Das Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) versuchte, ein KI-gestütztes visuelles Inspektionssystem zu entwickeln, das fehlerhafte Teile schneller und mit weniger Ausschuss erkennen kann.

Das Zentrum implementierte die IBM Maximo Visual Inspection-Software auf einem leistungsstarken Power Systems AC922-Server in der Factory 2050, seiner Vorzeigeanlage. Dank einer FlashSystem-Lösung werden die Durchsatzgeschwindigkeit und die Speichereffizienz zusätzlich verbessert.

Das AMRC ist federführend bei einer Revolution in Großbritannien. In seiner gläsernen, hochmodernen Factory 2050 in Sheffield entwickelt das Zentrum digitale Lösungen, die KI, das Internet der Dinge (IoT), Roboter- und andere neue Technologien nutzen, um reale Fertigungsprobleme zu lösen. Diese Lösungen, die einst als futuristisch galten, können heute in vollem Umfang eingesetzt werden und helfen britischen Herstellern, ihre Leistung zu steigern und gleichzeitig die vierte industrielle Revolution voranzutreiben.

„Hinter dem AMRC steht der Gedanke, die Wettbewerbsfähigkeit Großbritanniens in der globalen Fertigungsindustrie sicherzustellen“, erklärt Tom Hodgson, Theme Lead, Inspection and AI, AMRC. „Wir greifen Ideen aus den Universitäten auf, wo sie bis zu einem Prototyp entwickelt wurden. Dann führen wir mit unseren Partnerunternehmen Forschungsprojekte durch, um diese Technologien in die Produktionsumgebung zu bringen.“

Diese neue Ära der technologischen Innovation, die auch unter dem Namen Industrie 4.0 bekannt ist, baut auf den Durchbrüchen der vorangegangenen digitalen Revolution auf, indem sie dynamische, vernetzte, intelligente Systeme einführt, die versprechen, die Wertschöpfungsketten in allen Branchen weiter zu verändern und zu optimieren. Diese Ära erfordert auch eine noch nie dagewesene Verarbeitungsleistung und Speicherkapazität.

Das AMRC ist eines der sieben High Value Manufacturing (HVM) Catapult-Zentren des Landes, die den Weg für die Industrie 4.0 ebnen. Die Initiative „HVM Catapult“ wurde im Jahr 2011 von UK Innovate ins Leben gerufen, um das Fertigungswesen des Landes wiederzubeleben. Sie bringt Forscher mit Unternehmen aller Größen zusammen, um Lösungen zu entwickeln und schließlich globale Märkte anzukurbeln.

„Als Teil des Catapult-Teams ist es unsere Pflicht, den britischen Unternehmen modernste Techniken, Tools und Technologien zu präsentieren“, sagt Hodgson. Das AMRC prüft und entwickelt aufkommende Technologien gründlich und ohne Voreingenommenheit für einzelne IT-Anbieter. Viele der fortschrittlichen Lösungen werden dann in der Factory 2050 vorgestellt. Dabei handelt es sich um die erste Einrichtung des Landes, die sich auf rekonfigurierbare, digital unterstützte Montage-, Komponentenfertigungs- und Bearbeitungstechnologien spezialisiert hat.

Eines der Entwicklungsprojekte des AMRC befasst sich mit der Automatisierung manueller Prozesse zur Erkennung von Fehlern oder Mängeln in gefertigten Strukturkomponenten, insbesondere in sicherheitskritischen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigung. Früher erfolgte die Inspektion der Teile manuell durch die Fabrikarbeiter, die dafür Lichtstrahlen und andere arbeitsintensive Methoden verwendeten. Ein automatisiertes, intelligentes visuelles Inspektionssystem würde eine schnellere Erkennung von fehlerhaften Teilen in großem Umfang ermöglichen, was wiederum weniger Fehler, weniger Abfall und geringere Kosten zur Folge hätte.

