Auto/Motor

       Forscher der Universität Freiburg haben eine Aufgabe entwickelt,
deren Lösung durch KI-Algorithmen zukünftig komplexere
Umgebungswahrnehmung für autonome Fahrzeuge ermöglichen kann
•       Vorgestellt auf der AutoSens-Konferenz im Museum Autoworld in
Brüssel
•       Valada: „Wir sind zuversichtlich, dass neue KI-Algorithmen für
diese Aufgabe Roboter in die Lage versetzen werden, die visuelle Erfahrung
nachzuahmen, die Menschen haben, indem sie die vollständige physische
Struktur von Objekten wahrnehmen.“

Wie können mobile Roboter Umgebung korrekt wahrnehmen und einschätzen –
selbst wenn Teile der Umgebung durch andere Objekte verdeckt werden? Das
ist eine zentrale Frage, die für autonomes Fahren gelöst werden muss,
damit zum Beispiel auch in belebten Straßen von Großstädten ein sicheres
Navigieren durch die Umgebung möglich wird. Während der Mensch sich die
vollständige physische Struktur von Objekten vorstellen kann, selbst wenn
diese teilweise verdeckt sind, verfügen die bisherigen Algorithmen der
künstlichen Intelligenz (KI), die es Robotern und selbstfahrenden
Fahrzeugen ermöglichen, ihre Umgebung wahrzunehmen, nicht über diese
Fähigkeit.

Roboter mit KI können sich zwar schon heute selbstständig in ihrer
Umgebung zurechtfinden und durch sie navigieren, wenn sie gelernt haben,
wie diese Umgebung aussieht. Allerdings ist die Wahrnehmung und korrekte
Einschätzung von unbekannten, teilweise verdeckten Dingen und beweglichen
Objekten oder Menschen bislang eine große Herausforderung. Einen großen
Schritt zur Lösung dieses Problems haben nun der Freiburger
Roboterforscher Prof. Dr. Abhinav Valada und Doktorand Rohit Mohan vom
Robot Learning Lab der Universität Freiburg unternommen, den sie in zwei
gemeinsamen Veröffentlichungen vorstellen.

Eine Aufgabe, deren Lösung mehr Sicherheit verspricht

Die beiden Freiburger Wissenschaftler haben die sogenannte amodale
panoptische Segmentierungsaufgabe entwickelt und ihre Lösbarkeit mit Hilfe
von KI-Ansätzen nachgewiesen. Bisher erfassen autonome Fahrzeuge mit Hilfe
von panoptischer Segmentierung die Umgebung. Das bedeutet, dass sie bisher
nur vorhersagen können, welche Pixel eines Bildes zu welchen „sichtbaren“
Regionen eines Objekts wie einer Person oder eines Autos gehören, und
Instanzen dieser Objekte identifizieren können. Was ihnen bisher fehlt,
ist die Fähigkeit, auch die gesamte Form von Objekten vorherzusagen,
selbst wenn diese teilweise von anderen Objekten verdeckt werden. Die neue
Aufgabe der Wahrnehmung mit amodaler panoptischer Segmentierung ermöglicht
dieses ganzheitliche Verständnis der Umgebung.

Amodal meint in diesem Fall, dass von einer teilweisen Verdeckung von
Objekten abstrahiert werden muss – statt sie als Fragmente zu betrachten,
sollten sie in ihrer Ganzheit gesehen werden. So kann eine neue Qualität
der visuellen Umgebungserfassung möglich werden, die für die
Verkehrssicherheit autonom fahrender Autos einen enormen Fortschritt
bedeuten würde.

Potential zur Verbesserung des visuellen Verständnisses städtischer Szenen

Im neuen Aufsatz, der auf der Konferenz IEEE/CVF Computer Vision and
Pattern Recognition Conference (CVPR) veröffentlicht wurde, haben die
Forscher etablierte Benchmark-Datensätze um die neue Aufgabe ergänzt und
öffentlich nutzbar gemacht. Sie rufen Wissenschaftler*innen nun dazu auf,
neue KI-Algorithmen zu entwickeln, um die Aufgabe zu lösen. Ziel dieser
Aufgabe ist es, die pixelgenaue semantische Segmentierung der sichtbaren
Regionen von amorphen Hintergrundklassen wie Straßen, Vegetation, Himmel
und die Instanz-Segmentierung der sichtbaren und verdeckten Objektregionen
von verschiedenen Klassen wie Autos, Lastwagen und Fußgängern zu
erstellen.

