Bayerischer VDE Abend 2019

Die audEERING GmbH (Kunstname aus „Intelligent Audio Engineering“ – intelligente Audiotechnik) wurde 2012 als Spin-off der TU München gegründet. Sie entwickelt heute mit mehr als 60 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern innovative Produkte im Bereich emotionaler künstlicher Intelligenz mit Fokus auf der intelligenten Audioanalyse. Mithilfe von Verfahren des maschinellen Lernens (Deep Learning) ermöglichen audEERING Produkte u.a. die automatische Analyse von akustischen Umgebungen, Sprecherzuständen sowie über 50 verschiedenen Emotionsausprägungen. Eine Zeitung fasste das so zusammen: „Mit schlauer Software Emotionen erkennen“. 

Lokale Energie Communities verbinden Stromerzeuger sowie -verbraucher und verringern Belastungen für Netz, Umwelt und Geldbeutel. Solche Gemeinschaften demonstrieren die zukünftige Energiewelt: nachhaltig, digital und dezentral. Im bayerischen Brunnthal setzt GreenCom Networks solch eine Energie Community um: Maximale Unabhängigkeit und Transparenz für Mitglieder, 100 % grünen Reststrom und eine Incentivierung für jede Kilowattstunde, die in der Community erzeugt und verbraucht wird. Diese Community spiegelt den zellularen Energiesystemansatz des VDE und GreenCom Networks’ Lösungsportfolio wider, den GreenCom Networks u.a. im VDE-Arbeitskreis EV 4.0 und dort in der AG 2 „Planung und Transition zellularer Energiesysteme“ und in der AG 3 „Digitalisierung in zellularen Energiesystemen“ als Co-Moderator vorantreibt. 

Meisterprüfung: Systemelektronik

Die Meisterprüfung umfasste die Planung und Ausführung eines Gesamtkonzepts in den Bereichen Energiegewinnung, Energiespeicherung und Energieanwendung. Das Projekt beinhaltet die Bearbeitung von Werkstoffen, Löten und Aufbau von Platinen, Verdrahtung, Einstellen des Frequenzumrichters und Schreiben eines SPS-Programms. Die Komponenten kommunizieren untereinander und werden über externe Parameter beeinflusst. Die Abbildung unten zeigt den großen Umfang der gesamten Arbeit der Meisterprüfung mit den einzelnen Komponenten.

Förderung von Naturwissenschaften und Technik

Das Ignaz-Günther-Gymnasium in Rosenheim fördert seit vielen Jahren die MINT-Fächer (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik) durch das Angebot von Projekten und Arbeitsgruppen. Die Schüler beteiligen sich an Wettbewerben und haben hier schon mehrere Auszeichnungen erhalten. Im letzten Jahr hat die Schule die Auszeichnung „Bayerische Forscherschule des Jahres 2018“ erhalten. Beeindruckend sind die Breite der Themen, die Begeisterung der Schüler und das Engagement der Lehrer.

Förderung von MINT-Themen

Die Wilhelm-Löhe-Schule (WLS) hat über den Regelunterricht hinaus ein breites MINTAngebot entwickelt. In allen MINT-Fächern werden MINT-AGs als Wahlkurse schulartübergreifend angeboten. Betreut vom Fachlehrer besteht hier Forschungszeit für vorgegebene Themen und eigene Projekte. Es wird erfolgreich an verschiedenen und vielfältigen nationalen wie internationalen Wettbewerben wie z.B. Internationalen JuniorScience Olympiaden (IJSO) teilgenommen. Bei der IJSO stellte die WLS 2017, 2018 und 2019 jeweils zwei bzw. drei Bundesfinalisten. Seit 2015 ist die WLS kontinuierlich bei „Jugend forscht/Schüler experimentieren“ dabei, stellt seitdem Preisträger und Regionalsieger und wurde 2017 als „Mittelfränkische Forscherschule“ ausgezeichnet. 2019 wurden drei Regionalsiege erzielt, aus denen im Landeswettbewerb „Schüler experimentieren“ ein Sieg in Biologie hervorging. Seit 19 Jahren nimmt die WLS am VDE-Schülerforum teil. Das Konzept, die Forschungsergebnisse aus dem MINT-Bereich als 15-minütige Vorträge einem interessierten Publikum zu präsentieren, begeistert. Akzeptanz und Bekanntheit des Schülerforums sind an der WLS sehr hoch. Die Vortragenden, die von Markus Stammler (Dipl.-Physiker) und Gabriele Stadelmann (Dipl.-Chemikerin) betreut werden, belegen kontinuierlich die besten Plätze, 2018 und 2019 errangen sie sogar den Gesamtsieg. 

