrongeneratoren sorgen dabei für eine gleichmäßige Energieverteilung und ein stabiles Netz. „Wenn dieses System in einigen Jahren durch politische Entscheidungen wie etwa den Kohleaussteig wegfällt, brauchen wir Alternativen“, so Hüllermeier. Lösungsansätze für eine nachhaltige und effektive Energiewende bieten sogenannte „Micro- und Smartgrids“ (MSG) – kleine Netze mit regenerativ erzeugtem Strom, einem entsprechenden Speicher und lokalen Abnehmern. „Besitzer eines Elektroautos, die ihr Fahrzeug mithilfe einer eigenen Photovoltaikanlage aufladen, sind ein gutes Beispiel dafür“, erklärte Wallscheid. Der Vorteil hierbei ist, dass die lokale Erzeugung und Nutzung der Energie das Stromnetz entlasten und dementsprechend die Notwendigkeit eines kosten- und ressourcenintensiven Netzausbaus verringern. Der Nachteil: MSG sind abhängig von äußeren Einflüssen wie Witterungsbedingungen, weshalb klassische Methoden der Stromverteilung und -regulierung hier nicht effizient genug sind. In Kombination mit schwankenden Energiebedarfen führt das zu einer fehlenden Versorgungssicherheit – die Wahrscheinlichkeit für Stromausfälle steigt, was beispielsweise in der Gesundheitsbranche oder der Industrie fatale Folgeschäden mit sich bringen kann. 

Ressourcen- und Energieeffizienz dank maschineller Lernverfahren

Diesem Problem wollten die Wissenschaftler mittels KI entgegenwirken. Das komplexe System mit zahlreichen Daten bietet hierfür grundsätzlich eine gute Ausgangslage. „KI wird mittlerweile in vielen Bereichen erfolgreich angewendet. Im Kontext von Energiesystemen hat es dazu aber bislang nur wenig Forschung gegeben“, führte Hüllermeier weiter aus. Gerade weil es sich bei Stromnetzen um sicherheitskritische Anwendungen handele, sei die Anwendung von datengetriebenen Methoden des maschinellen Lernens, deren Verhalten sich nur mittelbar kontrollieren lässt, eine zentrale Herausforderung des Forschungsprojekts gewesen. Dennoch konnten die Wissenschaftler ihre Fragestellung letztlich erfolgreich beantworten.

Open-Source-Software zur Optimierung von nachhaltigen Energiesystemen

Das Ergebnis ist ein Software-Instrumentarium zur Simulation und Kontrolloptimierung von MSG unter Anwendung von sogenanntem „Reinforcement Learning“ (RL). Bei dieser Methode führt ein Regler, auch Agent genannt, angetrieben von der Sensorik im System verschiedene Aktionen aus, wie etwas das Laden und Entladen des Batteriespeichers. Daraufhin bekommt das System Feedback, ob die jeweilige Aktion gut oder schlecht war. So kann sich die KI mit jeder Ausführung verbessern. Das Risiko: Bereits eine einzige Fehlentscheidung kann zu einem vollständigen Systemversagen führen. Die Projektgruppe hat deshalb eine Simulationsumgebung in Form eines modularen Stromnetzmodells entwickelt, in der KI-Algorithmen innerhalb flexibel veränderlicher Szenarien angelernt und geprüft werden können. So ist es möglich, die optimalen Einstellungen für einen sicheren und intelligenten KI-Betrieb der Energiesysteme herzustellen. Die Software ist als sogenanntes „Open-Source“-Projekt angelegt worden, so dass sie nicht nur kostenlos nutzbar ist, sondern ihr Quelltext auch von Dritten eingesehen und verändert werden kann. So soll eine stetige Erweiterung und Verbesserung des Systems ermöglicht werden. Zudem legte sie den Grundstein für einen erfolgreichen Praxistransfer ins Labor, bei dem ein skaliertes Inselnetz durch die KI betrieben wurde.
 
„Trotz schwieriger Rahmenbedingungen – bedingt durch die Coronapandemie und den Umzug von Herrn Hüllermeier nach München – haben wir das Forschungsprojekt erfolgreich abschließen können. Dafür möchte ich mich beim gesamten Team bedanken“, resümierte Wallscheid. 