Der Benchmark und alle Datensätze sind auf einer Webseite öffentlich
zugänglich und inklusive zweier Lösungsvorschläge zur Verfügung gestellt.
„Wir sind zuversichtlich, dass neue KI-Algorithmen für diese Aufgabe
Roboter in die Lage versetzen werden, die visuelle Erfahrung nachzuahmen,
die Menschen haben, indem sie die vollständige physische Struktur von
Objekten wahrnehmen“, erklärt Valada. „Die amodale panoptische
Segmentierung wird bei nachgelagerten automatisierten Fahraufgaben, bei
denen die Verdeckung eine der Herausforderungen darstellt, wie
Tiefenschätzung, optischer Fluss, Objektverfolgung, Bewegungsvorhersage
usw., erheblich helfen. Mit fortschrittlicheren KI-Algorithmen für diese
Aufgabe kann die visuelle Erkennungsfähigkeit für selbstfahrende Autos
revolutioniert werden. Wenn beispielsweise jederzeit die gesamte Struktur
der Verkehrsteilnehmer*innen wahrgenommen wird, unabhängig von
Teilverdeckungen, kann so das Unfallrisiko erheblich minimiert werden.“

Darüber hinaus könnten automatisierte Fahrzeuge durch Ableitung der
relativen Tiefenanordnung von Objekten in einer Szene komplexe
Entscheidungen treffen, etwa in welche Richtung sie sich zum Objekt
bewegen müssen, um eine klarere Sicht zu erhalten. Um diese
Zukunftsvisionen Realität werden zu lassen, wurde die Aufgabe auf der
Konferenz AutoSens, die im Autoworld Museum in Brüssel stattfand,
Fachleuten der Automobilindustrie vorgestellt.

Faktenübersicht:
•       Abhinav Valada ist Juniorprofessor und Leiter des Robot Learning
Lab am Institut für Informatik der Universität Freiburg sowie Mitglied des
Zentrums BrainLinks-BrainTools.
•       Er forscht hauptsächlich zu Themen an der Schnittstelle von
Robotik, maschinellem Lernen und Computer Vision wie etwa grundlegende
Probleme der Umgebungswahrnehmung von Robotern, Zustandsschätzung und
Planung mit Hilfe von Lernansätzen, die es Robotern ermöglichen, in
komplexeren Bereichen und unterschiedlichen Umgebungen zuverlässig zu
arbeiten. Sein Ziel ist die Entwicklung von skalierbaren, lebenslang
lernenden Robotersystemen.
•       Robot Learning Lab: Das Team um Valada möchte neue Verfahren
entwickeln, die mobilen Robotern ermöglichen, auf sozialverträgliche und
sichere Weise durch belebte Umgebungen wie Fußgängerzonen und Bürgersteige
zu navigieren. Ihr Verhalten lernen die Bots mit Hilfe von Algorithmen,
die auf Teilbereichen der Künstlichen Intelligenz wie Deep Learning und
Reinforcement Learning beruhen.
•       Originalveröffentlichungen: Mohan, Rohit, Valada, Abhinav: “Amodal
Panoptic Segmentation”, IEEE/ CVF International Conference on Computer
Vision and Pattern Recognition (CVPR), pp. 21023-21032, 2022.
Mohan, Rohit, Valada, Abhinav: “Perceiving the Invisible: Proposal-Free
Amodal Panoptic Segmentation”: IEEE Robotics and Automation Letters
(RA-L), vol. 7, no. 4, pp. 9302-9309, 2022.
•       Weitere Informationen: http://amodal-panoptic.cs.uni-freiburg.de/
•       Erklärvideo: „Amodal Panoptic Segmentation“

Ein Team des Forschungsbereichs “Elektrochemische Energiesysteme” bei
Hahn-Schickard in Freiburg hat mit Unterstützung der Albert-Ludwigs-
Universität Freiburg die “ionysis GmbH” ausgegründet, um mit Hilfe starker
Partner leistungsfähigere Membran-Elektroden-Einheiten für
Brennstoffzellen zur Marktreife zu entwickeln