Masterarbeit: Automatic Sizing of Analog Operational Amplifiers Using Constraint Programming

Auch im digitalen Zeitalter werden noch analoge Funktionen auf integrierten Schaltungen benötigt. Während der Entwurf von digitaler Logik weitgehend computerunterstützt ist, ist der Entwurf analoger Schaltungen mühsam und langwierig. In ihrer Masterarbeit hat Inga Abel eine neue Methode für den automatisierten Entwurf von Operationsverstärkern vorgestellt. Alle nötigen Daten werden durch automatisierte Algorithmen aus der individuellen Netzliste einer Schaltung und einer Bibliothek von Funktionsblöcken entnommen. Mittels einer Methode der künstlichen Intelligenz, der sogenannten Constraint-Programmierung, wird anschließend eine optimale Dimensionierung ermittelt. Das Verfahren ist so praxisnah wie keine Methode zuvor und kann gleichzeitig den Rechenaufwand von vielen Stunden auf Sekunden reduzieren, es ist allerdings derzeit beschränkt auf Operationsverstärker.

Masterarbeit: Machine Learning Based Channel Estimation for Industrial Internet of Things

Wenn sich Teilnehmer oder Geräte während der drahtlosen Kommunikation bewegen, sind Störungen der Übertragung wegen der ständigen Änderungen der Eigenschaften des Funkkanals unvermeidlich. Will man Verfahren zur Verbesserung der Kommunikationsqualität einsetzen, ist eine möglichst genaue Kenntnis des Funkkanals erforderlich. Serkut Ayvaşik  verwendet in seiner Masterarbeit Tiefenbilder von Überwachungskameras in einer industriellen Umgebung, aus denen er mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens die Zuverlässigkeit der drahtlosen Kommunikation verbessert. Messungen an realen Szenarien und Vergleiche mit existierenden Verfahren ergaben eine Senkung der Paketfehlerquote um bis zu zwei Größenordnungen.

Masterarbeit: Analysis of a Side-Looking SAR for Subsurface Imaging of the Ice-Moon Enceladus

Als Antwort auf das große wissenschaftliche Interesse an dem Saturnmond Enceladus und seinem subglazialen Ozean schlägt die Deutsche Raumfahrtagentur im Rahmen des EnEx-Projekts (Enceladus Explorer) eine Mission zur Erkundung dieses mit einer kilometerdicken Eisschicht bedeckten Mondes vor. Ein zentrales Element dabei ist die radarbasierte Abbildung, Kartierung und Charakterisierung der Eiskruste. Andreas Benedikter wurde in Form einer Zusammenarbeit  zwischen dem DLR – Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme – und dem Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik der Universität ErlangenNürnberg damit betraut, die Möglichkeiten und Besonderheiten der orbitalen Radarbildgebung mittels Synthetischen Apertur Radars (SAR) für Enceladus zu analysieren und die spezielle Bildgebungscharakteristik für das „Subsurface SAR-Imaging“ von Eis zu untersuchen.

Bachelorarbeit: Niederohmiger Hybridkoppler für einen breitbandigen Doherty-Verstärker

Das sog. „Doherty“-Verstärkerprinzip erlaubt die Realisierung von Hochfrequenzverstärkern mit hoher Linearität und gleichzeitig hohem Wirkungsgrad. Hierbei werden zwei Verstärkerpfade mit unterschiedlicher Technologie parallel zusammengeschaltet, ein Verstärker für den mittleren Leistungsbereich und einer für die Leistungsspitzen. Eingesetzt wird diese Technik seit Langem bei Rundfunksendern, aber auch bei modernen digitalen Modulationsverfahren wie DAB und DVB-T. Das zentrale Element des Doherty-Verstärkers ist der sog. Hybridkoppler, der die Signale beider Verstärkerpfade mit hoher Effizienz kombiniert. 

Bachelorarbeit: Mapping of natural learning processes for the development of neural network
architectures – Implementation and comparison of approaches in the classification of radiological data sets

Die Bachelorarbeit befasst sich mit der computerbasierten Auswertung von radiologischen Bildern des Gehirns, um Ärzte bei der Erkennung von Anomalien und Tumoren zu unterstützen. Die anfallende Datenmenge ist so gewaltig, dass seit Jahren Verfahren zur automatisierten Auswertung untersucht werden. Klassisch werden Verfahren des Feature Engineering verwendet, ein Verfahren, das erprobt ist, aber nicht universell eingesetzt werden kann und viel Know-how und Erfahrung erfordert. Neuere Methoden des Deep Learning (künstliche Intelligenz) sind aber nicht intuitiv für den Arzt zu überprüfen. Die Arbeit befasst sich damit, die Ergebnisse zu visualisieren und transparent zu machen. Dazu wurden radiologische Datensätze verwendet, um verschiedene Prinzipien zu testen. Die Arbeit zeigt auch klar, wo noch Probleme in der automatisierten Auswertung bestehen.