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Präsentation eines Container-Systems an der Universität Paderborn

Durch klimabelastende CO2-Emissionen wächst der Bedarf an Alternativen zu herkömmlichen Kraft- und Brennstoffen stetig. Wissenschaft und Industrie arbeiten auf Hochtouren, um geeignete Lösungen zu finden. „Mit Wasserstoff haben wir Optionen, fossile Brennstoffe insbesondere in den Sektoren Industrie und Verkehr abzulösen“, weiß Prof. Dr.-Ing. Henning Meschede, Leiter des Fachgebiets „Energiesystemtechnik“ an der Universität Paderborn. Um den Einsatz des gasförmigen Energieträgers zu fördern und die Handhabung zu veranschaulichen, hat er in Kooperation mit der Westfalen Gruppe die Demonstration einer mobilen Wasserstofftankstelle auf dem Campusgelände organisiert. „Es freut mich, dass die Universität Paderborn den Weg Richtung Nachhaltigkeit beschreitet und mit dieser Veranstaltung Forschung zum Anschauen bietet“, begrüßte Prof. Dr. René Fahr, Vizepräsident für Wissens- und Technologietransfer, das Publikum im Y-Gebäude.

Zahlreiche Interessierte aus Wissenschaft, Industrie und Politik waren gekommen, um sich über den aktuellen Forschungsstand zu informieren und Handlungsmöglichkeiten abzuwägen. Da nicht nur private PKW, sondern auch Fahrzeuge für die Landwirtschaft, den öffentlichen Nahverkehr oder die städtische Abfallentsorgung sowie Wärmeerzeugung in industriellen Prozessen hohe CO2-Emissionen verursachen, hatten verschiedene Unternehmen und Kooperationsprojekte aus Ostwestfalen-Lippe ihre Ideen zum Transport, zur Bereitstellung und zum Einsatz von Wasserstoff bei der Veranstaltung vorgestellt. „Es ist kein Zufall, dass die Demonstration einer solchen Tankstelle ausgerechnet im Kreis Paderborn stattfindet. Wir haben hier eine Menge grüner Energie, geballte Kompetenz durch die Universität und den Willen in den Kommunen, bei solchen Projekten mitzuziehen“, freute sich Landrat Christoph Rüther.

Wasserstoff als klimaneutraler Energieträger

Die meisten Fahrzeuge, die mit Wasserstoff angetrieben werden, besitzen einen Elektromotor. Aus speziellen Hochdrucktanks wird das Gas in Brennstoffzellen geleitet, wo es mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft reagiert. Heraus kommt Wasser und elektrischer Strom. Die Vorteile von Wasserstofffahrzeugen: Sie verursachen keine Abgase, verfügen über eine große Reichweite und sind innerhalb weniger Minuten vollgetankt. Insbesondere für Nutzfahrzeuge und Langstrecken sind sie durch die großen speicherbaren Energiemengen eine Lösung für emissionsarme Mobilität. Wasserstoff in reiner Form gibt es allerdings kaum; er muss hergestellt werden. Hier setzten Forschungsarbeiten der Universität Paderborn an.

Prof. Dr. Matthias Bauer, Inhaber des Lehrstuhls „Anorganische Chemie für nachhaltige Prozesse“ an der Universität Paderborn, forscht schon seit vielen Jahren an der nachhaltigen Gewinnung von sogenanntem grünem Wasserstoff. Bei seinem Vortrag im Rahmen der Veranstaltung erklärte der Wissenschaftler, wie bekannte Prozesse aus der Natur, beispielsweise die Photosynthese, dazu genutzt werden können. Bis dieses Ziel flächendeckend erreicht ist, könne es nach Einschätzung des Wissenschaftlers aber noch etwa zehn Jahre dauern. „Es wird nicht die eine Lösung für alle Sektoren geben. Wasserstoff ist für eine nachhaltige Zukunft jedoch unverzichtbar. In der Gesellschaft muss deshalb die Akzeptanz für neue Technologien und Anwendungen geschaffen werden“, resümierte er.

Kurzfristige und flexible Verfügbarkeit durch mobile Tankstellen

Die Präsentation der mobilen Wasserstofftankstelle hatte genau das zum Ziel. „In der Anwendung ist Wasserstoff für uns nichts Neues. Wir sind aktuell aber überwiegend fossil unterwegs und das muss sich ändern“, erklärte Dr. Nicolas Dohn von der Westfalen Gruppe. Bereits 2016 hatte das Unternehmen aus Münster eine der ersten stationären Wasserstofftankstellen in Nordrhein-Westfalen erbaut. Für einen breiten Einsatz im ganzen Land muss die Infrastruktur aber erst noch geschaffen werden. Mit der mobilen Version wollen sie diesem Problem entgegenwirken. Basierend auf einem fahrbaren Container-System sollen verschiedenartige Wasserstofffahrzeuge kurzfristig und an flexiblen Standorten betankt werden können. Dazu werden in Kooperation mit Unternehmen unterschiedliche Betreiber- und Nutzermodelle an der Universität Paderborn erforscht.