Um die gesteckten Klimaziele zu erreichen, muss nachhaltige Mobilität auch
für schwere Nutzfahrzeuge Realität werden. Die zum 1. September neu
gegründete “ionysis GmbH” entwickelt hocheffiziente, emissionsfreie und
nachhaltige Kernkomponenten für Brennstoffzellen. Dazu gehört auch, dass
in den sogenannten “Membran-Elektroden-Einheiten” der Gehalt von
perfluorinierten Substanzen deutlich reduziert wird – einem bedenklichen
Bestandteil, der aufgrund seiner Umweltschäden zunehmend weltweit geächtet
wird. “Gemeinsam mit internationalen Partnern konnten wir diese
umweltfreundlichen Brennstoffzellen erstmals auf Augenhöhe mit
herkömmlichen betreiben und zudem auch aufzeigen, dass sie perspektivisch
effizienter und bei höheren Temperaturen betrieben werden können”, erklärt
Dr. Matthias Breitwieser, Geschäftsführer und CTO der ionysis GmbH. “Damit
eignen sie sich besonders für schwere Nutzfahrzeuge oder Anwendungen in
der Luftfahrt.”
Ziel ist es, die neuartigen umweltfreundlicheren Membran-Elektroden-
Einheiten weiterzuentwickeln und die technische Machbarkeit auch im
skalierten Maßstab zu demonstrieren. Die Firma ergänzt damit die “Green-
Tech”-Gründungsszene in Freiburg um eine weitere Neugründung im Bereich
der Wasserstoff- und Dekarbonisierungstechnologie.

„Mit der ionysis GmbH gründen wir nun unser achtes Unternehmen am Standort
Freiburg aus und zeigen damit, dass wir nicht nur auf dem Gebiet der
Lebenswissenschaften innovativ sind, sondern auch auf dem Gebiet der
Energie- und Nachhaltigkeitsthemen“, so Prof. Dr. Roland Zengerle,
Institutsleiter bei Hahn-Schickard in Freiburg und Professor für
Anwendungsentwicklung an der Technischen Fakultät der Universität
Freiburg. Durch diese Ausgründungen sind in Freiburg inzwischen etwa 335
Hightech-Arbeitsplätze entstanden.

Zum 1. September 2022 nimmt ionysis mit einem Gesamtteam von acht Personen
das operative Geschäft auf und plant schon in den ersten Monaten weiter zu
wachsen. Neben den aktiven oder ehemaligen Mitarbeiter von Hahn-Schickard
und der Universität Freiburg, Dr. Matthias Breitwieser (Geschäftsführung,
Wissenschaft und Strategie), Dr. Florian Lombeck (Chief Scientist) und Dr.
Severin Vierrath ergänzen weitere neue Mitarbeitende und erfahrene
Mitarbeitende von Hahn-Schickard, die bereits zum Start ins Unternehmen
wechseln.

Für die Ausgründung konnten nun zwei starke Investoren gewonnen werden,
die nicht nur finanziell mit einem mittleren einstelligen Millionenbereich
unterstützen, sondern auch wertvollen Zugang zu Branchen-Know-how und
Beratung im Business Development bieten.

Der Grundstein für die Ausgründung wurde im Rahmen mehrerer öffentlich
geförderter Forschungsprojekte gelegt: Sowohl das Land Baden-Württemberg
(“DirectMEA”) und das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
(“DirectStack”, FKZ: 03ETB024D) haben die Arbeiten finanziell unterstützt.
Hinzu kam eine besonders auf den deutsch-kanadischen Austausch
zugeschnittene Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und
Forschung im Rahmen der Projekte “FlexCoat” (FKZ: 01DM19008A) und FC-CAT
(FKZ: 03SF0579B), die besonders der intensiven fachlichen Vernetzung mit
dem “Wasserstoff-Hub” Vancouver gedient haben.

Welche Rolle spielen autonom fahrende Fahrzeuge in der Landwirtschaft? Wie
können sie sicher und zuverlässig funktionieren? Welche umweltfreundlichen
Antriebe gibt es für Nutzfahrzeuge? Welche Kraftstoffe bieten sich bei
Verbrennungsmotoren alternativ an? Wie verhält es sich dabei mit der
Energieeffizienz? Um Fragen wie diese geht es beim 7. „International
Commercial Vehicle Technology Symposium“ vom 13. bis 15. September auf dem
Campus der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). Medienvertreter
sind dazu eingeladen.

Assistiertes und automatisiertes Fahren und Arbeiten, alternative
Antriebstechnologien, innovative Entwicklungs- und Produktionsmethoden,
Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer sowie neue Simulationsmethoden
– dies sind die Themen, um die sich die Tagung auf dem Campus der TU
Kaiserslautern dreht. In über 35 Beiträgen können sich die Teilnehmenden
über aktuelle Entwicklungen aus Forschung und Industrie informieren.

