Automatisierte Inspektionssysteme sind zwar Stand der Technik, aber teuer und brauchen viel Zeit und Know-how in der Entwicklung. Letzteres gilt insbesondere für die Fehlersuche in nicht-standardisierten Bauteilen. Schneller geht es mit einer gut bestückten Datenbank, die anwendungsrelevante Fehler abbildet. Dabei werden nicht nur echte Bilddaten gesammelt, sondern auch Datensätze, die Defekte so beschreiben, dass daraus künstliche und fotorealistische Bilder erzeugt werden können.

Digitale Fehlerbibliothek

Die Abteilung »Bildverarbeitung« am Fraunhofer ITWM in Kaiserslautern beschäftigt sich schon lange mit der Detektion von Fehlern in Oberflächen: »Wir liefern komplette Inspektionssysteme, also Hardware und Software«, sagt Abteilungsleiter Markus Rauhut. »In den vergangenen Jahren haben wir unsere Algorithmen um Methoden des Maschinellen Lernens erweitert. Wir können nun fotorealistische Datensätze generieren, mit denen wir unsere KI trainieren.« Projektleiterin Dr. Petra Gospodnetic ergänzt: »Damit reduzieren wir Anzahl physischer Fehlerproben erheblich, aus denen die KI üblicherweise lernt. Dank der Förderung des Landes Rheinland-Pfalz können wir unsere Fehlerbibliothek signifikant erweitern, noch mehr Fehler erkennen und spezifizieren.«

Dr. Denis Alt, Staatssekretär im Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit, brachte den Förderbescheid persönlich nach Kaiserslautern und ordnete eQuality so ein: »Das Projekt zeigt, dass Künstliche Intelligenz bereits eine enorme Anwendungsnähe hat und einen Beitrag leisten kann, Produktion nachhaltiger zu gestalten und die Qualität von Produkten sicherzustellen. Das Fraunhofer ITWM trägt mit eQuality zur Stärkung der Innovationskraft des Forschungsstandortes und zur Wettbewerbs- und Zukunftsfähigkeit unserer Wirtschaft bei, indem es einen Beitrag leistet, die Vorreiterrolle von Rheinland-Pfalz im Bereich KI sicherzustellen, einem erklärten Ziel in unserem Koalitionsvertrag.«

Fokus liegt zunächst auf Fehlern auf Metalloberflächen

Ziel des Projekts »eQuality« ist eine Online-Plattform, über die Menschen aus der Praxis in Industrie und Forschung Defekte entsprechend ihrer speziellen Produkte erzeugen und herunterladen können. Im ersten Schritt deckt die Bibliothek eine Reihe von Fehlern ab, die für Metalloberflächen charakteristisch sind – wie Beulen, Kratzer, Risse, Kühlmittelrückstände, Metallspäne, Staubpartikel oder Flecken.

Mehr Informationen auf unserer Projektwebsite unter: www.itwm.fraunhofer.de/…

Die Ergebnisse des zweijährigen Projektes »Konzeption von datengetriebenen Geschäftsmodellen im Gesundheitswesen«, kurz KoGGe, können sich sehen lassen: Die Touren sind nach der Optimierung im Schnitt zwanzig Prozent kürzer, die durch Einsatz von hochqualifizierten Pflegekräften für vergleichsweise einfache Tätigkeiten konnten um mehr als zehn Prozent reduziert werden und die Wunschzeiträume, in denen die Pflegebedürftigen versorgt werden wollen, konnten fast alle eingehalten werden – alles deutliche Verbesserungen!

Pflegetourenplaner wissen, worauf es bei einem Hausbesuch ankommt und wie lange er dauert. Brauchen die besuchten Personen Unterstützung beim Essen? Benötigen sie Hilfe bei der Körperpflege? Diese und ähnliche Bedarfe fließen in die Planung der ambulanten Pflegetouren ein.