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Digitale Technologien verändern die klassischen Formen des Lernens. Deshalb werden von bildungspolitischer Seite eine zunehmende Digitalisierung der Schulbildung und die Entwicklung entsprechender digitaler Angebote gefordert. Im deutschsprachigen Raum steckt das allerdings noch in den Kinderschuhen: Die üblichen Anwendungen gehen selten über Multiple-Choice-Tests und vergleichbar simple Aufgaben hinaus. Ein zentraler Bestandteil der schulischen Bildung ist – sowohl klassen- als auch fächerübergreifend – das argumentative Schreiben. „Durchdachte und zeitgerechte Lernformen sind gerade in diesem Bereich besonders wichtig“, sagte Jun.-Prof. Dr. Henning Wachsmuth von der Universität Paderborn. Der Informatiker leitete zusammen mit Prof. Dr. Sara Rezat, ebenfalls Universität Paderborn, ein neues Forschungsprojekt zum computergestützten Lernen. Die Wissenschaftler*innen untersuchten, wie algorithmische Methoden Schüler*innen beim Erwerb schriftlicher argumentativer Kompetenzen unterstützen können. Das Vorhaben wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) seit Dezember 2021 für eine Dauer von drei Jahren mit rund 540.000 Euro gefördert.

Entwicklungsstände identifizieren
Wachsmuth erklärte: „Die Anwendungen sollen argumentative Texte automatisch analysieren, um auf dieser Basis Feedback zu gelungenen und ausbaufähigen Aspekten zu geben und Verbesserungsvorschläge zu machen.“ Bei den Methoden geht es um die Struktur argumentativer Texte, die Bewertung der Entwicklungsstände von Schülern und um an den Entwicklungsstand angepasstes Feedback. Die Untersuchung der Inhalte und deren Beziehung zu Quellen sehen die Wissenschaftler*innen als weiterführende Arbeit an. Die Algorithmen sollen letztendlich sowohl Schüler*innen als auch Lehrende unterstützen.

Unterstützung bei der Meinungsbildung und Argumentstruktur 
„Die Auseinandersetzung mit Gegenpositionen ist ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung des argumentativen Schreibens. Studien zum Erwerb zeigen aber immer wieder, dass dieser Aspekt für viele Schüler*innen eine Hürde darstellt. Insbesondere dafür sollen algorithmische Methoden entwickelt werden, die eigene Positionen, Begründungen und Gegenpositionen in Texten erkennen und darauf aufbauend den Entwicklungsstand bewerten“, erklärte Rezat vom Institut für Germanistik und Vergleichende Literaturwissenschaft. „Die Ergebnisse dieser Analysen dienen dann als Input für Methoden, die ein entwicklungsstandspezifisches und schülersensitives Feedback generieren. So könnten Schüler*innen etwa auf fehlende Gegenpositionen hingewiesen werden wie auch auf mögliche Textstellen, bei denen sich diese einfügen ließen“, ergänzte Wachsmuth. Der Informatiker ist auch an einem weiteren DFG-Forschungsprojekt beteiligt, bei dem Begründungen in Texten automatisch und objektiv mithilfe von maschinellem Lernen zusammengefasst werden. Die Grundlage dafür bildet die von Wachsmuth entwickelte Suchmaschine „args.me“, die bereits seit 2017 online ist und Pro- und Kontraargumente zu Suchthemen gegenüberstellt, um die selbstbestimmte Meinungsbildung zu unterstützen.

Möglichkeiten und Grenzen des Möglichen
Im Zuge der Studien erstellen die Wissenschaftler*innen ein deutschsprachiges Korpus, also eine digitale Textsammlung, mit rund 1500 händisch annotierten argumentativen Lernertexten dreier Altersgruppen. Dieses soll auch in Zukunft als Basis für weiterführende Untersuchungen dienen und der Öffentlichkeit zur Verfügung stehen. In der qualitativen Auswertung werden die Methoden mit didaktischem Wissen zusammengebracht, um so die Möglichkeiten und Grenzen entwicklungsorientierter Schreibunterstützung zu bestimmen, sowohl in technischer als auch in sozialer Hinsicht. Mit ersten aussagekräftigen Ergebnissen rechnen Wachsmuth und Rezat in der zweiten Jahreshälfte 2022.