Begleitet wird die Veranstaltung von einer Ausstellung im Innen- und
Außenbereich, bei der verschiedene Innovationen an Nutzfahrzeugen gezeigt
werden.

Weitere Informationen zum Programm gibt es unter:
www.cvt-symposium.de

Organisiert wird das Symposium unter anderem vom Zentrum für
Nutzfahrzeugtechnologie (ZNT). Am ZNT arbeiten über 150 Forscher von mehr
als 14 Lehrgebieten aus Informatik, Elektro- und Informationstechnik sowie
aus dem Maschinenbau interdisziplinär zusammen. Sie entwickeln
beispielsweise Techniken für das autonome Fahren und Softwarelösungen, die
sicherstellen, dass die Technologien in den Fahrzeugen zuverlässig
funktionieren. Ferner arbeiten sie an intelligent vernetzten Fahrzeugen
und erforschen, wie Menschen und Fahrzeuge künftig miteinander
interagieren. Ein weiteres Forschungsgebiet ist die Steigerung der
Energie- und CO2-Effizienz durch Leichtbau, alternative Kraftstoffe,
Hybridisierung und Elektromobilität.

Das ZNT ist Teil der Commercial Vehicle Alliance Kaiserslautern (CVA) und
kooperiert mit vielen der direkt neben dem Uni-Campus angesiedelten
Forschungsinstituten, wie dem Fraunhofer-Institut für Experimentelles
Software Engineering IESE (www.iese.fraunhofer.de) und dem Fraunhofer-
Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
(www.itwm.fraunhofer.de), welche, wie auch das Commercial Vehicle Cluster
Südwest (www.cvc-suedwest.com), ebenfalls zu den Organisatoren der Tagung
zählen. Über die zuletzt genannte Plattform wird darüber hinaus eine enge
Zusammenarbeit mit Nutzfahrzeugherstellern und Zulieferern gewährleistet,
indem das ZNT als zentraler wissenschaftlicher Ansprechpartner fungiert.
Mehr unter: www.uni-kl.de/znt

Mit Erfindergeist und unternehmerischem Wagemut haben die
Diplom-Ingenieure Friedrich Mewis und Dirk Lehmann die Schifffahrt
weltweit revolutioniert – und durch den sogenannten Becker Mewis Duct
(BMD) seit Markteinführung 2008 nicht nur Millionen Tonnen Schweröl
eingespart, sondern auch rund zwölf Millionen Tonnen klimaschädliches
Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2). Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt
(DBU) würdigt diese innovative Leistung mit ihrem diesjährigen Deutschen
Umweltpreis, der zu den höchstdotierten Auszeichnungen Europas zählt und
2022 zum 30. Mal verliehen wird. Die beiden teilen sich die Summe in Höhe
von insgesamt 500.000 Euro mit dem Biologen Dr. Christof Schenck.
Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier überreicht den Deutschen
Umweltpreis 2022 am 30. Oktober in Magdeburg.

Zusammenspiel von Spitzenforschung und wirtschaftlichem Wagemut

DBU-Generalsekretär Alexander Bonde sagt, es sei enorm wichtig, „die
Schifffahrt auf Klimakurs“ zu bringen. Immerhin liege der Anteil der
internationalen Schifffahrt am globalen Treibhausgas (THG)-Ausstoß bei
fast drei Prozent. Das sind mehr als 1,1 Milliarden Tonnen
CO2-Äquivalente. Zum Vergleich: Deutschlands THG-Emissionen liegen laut
Umweltbundesamt pro Jahr bei 762 Millionen Tonnen. Bonde: „Für die
Schifffahrt ist der BMD ein Daniel Düsentrieb-Moment.“ Die Kooperation der
beiden Ingenieure sei ein „vorzügliches Beispiel“, wie fruchtbar für
Produktinnovation das Zusammenspiel von Spitzenforschung und
wirtschaftlichem Wagemut sei. „Und ihre Erfindung, der Becker Mewis Duct,
ist ein Win-Win erster Güte: Die Schifffahrt spart Brennstoff und damit
Energie. Vor allem aber wird die Umwelt geschont, weil die Belastung mit
Treibhausgasen sinkt.“ Tatsächlich kann man davon ausgehen, dass durch den
BMD seit 2008 rund zwölf Millionen Tonnen CO2 eingespart worden sind –
etwa so viel wie der jährliche CO2-Ausstoß Tansanias oder Hamburgs. Bonde
macht klar: „Entscheidend sind die durch den Becker Mewis Duct erreichte
Effizienzsteigerung und der positive Umwelteffekt. Beides bleibt – auch
dann, wenn Schifffahrt endlich statt Schweröl andere und ökologischere
Treibstoffe einsetzt.“

