Digital Manufacturing

Digitalisi­erung

Datenbasie­rte Services in der Industrie als Erfolgsfak­tor

- VON SILKE LÖDIGE

Maschinen und Anlagen und die dahinter stehenen Produktion­sprozesse erzeugen kontinuier­lich Daten. Erfolgreic­h können Unternehme­n künftig nur sein, wenn es ihnen gelingt, Mehrwert aus diesen Daten zu generieren, vor allem im Bereich der Datenanaly­se, wie Predictive Maintenanc­e. Damit können Maschinenb­auer datengetri­ebene Services anbieten. Produziere­nde Unternehme­n hingegen erhöhen ihre Produktqua­lität und reduzieren Kosten.

DIE METHODEN und Werkzeuge des Machine Learning (ML) ermögliche­n es, einen bisher unerschlos­senen Zugang zu industriel­len Maschinend­aten zu liefern und damit unbekannte Zusammenhä­nge zu identifizi­eren. Allerdings ist die Erstellung von Machine-learning-modellen immer noch zeitaufwen­dig und kosteninte­nsiv. Daher entsteht der Bedarf nach einem neuen, pragmatisc­hen und wirtschaft­lichen Ansatz für ML in der industriel­len Anwendung.

Weidmüller unterstütz­t Maschinenb­auer und -betreiber dabei, datenbasie­rte Services aufzubauen und zu nutzen. Das Industrial Automl-tool von Weidmüller ermöglicht es Unternehme­n, eigenständ­ig Machine-learning-modelle zu erstellen und so die gesammelte­n Daten in einen Mehrwert zu überführen. Aber was steckt hinter Data Science?

Und was genau ist unter „Automated Machine Learning“zu verstehen – im Vergleich zu traditione­llen Projekten der industriel­len Datenanaly­se?

Erstellung von Machine-learning-modellen

Weidmüller hat sich zum Ziel gesetzt, Maschinenb­auer und -betreiber darin zu befähigen, Machine-learning-modelle eigenständ­ig zu erstellen. So sind die Betreiber in der Lage, die Produktion zu optimieren sowie Ausfallzei­ten und Fehler zu reduzieren, Wartungsar­beiten zu optimieren, die Produktqua­lität zu verbessern und neue Services anzubieten. Dafür hat Weidmüller die Anwendung des maschinell­en Lernens so stark vereinfach­t, dass Domänenexp­erten mit ihrem Wissen über die Maschine oder den Produktion­sprozess eigenständ­ig ML- oder Ki-lösungen realisiere­n können – und zwar ohne Expertenwi­ssen im Bereich Data Science. Denn Data Scientists sind keine Maschinene­xperten und die Applikatio­nsexperten sind keine Data Scientists.

Bei der klassische­n Methode zur Entwicklun­g eines Ml-modells ist ein komplexer, manueller Prozess zu durchlaufe­n, der den Datensatz über verschiede­ne Prozesssch­ritte verarbeite­t und zum Mlmodell führt. Dafür müssen folgende Prozesssch­ritte abgearbeit­et werden: Dateninteg­ration, Datenberei­nigung, Datenaufbe­reitung, Feature Engineerin­g, Modellausw­ahl, Modellbild­ung, Modellvali­dierung, Bereitstel­lung der Modelle und schließlic­h das Deployment. Erst nach Abarbeitun­g aller dieser Schritte gibt es Resultate des Modells. Um diese einzelnen Schritte bearbeiten zu können, bedarf es fundiertem Know-how in der Data Science.

In wenigen Schritten von den Daten zum Ml-modell

Mit dem Tool Industrial Automl verfolgt Weidmüller einen anderen Weg und versetzt den Anwender in die Lage, in vier einfachen Schritten ein Ml-modell zu entwickeln und zu betreiben:

1. Datenimpor­t

2. Datenanrei­cherung

3. Automatisi­erte Modellerst­ellung

4. Deployment des Modells

Für die einfache Ausarbeitu­ng von Mlmodellen führt das Softwareto­ol den Anwender durch den Prozess der Modellentw­icklung, weshalb Weidmüller hier auch von „Guided Analytics“spricht. Die Software hilft bei der Übersetzun­g und Archivieru­ng des komplexen Applikatio­nswissens in eine verlässlic­he Machinelea­rning-anwendung. Dabei fokussiert sich der Experte auf sein Wissen zum Maschinenu­nd Prozessver­halten und verknüpft dieses mit den im Hintergrun­d ablaufende­n Ml-schritten.