Lange Fahrten, zu geringe Termintreue

Ausgangslage des Projektes KoGGe waren händisch konzipierte Pläne, die das Pflegepersonal unter hohen Zeitdruck setzen, weil häufig zum Beispiel große Distanzen zwischen den einzelnen Patientinnen und Patienten lagen. Zudem wurden die Mitarbeitenden teilweise nicht immer ihrer Qualifikation entsprechend eingesetzt. Beides verursacht Kosten und wirkt sich schlecht auf die Motivation sowie Zufriedenheit der Mitarbeitenden aus, besonders gravierend in einem Dienstleistungsbereich, der ohnehin dauerhaft unter Fachkräftemangel und damit zu wenig Personal leidet.

»Wir sehen unsere Aufgabe in der Optimierung und Entscheidungsunterstützung für die Tourenplanung,« sagt Dr. Alexander Scherrer. In seiner Funktion als stellvertretender Leiter der »Optimierung in den Life Sciences«, einem Teil des Institutsbereichs »Optimierung« im Fraunhofer ITWM ist er verantwortlich für KoGGe. »Mit unseren Verfahren berechnet die Software schnell optimale Pläne für ambulante Pflegetouren. Und mit Entscheidungsunterstützung vergleichen Tourenplanende dann transparent Planoptionen miteinander, um dann zielgerichtet die am besten geeignete Tour auszuwählen.«

Automatisierte Nachoptimierung

Projektpartner ist die DM EDV GmbH, eine Tochterfirma der ARZ Haan-Gruppe. Das Unternehmen entwickelt und vertreibt seit 30 Jahren intelligente Softwarelösungen für die Pflege. »Durch die automatisierten Nachoptimierungen sparen ambulante Pflegeeinrichtungen auf der einen Seite Kosten und erhöhen auf der anderen Seite die Zufriedenheit ihrer Kundinnen und Kunden sowie Mitarbeitende «, sagt Stephan Pleye, Geschäftsführer der DM EDV GmbH. »In einer Gesellschaft, in der immer mehr Menschen auf Pflegedienstleistungen angewiesen sind, spielen solche Optimierungsansätze eine immer größere Rolle.«

Der Name der ITWM-Abteilung ist Programm: »Systemanalyse, Prognose und Regelung«. Die Forschenden aus Kaiserslautern entwickeln KI-gestützte Technologien für den Echtzeitanlagenbetrieb und Antriebstechnik. Im Fokus steht die Integration von Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) in signalverarbeitenden Analysen. So ermöglichen sie die sichere Überwachung von Betriebszuständen und die ressourcenschonende vorausschauende Instandhaltung der Anlagen.

Eine Software für die Künstliche Intelligenz im Schaltschrank

Industrieanlagen werden zur Steuerung und Überwachung mit einer Reihe von Sensoren überwacht, deren Daten oft zur Analyse in Cloudsystemen gespeichert werden. Informationssicherheitsbedenken oder die bei hohen Abtastraten anfallenden Datenmengen erfordern allerdings smartere Lösung an der Schnittstelle zwischen Schaltschrank und Intranet. Die Forschenden des Fraunhofer ITWM statten Edge-Geräte im Schaltschrank mit einer Software aus, die aus den Signalen aller Sensoren für den Prozess relevante Informationen erfasst und es z.B. einer Künstlichen Intelligenz ermöglicht zielgerichtete Warnungen oder Vorschläge zu erstellen. Die Software ist vom Messsystem unabhängig, damit Instandhaltungsanwendungen passgenau für jede Maschine bzw. Fertigungsstrecke implementiert werden können.

So können verschiedenste Sensoren verwendet werden, beispielsweise Beschleunigungs-, Abstands- und Stromsensoren oder auch Industriekameras. Einer der Sensoren, die das Fraunhofer ITWM mit langjähriger Erfahrung in Condition-Monitoring-Systemen verwendet ist ein magnetostriktiver Sensor zur berührungslosen Erfassung von Drehmomenten.

