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Das ChESS Team.  DFKI
Das ChESS Team. DFKI

Zahlreiche Sensorsysteme in der Nordsee erfassen Wind, Luftfeuchtigkeit,
Sonnenstunden und viele weitere Umweltparameter. Bei Ereignissen wie einer
plötzlich einsetzenden Sturmflut oder extremen Algenblüten, die das
Ökosystem Meer dramatisch beeinflussen können, soll Künstliche Intelligenz
(KI) künftig autonom und frühzeitig ungewöhnliche Veränderungen in
Sensordaten erkennen und geeignete Aktionen auslösen. Im Projekt ChESS
(Change Event based Sensor Sampling) entwickeln das Deutsche
Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), die Carl von
Ossietzky Universität Oldenburg und die Jade Hochschule Wilhelmshaven
Oldenburg Elsfleth gemeinsam ein entsprechendes neues KI-Verfahren.

Zu einem Kickoff des Projektes trafen sich jetzt Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler der drei beteiligten Forschungseinrichtungen aus Oldenburg
und Wilhelmshaven auf Spiekeroog. Die vorgelagerte Insel im
niedersächsischen Wattenmeer, das zum UNESCO-Weltnaturerbe zählt, stellt
einen Dreh- und Angelpunkt im Projekt ChESS dar. Zum einen liefern mobile
sowie fest installierte Sensorsysteme auf und um Spiekeroog zahlreiche
Umweltdaten für die Entwicklung der neuen KI-Methodik. Zum anderen soll
hier später ChESS in einer Fallstudie erprobt werden, bevor das Verfahren
weltweit auch in anderen Gewässern Schule machen soll.

Die Gesamtprojektleitung von ChESS übernimmt Professor Dr. Oliver
Zielinski, Hochschullehrer für Marine Sensorsysteme an der Universität
Oldenburg sowie Leiter des Forschungsbereiches Marine Perception am DFKI.
„Wenn wir die Ozeane schützen und die Ressourcen nachhaltig nutzen wollen,
brauchen wir ein faktenbasiertes und agiles Management“, sagt der
Meeresforscher und Sensorik-Experte. Ziel von ChESS ist es, Teile des
naturwissenschaftlichen Forschungsprozesses durch den Einsatz von KI zu
automatisieren. Mit jeweils unterschiedlichen Schwerpunkten treiben die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von DFKI, Universität und
Hochschule die angestrebte Digitalisierung in den Naturwissenschaften
voran.

In einem ersten Schritt konzipieren und bewerten Forschende des DFKI-
Labors Niedersachsen in Oldenburg geeignete Algorithmen. Der Datenraum, in
dem unzählige Messwerte ineinanderfließen, sei riesig, so Dr. Frederic
Stahl, der ChESS im DFKI verantwortet: „Mit Künstlicher Intelligenz können
wir hoch-dimensionale Sensordaten schneller und effizienter erfassen und
zu neuen Erkenntnissen gelangen, wie diese zusammenhängen und welche
Veränderungen im Meer sie bewirken.“  Bei einer Sturmflut zum Beispiel
soll die KI künftig Systemveränderungen in Echtzeit automatisch erkennen
und im Moment des Geschehens Aktionen auslösen. Eine solche Aktion könnte
sein, dass Autosampler getriggert werden, in kürzeren Intervallen häufiger
Wasserproben zu nehmen.

Parallel zu der Programmierung entsprechender Algorithmen arbeitet die
Jade Hochschule unter der Leitung von Professor Dr. Lars Nolle daran,
geeignete Softwarearchitekturen zu entwickeln und zu evaluieren. „Damit
die von uns entwickelte Methodik im Anschluss von möglichst vielen
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern genutzt werden kann, muss das
System harten Anforderungen hinsichtlich der Echtzeitfähigkeit und des
Datendurchsatzes genügen“, erläutert Nolle und fügt an: „Auch muss das
System über offene Schnittstellen verfügen und skalierbar sein.“

Ist die Methodik fertig, soll sie im nächsten Schritt anhand einer
Fallstudie am Küstenobservatorium Spiekeroog getestet werden, das vom
Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) der Universität
Oldenburg betrieben wird. Das Observatorium umfasst mehrere Messstationen
auf und rund um die Insel. Dazu gehört ein Messpfahl im Seegatt westlich
von Spiekeroog, der kontinuierlich ozeanographische, meteorologische und
biochemische Daten aufzeichnet. Die Grundwasserbeobachtung im Norden der
Insel ist ebenso Bestandteil des Observatoriums wie zwölf künstliche
Inseln im Rückseitenwatt von Spiekeroog, wo die Entwicklung der
Lebensvielfalt untersucht wird. Beim Nationalpark-Haus Wittbülten befinden
sich die im Rahmen des Observatoriums genutzten Labor- und
Ausbildungsräume sowie ein Messcontainer. Für das Projekt ChESS wird die
Universität Oldenburg die nötigen Umweltdaten zur Verfügung stellen und
das KI-Verfahren später auch hinsichtlich seiner Effektivität bewerten.

Im Anschluss an das auf drei Jahre bis 2024 angelegte Projekt wollen die
ChESS-Verantwortlichen von DFKI, Universität und Hochschule ihre
entwickelten KI-Methoden und Frameworks über offene Softwareplattformen
und Publikationen anderen Forschenden zur Verfügung stellen. So können die
in dem Projekt gewonnenen Systeme weltweit angewandt werden, um
naturwissenschaftliche Forschungsprozesse zu automatisieren. ChESS wird
vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur aus dem
„Niedersächsischen Vorab“ der VolkswagenStiftung mit rund 700.000 Euro
gefördert.