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Die wichtigste Förderinstitution und zentrale Selbstverwaltungseinrichtung für die Wissenschaft in Deutschland, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), hat Anfang Oktober 2021 den Förderatlas 2021 veröffentlicht. Die Daten der Jahre 2017 bis 2019 haben gezeigt, wie Hochschulen und Forschungseinrichtungen in verschiedenen Förderbereichen abschneiden und wie es um die Gesamtfinanzierung des deutschen Hochschul- und Wissenschaftssystems bestellt ist. Gleich mehrfach war die Universität Paderborn in den Rankings mit teilweise herausragenden Ergebnissen vertreten.

Bei den Ingenieurwissenschaften schaffte es die Universität Paderborn unter den Hochschulen mit den höchsten DFG-Bewilligungen für 2017 bis 2019 mit rund 26 Millionen Euro auf Platz 20. Werden diese 26 Millionen Euro in Relation zur Personalstärke gesetzt, verbesserte sich die Universität in der Rangliste auf Platz 15 für den Bereich der Professor*innenschaft. In Zahlen ausgedrückt, bedeutet das: 53 Lehrstühle bzw. Fachgebiete haben in dem genannten Zeitraum jeweils durchschnittlich rund 490.000 Euro eingeworben.

Die Aufschlüsselung nach Fachgebieten in den Ingenieurwissenschaften zeigte, dass Paderborn insbesondere in den Disziplinen „Informatik, System- und Elektrotechnik“ mit 16,2 Millionen Euro sowie „Maschinenbau und Produktionstechnik“ mit 5,8 Millionen Euro DFG-Bewilligungen gut aufgestellt ist. Dazu Prof. Dr.-Ing. Mirko Schaper, Dekan der Fakultät für Maschinenbau: „Neben der sehr guten Position im Ranking freue ich mich vor allem über den positiven Trend, denn wir sehen seit Jahren kontinuierlich steigende Zahlen bei den eingeworbenen Drittmitteln.“

Auch Prof. Dr. Peter Schreier, Dekan der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, würdigte die Leistung der Wissenschaftler*innen: „DFG-Drittmittelanträge durchlaufen einen besonders rigiden Begutachtungsprozess. Insofern freut es uns natürlich außerordentlich, dass wir hier so gut abschneiden. Das ist ein tolles Ergebnis, das die Qualität unserer Forschung bestätigt“.

An beiden Fakultäten sind gleich mehrere Sonderforschungsbereiche bzw. Transregios, die von der DFG gefördert werden, angesiedelt. Profilbereiche, an denen die entsprechenden Disziplinen maßgeblich beteiligt sind, sind u. a. Intelligente Technische Systeme, Nachhaltige Werkstoffe, Prozesse und Produkte sowie Optoelektronik und Photonik. Durch den fakultätsübergreifenden Diskurs – häufig auch in enger Zusammenarbeit mit der Industrie – entstehen zukunftsweisende Projekte, die sich drängenden gesellschaftlichen Herausforderungen widmen. Dazu zählen zum Beispiel Sicherheitslösungen für IT-Systeme oder Schlüsseltechnologien wie der Leichtbau, 3D-Druck und die Quantenkommunikation.

Besonders gute Ergebnisse erzielte die Universität auch durch die Förderung der „Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen“ (AiF) im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung“ (IGF): Hier lag sie auf Platz acht und damit im nationalen Vergleich in den Top Ten. Die AiF ist eine industriegetragene Organisation zur Förderung angewandter Forschung und Entwicklung im deutschen Mittelstand.

Prof. Dr. Johannes Blömer, Vizepräsident für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs der Universität Paderborn, ist stolz auf die Platzierungen: „Die guten Ergebnisse bestätigen unsere Forschungsstrategie und zeugen von der hervorragenden Arbeit unserer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Gleichzeitig sind sie für uns ein Impuls, uns stetig weiter zu verbessern.“
Der Förderatlas 2021 ist der inzwischen neunte Berichtsband, mit dem die DFG seit 1997 alle drei Jahre Kennzahlen zur öffentlich finanzierten Forschung vorlegt. Entsprechende Daten werden bei den fördernden Institutionen erhoben und nicht bei den geförderten Einrichtungen.