Bachelorarbeit: Untersuchung der Richtcharakteristik bei Einzelstrahlern zur Reduktion ungewollter Abstrahlverhältnisse in Antennen-Arrays durch systematische Manipulation

In den aktuellen Mobilfunksystemen werden häufig mehrere Antennen zu Arrays zusammengefasst. Diese Dimensionierung bietet die größtmögliche Reichweite bzw. Richtwirkung, bei gleichzeitig homogener Ausleuchtung einer Funkzelle. Aufgrund der physikalischen Randbedingungen kommt es bei Antennen-Arrays jedoch auch zu einer ungewollten Abstrahlung außerhalb der Hauptstrahlrichtung, die durch geeignete Maßnahmen reduziert werden muss. Michael Freiberger hat in seiner Bachelorarbeit unterschiedliche Konzepte untersucht und ausgearbeitet. Mithilfe zusätzlicher passiver Elemente kann die ungewollte Abstrahlung der Antenne deutlich reduziert werden. Er hat einen Prototyp realisiert, der die Analysen voll bestätigt und die bisherigen Lösungen deutlich verbessert. Die Simulationen liefern erstmals zuverlässige Ergebnisse im Bereich der Nahfeldoptimierung, die bisher nur durch aufwendige und kostenintensive Versuchsreihen ermittelt werden konnten.

Masterarbeit: Compact Directories with Hybrid Architecture Aware Eviction Policies for Distributed Shared Memory MPSoCs

In heutigen Mikroprozessoren werden aktuell mehrere Rechnerkerne (Cores) verwendet. Zwischen diesen Rechnerkernen und den verteilten Speichern werden Zwischenspeicher (Caches) implementiert. Die Verwaltung der Caches ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Prozessoren. Die Daten aus den Caches müssen immer wieder gelöscht werden (eviction). Nael Fasfous hat in seiner Arbeit verschiedene Verfahren für das Cache-Speicher-Management in heterogenen Vielprozessor-Systemen (MPSoCs) untersucht. Seine Arbeit enthält neue, innovative Lösungen, die er nicht nur theoretisch untersucht, sondern auch an einem Demonstrator verifiziert hat.

Bachelorarbeit: Untersuchung der Richtcharakteristik bei Einzelstrahlern zur Reduktion ungewollter Abstrahlverhältnisse in Antennen-Arrays durch systematische Manipulation

In den aktuellen Mobilfunksystemen werden häufig mehrere Antennen zu Arrays zusammengefasst. Diese Dimensionierung bietet die größtmögliche Reichweite bzw. Richtwirkung, bei gleichzeitig homogener Ausleuchtung einer Funkzelle. Aufgrund der physikalischen Randbedingungen kommt es bei Antennen-Arrays jedoch auch zu einer ungewollten Abstrahlung außerhalb der Hauptstrahlrichtung, die durch geeignete Maßnahmen reduziert werden muss. Michael Freiberger hat in seiner Bachelorarbeit unterschiedliche Konzepte untersucht und ausgearbeitet. Mithilfe zusätzlicher passiver Elemente kann die ungewollte Abstrahlung der Antenne deutlich reduziert werden. Er hat einen Prototyp realisiert, der die Analysen voll bestätigt und die bisherigen Lösungen deutlich verbessert. Die Simulationen liefern erstmals zuverlässige Ergebnisse im Bereich der Nahfeldoptimierung, die bisher nur durch aufwendige und kostenintensive Versuchsreihen ermittelt werden konnten.

Masterarbeit: Evaluierung von Ansteuerstrategien für den fehlertoleranten Active Neutral Point
Clamped Wechselrichter

Die Masterarbeit von Johannes Häring befasst sich mit der Eignung des 3-Level Active Neutral Point Clamped (ANPC) Wechselrichters als fehlertolerante Wechselrichtertopologie, vorrangig für den Einsatz in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Um den Wechselrichter nach Ausfall eines Halbleiterschalters weiterhin in einem degradierten Modus betreiben zu können, wurde eine Strategie entwickelt, wie der Weiterbetrieb im Fehlerfall erfolgen soll. Dazu mussten sowohl die Eigenschaften der Fehlerstelle als auch die Auswirkungen auf den Antrieb untersucht werden. Das hierfür entworfene Verfahren wurde simulativ bestätigt, wobei Untersuchungen in unterschiedlichen Arbeitspunkten einer permanent erregten Synchronmaschine durchgeführt wurden.