Projektbeispiel Zementmühlen: Weniger Schwingung, mehr Effizienz

Mit den Zementmühlen der Gebrüder Pfeiffer SE aus Kaiserslautern werden die intelligenten Edge-Geräte im realen Produktionsbetrieb getestet. »Beim Zerkleinern von Bauschutt wirken große Kräfte, die zum Aufschwingen der Mühlen führen und deren Verschleiß beschleunigen«, erklärt Dr. Benjamin Adrian, stellvertretender Leiter der Abteilung »Systemanalyse, Prognose und Regelung«. »Das können wir verhindern, indem wir mit einem digitalen Zwilling die Maschineneinstellungen optimieren und diese auf die realen Mühlen übertragen.«

Vortrag über Condition Monitorung: »Die Antriebswelle sieht alles«

Dr. Benjamin Adrian und sein Team vertreten das Fraunhofer ITWM in Stuttgart mit einem eigenen Messestand in der Innovation Area in Halle 2A, gemeinsam mit dem Kooperationspartner Magnetic Sense. Außerdem hält Adrian einen Vortrag mit dem Titel »Die Antriebswelle sieht alles! Condition Monitoring mit berührungsloser Drehsensorik«.

Zu hören ist er am 7. November um 15:30 Uhr im Fachforum (Standnummer. 2D21) in Halle C2.

Eingeteilt in sechs Kleingruppen arbeiteten die jungen Talente an verschiedenen Projekten – alle aus dem Themengebiet der angewandten Mathematik. Auch das Freizeitprogramm kam dabei nicht zu kurz, von einem Theater-Teambuilding-Workshop über eine Nachtwanderung bis hin zu einem gemeinsamen Abendessen in der Innenstadt von Kaiserslautern war für alle etwas dabei.

Die MINT-EC Math-Talent-School veranstaltet das Felix-Klein-Zentrum für Mathematik, ein Zusammenschluss des Fraunhofer ITWM und des Fachbereichs Mathematik der RPTU. Mehrmals im Jahr bekommen Schüler:innen von MINT-EC Schulen die Chance, mit Expert:innen an spannenden Projekten zu arbeiten. MINT-EC ist ein internationales Netzwerk von Schulen, das seinen Fokus auf naturwissenschaftliche Lehre setzt.

In einem Rückblick blicken wir auf die Highlights der vergangenen Woche: Zum Rückblick

Weitere Informationen hierzu finden Sie auch hier.

In Hamburg nahm Anita Schöbel als erste Frau in dieser Kategorie den Preis feierlich von Prof. Dr. Alexander Martin entgegen. Der Wirtschaftsmathematiker ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS. Der Preis würdigt das Gesamtwerk der Mathematikerin im Schwerpunkt »Operations Research« und ist aktuell mit 8 000 Euro dotiert.

»Operations Research is great!» – In einer persönlichen Danksagung und Rede stellteSchöbel nochmal heraus, wie relevant OR für ihre Forschung und ihren Werdegangbisher waren. »Es ist wunderbar, das Fachgebiet in engagierten Teams auf so vielenEbenen voranzubringen. Die Auszeichnung bestätigt mich darin, dass dies in derCommunity genauso wahrgenommen wird. Auch wenn mit der Auszeichnungeigentlich ein Lebenswerk geehrt wird, ist hier meine Arbeit natürlich noch lange nichtam Ende«, so die Mathematikerin.

»Operations Research sichtbarer machen«

Neben ihrer wissenschaftlichen Arbeit ist Anita Schöbel seit dem 1. Januar zudem Präsidentin der »Association of European Operational Research Societies« (EURO) und damit auf internationaler Ebene als Botschafterin von Operations Research unterwegs – zuletzt zum Beispiel in Chile auf der Konferenz IFORS23 (International Federation of Operational Research Societies).

»Mein Ziel ist es, das Fachgebiet Operations Research sichtbarer zu machen: in anderenDisziplinen, in der Gesellschaft, der Politik und in der Wirtschaft«, betont Schöbel.

»Unsere Methoden unterstützen bei vielen aktuellen Fragen: Wie verteilt man Energie? Welche Herausforderungen lösen wir in der Medizin, der Logistik oder bei der Planung der zukünftigen Mobilität, um nur ein paar Bereiche zu nennen.« Sowohl bei ihrer Arbeit als Professorin als auch am Fraunhofer ITWM – dem weltweit größten Institut für Angewandte Industriemathematik – schlägt sich das in vielen unterschiedlichen Anwendungsfeldern nieder.

Was genau versteht man unter »Operations Research«?