Berufserfahrung, Erfindungen und viele Patente

Die Zusammenarbeit zwischen Mewis (79) und Lehmann (58) reicht ins Jahr
2001 zurück. Als Tüftler im Schiffbau hatte sich Mewis bereits einen Namen
gemacht, Lehmann war neuer Chef des mittelständischen maritimen
Unternehmens Becker Marine Systems mit Sitz in Hamburg, dessen
Geschäftsführer er heute immer noch ist. Mewis, der 1943 in der
Lutherstadt Wittenberg geboren wurde, arbeitete zunächst nach seinem
Schiffbaustudium in der Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam und wechselte
einige Jahre nach der Wende 1996 an die Hamburgische Schiffbau-
Versuchsanstalt. Nach seinem Ruhestand arbeitete Mewis von Dresden aus
weiter als Berater für Reeder, Werften und Schiffbau-Zulieferer und hält
fast ein Dutzend Patente. Lehmann nennt sich selbst einen „Hamburger Jung“
und hat ebenfalls mehrere Patente. Neben seinem Hauptjob engagiert er sich
als Gesellschafter von Start-ups für Elektro- und Wasserstoffmobilität.
Zudem ist er in diversen Organisationen vertreten, darunter als Vize-
Vorsitzender im europäischen Schiffbau- und Schiffszuliefererverband
SeaEurope.

Irgendwann kam die zündende Idee

Ging es Mewis und Lehmann anfangs um Verbesserung von Rudern für sehr
große Containerschiffe, intensivierten beide ab 2007 ihre Kooperation in
anderer Sache: Alles drehte sich um die Frage, wie die Effizienz bei
großen, langsamen, auch „völlig“ genannten Schiffen zu steigern sei – von
Tankern bis hin zu Bulkern, also Massengutfrachtern für Erz, Getreide und
anderes. Später kamen auch Containerschiffe hinzu. Mewis: „Eigentlich
waren alle technischen Tricks schon erfunden.“ Irgendwann kam ihm aber
doch die zündende Idee: die Kombination aus verschiedenen bereits
bekannten Komponenten. Der Becker Mewis Duct war geboren – eine
hydrodynamische energiesparende Vordüse, ein „Energy Saving Device“, wie
es im Fachjargon heißt. Bis zu 60 Tonnen schwer, bis zu sieben Meter im
Durchmesser und produziert in zwei Hälften, die am Schiff
zusammengeschweißt werden. Lehmann glaubte an diese Erfindung, trieb sie
mit Verve voran, überzeugte Zweifler und überwand bürokratische Hürden.
Den BMD erklärt er für Laien so: „Ein Schiff ist wie ein Schuhkarton, der
durchs Wasser geschoben wird. Vorne gibt’s eine Welle und hinten weiß das
Wasser nicht, wohin es soll.“ Dieses „Nachstromfeld“ nahm Mewis ins
Visier. Lehmann: „Als ob man einen Joghurtbecher quer durchschneidet und
als Trichter hinter den Karton setzt – und vor den Propeller. Das Wasser
wird gebündelt.“

Mit technologischem Fortschritt mehr Umweltschutz

Als technische Finesse wurden in diese Vordüse asymmetrische
Strömungsleitflächen gesetzt, sogenannte Fins. Kurz: das Funktionsprinzip
des Becker Mewis Duct. Lehmann: „Die Folge ist ein negativ erzeugter Drall
entgegen der Propeller-Drehrichtung“ – die Bedingung, damit die Becker
Mewis-Düse für effektiveren Schiffsantrieb sorgt, den Verbrauch von
Schweröl um bis zu zehn Prozent senkt – und so die Umwelt vor
Treibhausgasen bewahrt. Positiver Nebeneffekt: leisere Schiffe und dadurch
geringere Lärmbelastung für Meerestiere wie Wale. Bislang ist der Becker
Mewis Duct weltweit in 1400 Schiffen eingebaut, 300 Exemplare stehen vor
einer Installation. Beide Preisträger sehen den Deutschen Umweltpreis als
„hohe Ehre“. Lehmann hofft zudem auf ein Signal an die Politik,
„Emissionsfreiheit in der Schifffahrt ganz oben auf die Agenda“ zu setzen.