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Im Ranking des Centrums für Hochschulentwicklung (CHE) erreichte die Universität Paderborn im Jahr 2021 in allen untersuchten Disziplinen Top-Positionen. Auf dem Prüfstand standen in diesem Jahr die Fächer Biochemie, Biologie / Biowissenschaften, Chemie, Geografie, Geowissenschaften, Informatik, Mathematik, Medizin, Pflegewissenschaft, Pharmazie, Physik, Politikwissenschaft, Sport / Sportwissenschaft und Zahnmedizin. Das Ranking ist mit rund 120.000 befragten Studierenden und mehr als 300 Universitäten, Fachhochschulen, Dualen Hochschulen und Berufsakademien der umfassendste Hochschulvergleich im deutschsprachigen Raum. Im Bereich Informatik zählt die Universität Paderborn zu den besten drei Einrichtungen bundesweit.

Laut CHE waren an der Universität Paderborn besonders die Studierenden in den Fächern Chemie und Informatik sehr zufrieden mit der allgemeinen Studiensituation. Chemie-Studierende lobten die Unterstützung im Studium, die Studienorganisation und die Laborpraktika sowie die Vermittlung fachwissenschaftlicher, methodischer und fachübergreifender Kompetenzen. Informatik-Studierende bewerteten zusätzlich die Betreuung, die Unterstützung für ein Auslandsstudium, die Räume, die IT-Infrastruktur und die Ausstattung der Arbeitsplätze als sehr gut. Das Fach Informatik erwies sich als sehr forschungsstark, was sich an der überdurchschnittlichen Zahl der Veröffentlichungen und Forschungsgelder pro Wissenschaftler zeigte.

Prof. Dr. Peter Schreier, Dekan der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, und Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt, Dekan der Fakultät für Naturwissenschaften, freuten sich über die Ergebnisse: „Wir sind stolz, mit allen untersuchten Fächern in Spitzengruppen zu überzeugen. Das ist eine schöne Anerkennung der Kolleginnen und Kollegen, die neben exzellenter Forschung kontinuierlich an der Weiterentwicklung und Verbesserung der Lehre arbeiten und dabei die studentischen Wünsche und Anregungen berücksichtigen.“

In das Hochschulranking fließen sowohl Urteile von Studierenden als auch Fakten zu Lehre und Forschung ein. Die Hochschulen werden je nach Fach und Kriterium in eine Spitzen-, eine Mittel- und eine Schlussgruppe eingeteilt. Die Ergebnisse können eingesehen werden unter: ranking.zeit.de/che/de/.

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Beim internationalen „Global Ranking of Academic Subjects (GRAS)“ 2021, auch bekannt als „Shanghai-Ranking“, hat es die Universität Paderborn erneut unter die 500 besten Hochschulen weltweit geschafft. Im deutschlandweiten Vergleich landeten die Fächer Mathematik, Elektrotechnik, Betriebswirtschaftslehre (BWL) und Management auf den Plätzen 6 bis 22. In 2021 wurden mehr als 4000 Universitäten aus 93 Ländern und Regionen miteinander verglichen. Die GRAS-Rankings basieren auf einer Reihe von objektiven akademischen Indikatoren und Daten von Dritten, um die Leistungen in den jeweiligen Fächern zu messen.

Die Platzierungen im Einzelnen: Das Fach Mathematik belegte national die Ränge 12 bis 21, im internationalen Vergleich die Plätze 201 bis 300. Das Fach Elektrotechnik schaffte es auf Rang 9 bis 13, international auf die Ränge 301 bis 400.

Mit der Mathematik beherbergt die Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik das Institut, welches seit drei Jahren in den Top Listen des Shanghai-Rankings zu finden ist.

"Das ist ein wirklich hervorragendes Ergebnis, über das wir uns außerordentlich freuen. Damit gehören sowohl die Elektrotechnik als auch die Mathematik zu den besten Adressen in Deutschland. Das ist eine hohe Auszeichnung für die Forschung in der Fakultät und eine tolle Anerkennung für alle Forscherinnen und Forscher“, so Prof. Dr. Peter Schreier, Dekan der Fakultät.
Das aktuelle Ranking können Sie hier einsehen: www.shanghairanking.com/rankings/gras/2021

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