In »Operations Research« entwickeln Forschende aus Mathematik, Wirtschaftswissenschaften und Informatik quantitative Modelle und Methoden, die meist beim Entscheiden und Planen von unternehmerischen und gesellschaftlichen Prozessen unterstützen. Mathematische Modellbildung und Optimierung sind dabei wichtige Bausteine. Am Fraunhofer ITWM widmet sich dem eine eigene Abteilung mit dem Namen »Optimierung – Operations Research«.

Laudatio würdigt Werk und Wirken von Schöbel

Die Laudatio wurde von Prof. Dr. Horst W. Hamacher gehalten. Er gilt im Bereich Operations Research ebenfalls als Koryphäe und leitet an der RPTU Kaiserslautern die Arbeitsgruppe »Optimierung«, in der Schöbel ebenfalls lehrt und forscht. Er ist der Mathematikerin sehr verbunden, zum Beispiel über einige berufliche Schnittstellen, zudem bekam er den GOR-Preis 2015 verliehen und Schöbel hielt die wertschätzende Laudatio.

»Frau Schöbel hat mit ihren Forschungen zur Ganzzahligen Optimierung, Robusten Optimierung, Optimierung des öffentlichen Verkehrs, Standortoptimierung und zu Geometrischen Optimierungsverfahren Herausragendes zur disziplinären Entwicklung des Operations Research geleistet«, betont Hamacher. »Ihr wissenschaftliches Gesamtwerk ist geprägt durch ihre Publikationen, Vorträge und Projekte. Besonders zu erwähnen ist dabei die jeweilige Bandbreite der Aktivitäten, die von populärwissenschaftlichen Artikeln bis zu wichtigen Beiträgen zu theoretischen Grundlagen des Operations Research reicht.« Besonders herausgestellt hat er zudem ihr vielseitiges Wirken für die Wissenschaftsgemeinschaft: Mit den Worten »Schöbel genießt international hohes Ansehen« zählt Hamacher zahlreiche Karrierestationen und Posten der renommierten Wissenschaftlerin auf.

Die Auswahl der Preisträgerin erfolgte durch eine unabhängige wissenschaftliche Jury aus folgenden Experten: Prof. Dr. Rüdiger Schultz (Duisburg-Essen, Vorsitz), Prof. Dr. Richard Hartl (Wien), Dr. Ulrich Dorndorf (INFORM) und Prof. Dr. Stefan Ruzika (Kaiserslautern).

Über die Fraunhofer-Gesellschaft

Die Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Deutschland ist die weltweit führende Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Mit ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien sowie auf die Verwertung der Ergebnisse in Wirtschaft und Industrie spielt sie eine zentrale Rolle im Innovationsprozess. Als Wegweiser und Impulsgeber für innovative Entwicklungen und wissenschaftliche Exzellenz wirkt sie mit an der Gestaltung unserer Gesellschaft und unserer Zukunft. Die 1949 gegründete Organisation betreibt in Deutschland derzeit 76 Institute und Forschungseinrichtungen. Etwa 30 800 Mitarbeitende, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von rund 3,0 Mrd. €. Davon fallen 2,6 Mrd € auf den Bereich Vertragsforschung.

Abrechnungsbetrug im Gesundheitswesen verursacht jährlich Schäden von mehreren Milliarden Euro. Durch die Digitalisierung von Prozessen ergeben sich neue Möglichkeiten, Betrug systematisch zu entdecken – sei es in der Pflege, in Krankenhäusern oder der öffentlichen Verwaltung. Im Projekt »PflegeForensik« entwickeln die Projektbeteiligten seit 2021 eine Softwarelösung, die mit Künstlicher Intelligenz (KI) bei den Ermittlungen unterstützt sowie bei Arbeiten, die früher rein manuell durchgeführt wurden. 