Dissertation: Quantized Constant Envelope Transmit Signal Processing

Ziel der theoretischen Doktorarbeit war es, die Energieeffizienz von zukünftigen Mobilfunksendern zu verbessern. Dies ist besonders bei der 5. Generation von Mobilfunksystemen (5G) sehr wichtig, bei der sehr viele Basisstationen bzw. Antennen benötigt und extrem hohe Frequenzen verwendet werden. Den weitaus größten Energiebedarf hat dabei der Sendeverstärker. Dessen Wirkungsgrad kann man beträchtlich steigern, wenn die zu verstärkenden Signale pro Antenne und Verstärker eine konstante Hüllkurve aufweisen. Hela Jedda hat dafür neuartige Vorcodierungsalgorithmen entworfen und untersucht. Ein Mehrantennensender, der nach ihrem neuen Verfahren codiert wird, weist bei doppelter Antennenanzahl im Vergleich zu einem konventionellen Sender die gleiche spektrale Effizienz auf bei erheblich besserer Energiebilanz. 

Bachelorarbeit: Programmierung eines Pulsdetektors zur Erkennung von Teilentladungsimpulsen bei Messung mit Gleichspannung

Das Ziel der Bachelorarbeit Felix Langers war es, Teilentladungen (kleine Pulse bis in den pC-Bereich), die auf Schwachstellen in elektrischen Isolierungen hindeuten, bei Prüfungen mit Gleichspannung zu erkennen. Er hat dafür die folgenden Methoden aus der Signalverarbeitung zur Pulsdetektion untersucht:

• Bewertung der Signalenergie
• Lineare Prädiktion
• Bewertung der Nulldurchgangsrate
• Spectral Flatness Measur

Masterarbeit: Regelungstechnische Analyse zur aktiven Schwingungsdämpfung eines Asynchronmotors auf einem elastischen Stahlrahmenfundament

Die Masterarbeit wurde im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts zwischen dem Institut ELSYS der Technischen Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm und der Siemens AG durchgeführt. Zielsetzung dieses Forschungsprojekts ist es, für Asynchronmotoren der oberen Leistungsklasse (> 1MW) eine aktive Schwingungsdämpfung zwischen Motor und Stahlrahmenfundament zu konzipieren, sodass im Betrieb der gesamte Drehzahlstellbereich – ohne Sperrbereiche aufgrund von resonanzbedingten Schwingungen – genutzt werden kann, um somit einen energieeffizienten Betrieb großer Asynchronmotoren gewährleisten zu können. Die Basis dieses Projekts stellen hierbei die regelungstechnischen Analysen zur aktiven Schwingungsdämpfung dar, die im Rahmen dieser Masterarbeit durchgeführt wurden.

Masterarbeit: Development of a Framework to Combine Stochastic Model Predictive Control
with Failsafe Trajectory Planning

In der Arbeit wird eine Methode entwickelt, die es autonomen Fahrzeugen erlaubt, sicher und effizient zu fahren. Grundlage der neuen Methode ist die sog. modellprädiktive Regelung, bei der für einen endlichen Horizont, beispielsweise die nächsten vier Sekunden, eine zeitdiskrete optimale Fahrzeugbewegung (Trajektorie) geplant wird. In der Planung wird berücksichtigt, dass es in der Umgebung Unsicherheiten gibt, z.B. bei der Vorhersage der Bewegung anderer Verkehrsteilnehmer. Zur Erhöhung der Sicherheit wird zu jeder Trajektorie eine Back-up-Trajektorie berechnet. Im Gegensatz zu vergleichbaren Ansätzen wird so garantiert, dass zu jedem Zeitschritt eine Lösung existiert und eine sichere und effiziente Fahrzeugbewegung geplant wird. Simulationen verschiedener Autobahnszenarien bestätigten die Vorteile der neuen Methode.

Forschungsprojekt: Bee Digital – Der sensorgestützte Bienenstock zur Bekämpfung der Varroa-Milbe, mittels künstlicher Intelligenz

Die Rolle der Honigbienen für unser Ökosystem ist unbestritten. Bee Digital, der sensorgestützte Bienenstock, kann die Einflussgrößen zur Bekämpfung der Varroa-Milbe erforschen. Das Bienenhaus unterscheidet sich in drei Kernelementen von einem herkömmlichen Bienenhaus. Ein Monitoringsystem, bestehend aus Sensoren und Kameras, misst die Umweltbedingungen und liefert Bildinformationen über den Befall durch die Varroa-Milbe.