Theresa Lichtenberger hat das Masterstudium in Embedded Systems Design auf der FH Hagenberg erfolgreich abgeschlossen und schrieb ihre Masterarbeit in Zusammenarbeit mit der RISC Software GmbH. Betreut wurde sie dabei von Dipl.-Ing. Paul Heinzlreiter. Die Arbeit befasste sich mit der Entwicklung eines virtuellen Sensorsystems auf Basis des Industrieprotokolls OPC-UA.

Worum geht es in deiner Masterarbeit?

Theresa: Die Ausgangssituation in dieser Arbeit stellt eine Modelldampfmaschine dar, die mit diversen Sensoren ausgestattet ist. Diese Sensoren werden mit einem Mikrokontroller ausgelesen und über eine HTTP-basierte Kommunikation an den anfragenden Client übermittelt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Sensorik der Modelldampfmaschine über den industriell weit verbreiteten OPC-UA-Standard zur Verfügung zu stellen. Der Datenaustausch mit OPC-UA soll durch effiziente Kommunikationsmechanismen wie das Publish-Subscribe-Prinzip die HTTP-basierte Kommunikation ablösen. Dazu wird eine Open-Source OPC-UA-Implementierung verwendet. Im Verlauf dieser Arbeit wird zunächst ein Informationsmodell entwickelt, welches die zu veröffentlichen Daten in eine semantische Form bringt.

Neben der Realisierung der Publish-Subscribe-Kommunikation war die Schätzung des aktuellen Wasserstandes im Kesselraum auf Basis der vorhandenen Sensorwerte ein weiteres Ziel dieser Arbeit. Dies wurde mittels maschinellen Lernalgorithmen umgesetzt.

Wo sind die konkreten Problemstellungen in realen Anwendungsfällen der Industrie?

Paul Heinzlreiter: Bei der Sammlung von Sensordaten in realen industriellen Umgebungen treten bei der Datensammlung und Aufbereitung im wesentlichen folgende Problemstellungen auf: Die Heterogenität der Daten sowie der Zugriffsmethodiken und die Menge und Qualität der gesammelten Daten.

Im Rahmen von Data Science Projekten für industrielle Partner und Kunden werden die Daten von diesen in einer Vielzahl von Formaten wie semistrukturierten Textdateien, verschiedenste Datenbanken, oder über Netzwerkprotokolle wie beispielsweise OPC-UA – ein Standardprotokoll zur Maschinenüberwachung – zur Verfügung gestellt.

Als vorbereitende Schritte für die Datenanalyse müssen die Daten daher aus heterogenen Quellen in ein einheitliches Datenmodell integriert werden. Im Rahmen dieser Datenintegration muss auch die Vollständigkeit und Validität der Daten überprüft und beispielsweise durch Vorverarbeitungsfilter verbessert werden.

Da die Verwendbarkeit von Datenanalysemethoden wie Machine Learning auch von der Größe der zur Verfügung stehenden Datenbasis abhängt, stellt diese ebenfalls ein wichtiges Kriterium dar.

Welches Handwerkszeug braucht man um Lösungsansätze zu entwickeln?

Paul Heinzlreiter: Da aufgrund der anfallenden Datenmengen die aufbereiteten Daten meist in NoSQL Datenbanken wie Hadoop gespeichert werden, ist ein gutes Verständnis dieser Technologien sowie der dazugehörenden Datenmodellierung notwendig, um die Daten für die Data Scientists auf effiziente Weise zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren ist ein gewisses Verständnis der Quelldatensysteme notwendig um die Datenextraktion umzusetzen.

Weiters ist Know-How aus der Anwendungsdomäne, aus der die Daten kommen notwendig, um die Datenmodellierung durchführen zu können.

Das Besondere an der Arbeit war, dass diese eine große Spanne an Bereichen vom Design von Hardware sowie Datenmodellen über den Zugriff auf BigData Systeme bis zu Data Analytics abgedeckt hat. Theresa hat sich in all diese Bereiche im Wesentlichen selbst eingearbeitet und eine sehr gute Arbeit abgeliefert.

Theresa, wie bist du dazu gekommen die Arbeit an der RISC Software GmbH zu schreiben und wie war die Betreuung und der Ablauf?

Theresa: Da ich während meines Masterstudiums bereits bei der RISC Software GmbH in Teilzeit gearbeitet habe, wollte ich auch meine Masterarbeit in Kooperation mit dem Unternehmen schreiben. Die RISC Software GmbH bietet neben der Entwicklung intelligenter Verkehrssysteme viele andere spannende Themen. So war eine Aufgabenstellung zu meinem gewünschten Thema im Bereich „Internet der Dinge“ und „Industrie 4.0“ schnell gefunden.

Betreut wurde ich von Dipl.-Ing. Paul Heinzlreiter von der RISC Software GmbH und FH-Prof. DI Michael Bogner von der FH Hagenberg. In den ersten Treffen mit den Betreuern wurden die Aufgabenbereiche sowie Ziele der Arbeit abgesteckt und konkretisiert. Anschließend begann die selbstständige Arbeit mit regelmäßigen Besprechungen zum aktuellen Status und der weiteren Vorgehensweise. Auch bei Problemen und Fragen wurde ich jederzeit unterstützt.

In welchen Tätigkeitsfeldern möchtest du zukünftig arbeiten? Was sind deine Pläne für die Zukunft?

Theresa:  Die Masterarbeit spiegelt grundlegende Aspekte meines bisherigen Studiums auf der FH Hagenberg wider. Fachspezifisches Wissen zu Hardware- und Softwarekomponenten, welches sich während meines Bachelorstudiums in Hardware-Software-Design und Masterstudiums in Embedded-Systems-Design angesammelt hat, konnte ich in diese Arbeit mit einfließen lassen. So beinhaltet diese Arbeit sowohl die Entwicklung einer Leiterplatte, die Firmware für die Sensoranbindung, Netzwerkkommunikation und den Zugriff auf ein Big-Data-System mit anschließender Datenanalyse.

Auch in Zukunft möchte ich weiterhin in der Hardware- und Softwareentwicklung tätig sein und auch mein Wissen dahingehend weiter vertiefen.