Algorithmen auf der Suche nach Auffälligkeiten

Im Fokus des Projekts standen zunächst die Algorithmen zum automatischen Einlesen und intelligenten Auswerten der Papierberge. Denn fast jeder Pflegedienst hat seine eigenen, unterschiedlich aufgebauten Papierdokumente, die oft nur analog vorliegen und sogar handschriftliche Elemente beinhalten. Das automatisierte Prüfen hiervon stellte die Beteiligten vor eine echte Herausforderung. »Diese verschiedenen Dokumente werden manuell in Tabellen übertragen und geprüft. Das ist mühsame Fleißarbeit. Mit Bildverarbeitung beschleunigen wir diesen Prozess«, erklärt Dr. Henrike Stephani, stellvertretende Leiterin der Abteilung »Bildverarbeitung« am Fraunhofer ITWM. »Sowohl die Dokumentenstruktur lässt sich mit unseren Algorithmen erfassen als auch die Inhalte. Beispielsweise finden sie Unterschriften und ordnen sie den richtigen Personen zu.«

Gleichzeitig sind Touren- und Dienstpläne die Planungsbasis von Pflegediensten. Diese mit den Abrechnungsdaten zu vergleichen, kann Hinweise auf Betrugsfälle liefern.

»Eine Auffälligkeit besteht zum Beispiel darin, dass viele Leistungen abgerechnet werden, aber der Tourenplan nur einen kurzen Einsatz listet. Solche Besonderheiten müssen wir automatisiert finden«, ergänzt Dr. Elisabeth Leoff. Sie ist Projektleiterin und stellvertretende Leiterin der Abteilung »Finanzmathematik« beim Fraunhofer ITWM. »Unsere KI wird den Menschen im Prozess zukünftig natürlich nicht ersetzen, aber erheblich unterstützen«.

KI wird erst durch aufwändiges Training intelligent

Um diese Auffälligkeiten zu finden und digital auszuwerten, haben die Forschenden gemeinsam mit den Anwender:innen typische Ermittlungen in mathematische Modelle übersetzt. Hier hat das Team realistische Szenarien erstellt und die dazugehörigen Auswertungen durchgespielt.

Zum Trainieren der KI-Algorithmen wurde vom ITWM-Team und der Polizeidirektion Leipzig mit großem Aufwand Datenannotation betrieben. Das heißt: Mehrere hundert Dokumente sind zunächst anonymisiert, und dann mit Eigenschaften manuell markiert worden, um den Algorithmus intelligent zu gestalten. Auf Basis dessen wird programmiert und auch in Zukunft immer wieder mit Daten getestet und nachgebessert. 

PflegeForensik-Demonstrator auf dem Prüfstand

»Unsere Ergebnisse zeigen gute Fortschritte auf dem Weg zu einer Software, die die Arbeit der Strafverfolgungsbehörden vereinfacht, aber auch von Versicherungen zur Prüfung der Abrechnungsunterlagen eingesetzt werden kann«, berichtet Leoff. »In der letzten Projektphase haben wir den Demonstrator weiter auf Echtdaten getestet.« Ende April 2023 fand dazu ein Workshop in Berlin statt. Die Teilnehmenden aus den Reihen der Strafverfolgungsbehörden, Justiz und Krankenkassen probierten den Software-Demonstrator direkt vor Ort aus.

»Das erfreuliche Ergebnis des interdisziplinären Forschungsprojektes zeigt sehr deutlich, dass die Strafverfolgung im Bereich des Abrechnungsbetrugs in der Pflegebranche beschleunigt und effektiver ausgestaltet werden kann. Die große Herausforderung besteht nun darin, die Ergebnisse dieses erfolgreichen Forschungsprojektes in die Praxis zu überführen«, so Generalstaatsanwalt Martin Uebele.  

Das Projekt endet im Juni 2023. Im nächsten Schritt heißt es im Idealfall »vom Prototypen zur Produktivsoftware«, die möglichst einfach zu bedienen ist und gleichzeitig gerichtsfeste Ergebnisse liefert. Das Team ist zuversichtlich und freut sich auf die Kontaktaufnahme weiterer Projektpartner.

Weitere Online-Informationen
www.itwm.fraunhofer.de/pflegeforensik

Medien-Beiträge
In der laufenden TV-Berichterstattung ist u.a. ein Beitrag zum Projekt in folgenden MDR-Sendungen geplant:

• Sachsenspiegel 30.06.2023
• Kripo Live 02.07.2023
• Brisant 30.6.2023 und 02.07. 2023

Das Felix-Klein-Zentrum ist die institutionelle Verknüpfung des Fachbereichs »Mathematik« der RPTU und des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM mit dem Ziel, eine ganzheitliche Sicht auf die Mathematik in Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft zu vermitteln.