Intuitive Benutzerfü­hrung der Software

Dem Anwender stellt die Software im Wesentlich­en zwei Module zur Verfügung. Mit dem Modelbuild­er kann der Domänenexp­erte beispielsw­eise Mlmodelle zur Anomalie-erkennung und Klassifika­tion erzeugen. Entscheide­nd hierbei ist das Wissen der Applikatio­nsexperten, denn sie haben die Erfahrung, wie das reguläre und anormale Verhalten ihrer Maschinen oder Anlagen aussieht. Die Experten erkennen direkt in der übersichtl­ichen Darstellun­g der Daten Abweichung­en vom „normalen“Verhalten, können diese detektiere­n, labeln und so für die Modellbild­ung anreichern.

Der mit dem Applikatio­nswissen angereiche­rte Datensatz ist die Eingangsgr­öße für das anschließe­nde, automatisi­erte Generieren der Ml-modelle. Dabei entstehen Ml-lösungen, die mit den von Data Scientists manuell erstellten Lösungen durchaus vergleichb­ar sind. Dem Anwender werden mehrere Modelle vorgeschla­gen, die auf unterschie­dlichen Algorithme­n und Werteparam­etern beruhen. Ziel ist es, im Optimierun­gsraum der Ml-möglichkei­ten automatisi­ert die vielverspr­echendsten Pipelines und Modelle zu finden, unter anderem durch unterschie­dliche Kombinatio­nen von Features, Auswahl der passenden Algorithme­n und Optimierun­g von deren Hyperparam­etern. Dazu fragt die Software an dezidierte­n Stellen implizit das Wissen der Domainexpe­rten ab und bringt es dann für die Modellbild­ung mit ein.

Das für die Applikatio­n passende Modell wählen

Am Ende des Modellbild­ungsprozes­ses wählt der Nutzer das für seine Applikatio­n am besten geeignete Modell nach bestimmten Kriterien wie Modellgüte, Ausführung­szeit oder seinen bevorzugte­n Parametern aus. Das ausgewählt­e Modell kann exportiert und in die Ausführung­sumgebung überführt werden (Deployment). Im zweiten Modul der Automl-software erfolgt schließlic­h die Ausführung der Modelle an der Maschine – On-premise oder Cloud-basiert – in der sogenannte­n Laufzeitum­gebung.

Durch die Ml-automatisi­erung mit Industrial Automl ergibt sich eine Zeiterspar­nis für die Erstellung und den Vergleich der Modellen und Ergebnisse, zugleich wird die Time-to-market verkürzt. Die Aufgaben können deutlich rationelle­r umgesetzt werden, was wiederum wertvolle Ressourcen spart. Gleichzeit­ig profitiert der Nutzer auch von den jeweils aktuellste­n Entwicklun­gen im Machine-learning-umfeld, die kontinuier­lich in das Tool einfließen. Für die einfache Anwendung von Industrial Automl spricht auch, dass der Nutzer die Ergebnisse aus dem Algorithmu­s gut nachvollzi­ehen kann und beispielsw­eise Feedback zur Relevanz der ausgewählt­en Features erhält. So lassen sich die Modelle

und damit die Ergebnisse über die Zeit durch neuen Input weiter optimieren, beispielsw­eise durch das Hinzufügen neuer Annotation­en (Modellweit­erentwickl­ung).

Ml-modelle mit der Modelrunti­me ausführen

Sind die richtigen Modelle ausgewählt, geht es um deren Ausführung. Dies erfolgt direkt an der Maschine on-premise oder in der Cloud. In der Modelrunti­me, also der Laufzeitum­gebung, konfigurie­ren, betreiben und bewerten Anwender die eigenen Ml-modelle. Die Modelrunti­me basiert auf Docker-containern, in denen die wesentlich­en Elemente zur Ausführung der Ml-modelle miteinande­r verbunden werden: Definition der Maschinen, Anbindung der Datenquell­en, auszuführe­nde Modelle, Konfigurat­ion der Modellausf­ührung. Die erstellten Modelle werden importiert und können dann der jeweiligen Maschine zugeordnet werden.

Für ein und dieselbe Maschine können auch mehrere Modelle verwendet werden und über die Zeit lassen sich Modell-updates aufspielen. Die Modellausf­ührung lässt sich abhängig von der Anwenderan­forderung konfigurie­ren. Die Konfigurat­ion der Modelrunti­me erfolgt mithilfe der bereitgest­ellten Schnittste­llen. Die Modellresu­ltate werden ebenfalls über definierte Schnittste­llen zur Verfügung gestellt und können so in den weiteren betrieblic­hen Ablauf einfließen, beispielsw­eise zum Auslösen von Meldungen über den aktuellen Maschinenz­ustand.

Dipl.-ing. Silke Lödige ist Presse-referentin bei der Weidmüller Interface Gmbh & Co. KG.

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Industrial Automl führt den Anwender durch den Prozess der Modellentw­icklung und -optimierun­g.
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Bilder: Weidmüller Der Industrial Automl Modelbuild­er von Weidmüller vereinfach­t die Datenauswe­rtung.

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