Finanzielle Unterstützung und intensive Betreuung

Das Stipendium gibt Studierenden die Chance, ihre Zukunft mit dem sicheren Rückhalt einer finanziellen Förderung zu gestalten. Darüber hinaus bietet das Felix-Klein-Zentrum ein studienbegleitendes Programm an, zu dem die intensive Betreuung in umfangreichen Tutorien genauso gehört wie großartige gemeinsame Aktivitäten. »Die persönliche Betreuung ist absolut vorbildlich, man kann jeder Zeit beim Professor im Büro vorbeischauen, dem Übungsleiter bei Fragen eine Mail schreiben oder ins betreute Lernzentrum gehen«, berichtet ein Stipendiat.

Der Fachbereich »Mathematik« der RPTU in Kaiserslautern ist in Lehre und Forschung erstklassig ausgezeichnet und garantiert eine fundierte Ausbildung in reiner und angewandter Mathematik auf hohem Niveau. Die enge Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ITWM bietet Stipendiat:innen die Möglichkeit, Theorie und Praxis zu verbinden und Einblicke in das Arbeitsumfeld von Mathematiker:innen zu erhalten.

Weitere Informationen zum Stipendium sowie zur Bewerbung gibt es auf der Website des Felix-Klein-Zentrums unter www.felix-klein-zentrum.de/stipendien.

Die Ortswahl kommt nicht von ungefähr, denn das Kaiserslauterer Mathematik-Institut unterstützt das Mathe-Camp seit vielen Jahren, inhaltlich, personell und finanziell. Das Felix-Klein-Zentrum für Mathematik e.V. fördert das Mathe-Camp an der RPTU Kaiserslautern jährlich mit 6000 Euro und bietet Mathe-Talenten, die sich für ein Studium an der Kaiserslauterer Uni entscheiden, die Möglichkeit, sich für eines der großzügigen Stipendien zu bewerben. Nicht wenige ehemalige Stipendiatinnen und Stipendiaten arbeiten mittlerweile am Fraunhofer ITWM.

Der Wettbewerb kennt nur Sieger:innen

Organisiert wird das Camp vom Landesbeauftragten für Mathematik-Olympiaden, Oberstudienrat Steffen Marhold vom Westerwaldgymnasium Altenkirchen und Henry Jäger vom Fachbereich »Mathematik« der RPTU in Kaiserslautern.

Steffen Marhold sieht alle Teilnehmenden bereits als Sieger:innen: »Diese 35 Schülerinnen und Schüler haben erfolgreich vier Runden absolviert und dürfen sich daher alle als Gewinner:innen fühlen.« An der Schulrunde nahmen 1500 Jugendliche aus ganz Rheinland-Pfalz teil. Die Zahl reduzierte sich auf 1100 in der Regionalrunde und auf 350 in der Landesrunde. In die Bundesrunde schaffte es noch ein Zehntel.

Beim einwöchigen Trainingscamp am Fachbereich überwanden Schülerinnen und Schüler aus den Klassenstufen sieben bis dreizehn etwaige Berührungsängste mit Graphentheorien, geometrischen Ungleichungen, Beweisstrategien und ähnlichen mathematischen Herausforderungen. Wer zur Endrunde nach Berlin fahren darf, das entschied zum Abschluss der Woche eine Auswahlklausur.

Dritte Olympiade, erstes Camp für Teilnehmer aus Kaiserslautern

Aus Kaiserslautern macht sich Raphael Gaedtke auf den Weg in die Hauptstadt. Er besucht die zwölfte Klasse des Hohenstaufen-Gymnasiums und nahm bereits zum dritten Mal an der Mathe-Olympiade teil. »Es war aber mein erstes Mathe-Camp, denn in den vergangenen beiden Jahren gab es keine wegen Corona. Mir hat es viel Spaß gemacht, vor allem die Seminare, weil man was lernt und sich mit den anderen austauschen kann. Auch das Leistungsniveau war perfekt – nicht überfordernd und nicht unterfordernd.« Pläne für die Zeit nach dem Abitur hat er bereits: Er will Mathematik studieren, mit Informatik im Nebenfach.