Das Projektteam brauchte eine Software für maschinelles Lernen im Bereich der Visual Recognition, um genaue Modelle für die Bildklassifizierung und Fehlererkennung zu erstellen. Die Forscher erstellten einen Datensatz, indem sie Tausende von hochauflösenden Bildern von Bauteilen, die aus verschiedenen Blickwinkeln in Standardeinstellungen aufgenommen worden waren, erfassten und kennzeichneten und damit verschiedene auf dem Markt erhältliche Produkte zur visuellen Erkennung testeten. Dieser klassische Ansatz der Bildverarbeitung reichte jedoch nicht aus, um die Anforderungen der Forscher für ihre bahnbrechende Arbeit zu erfüllen. „Alle möglichen Dinge können einen massiven Einfluss auf herkömmliche Computer-Vision-Algorithmen haben, wie z. B. die Beleuchtung, die Position des Gegenstands im Lager und die Position innerhalb des Lagers oder der Fabrik“, erklärt Sean Wilson, AI Technical Lead, AMRC. „Es kann Wochen dauern, eine Lösung auf die besonderen Merkmale eines Fehlers abzustimmen. Aber was ist mit neuen Komponenten oder Fehlertypen? Diese Lösungen lassen sich nicht gut verallgemeinern.“

Die Standard-Infrastruktur des AMRC, die aus CPU-basierten Servern in einem separaten Gebäude mit einer Netzwerkverbindung von 1 Gb/s zur Factory 2050 besteht, beeinträchtigte ebenfalls die Fortschritte des Teams. Die Infrastruktur war nicht in der Lage, die riesigen vom Team generierten Bilddateien zu verarbeiten, die pro Komponente insgesamt etwa 20 GB groß waren. Außerdem gelten für viele der Geschäftskunden des Zentrums Branchenvorschriften, die eine sichere Archivierung der Inspektionsbilder für mehrere Jahre vorschreiben. Dem bestehenden Speicher des Zentrums fehlte es an modernisierter Speicherkapazität, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Mit einer modernen, flexiblen und sicheren Infrastruktur für die Analyse von Arbeitsbildern kann das Team sein Projekt der visuellen Inspektion vorantreiben und auch weiterhin Modelle schnell trainieren und validieren. Die neue Lösung bietet Übertragungsgeschwindigkeiten von 5 GB/s, verglichen mit 70 MB/s, die von der Infrastruktur vor Ort in einem anderen Gebäude bereitgestellt wurden. „Wenn es um unsere Forschung geht, müssen wir so schnell und effizient wie möglich sein“, so Wilson. „Mit dem FlashSystem-Speicher, der mit unserem AC922-Server verbunden ist, können wir Bilder sofort herunterladen und verarbeiten, und das mit einem unglaublich hohen Durchsatz.“

Die Forscher entwickeln ein standardisiertes visuelles Inspektionssystem, einschließlich einer robotergestützten Bildverarbeitungslösung, für Kniegelenksprothesen. Das System wird jedoch branchenübergreifende Anwendungsmöglichkeiten haben. „Der Hauptzweck dieser Arbeit ist es zu zeigen, wie Unternehmen solche Technologien effektiv einsetzen können und welche Schwierigkeiten dabei auftreten können“, sagt Edge. Letztendlich wird das neue System einer Vielzahl von Herstellern helfen, die Produktqualität zu verbessern, die Produktivität in der Fertigung zu steigern und den Ausschuss zu reduzieren – und das zu geringeren Kosten.

Zusätzlich zu diesem Projekt kann das AMRC-Team seine IBM Server- und Speicherlösung auch vor Ort nutzen, um Hersteller bei anderen KI-orientierten Initiativen zu unterstützen. Die Möglichkeit, IBM Server- und Speicherkapazitäten vor Ort anzubieten, ist besonders wichtig für Kunden mit sensiblen Daten. „Dank IBM waren wir in der Lage, einen hochmodernen KI-Server und Speicher auf kleinstem Raum in unserem Werksrack unterzubringen“, sagt Wilson. „Da wir nun über diese von IBM bereitgestellten On-Premises-Funktionen verfügen, können unsere Kunden mit Innovationen in Bereichen wie KI und Big Data beginnen, weil sie die Gewissheit haben, dass ihre Daten sicher sind.“

Das Team kann damit auch besser seiner Mission nachkommen, kleine und mittelständische Unternehmen bei der Innovation über den gesamten Lebenszyklus der Produktion hinweg zu unterstützen. Vor Kurzem teilte ein Start-up-Unternehmen seine Idee für eine KI-gesteuerte Lösung mit Wilsons Team. Mithilfe der IBM Maximo Visual Inspection-Software, die auf der IBM Infrastruktur ausgeführt wird, erstellten die Forscher in nur fünf Tagen eine erfolgreiche Proof-of-Concept-Lösung für den Kunden. Wilson weist darauf hin, dass das Team ohne die IBM Lösung allein für die Kennzeichnung der Datensätze fünf Tage benötigt hätte.

Das AMRC-Team ist von seiner Arbeit an der vordersten Front der Industrie 4.0-Innovationen überzeugter als je zuvor. „Die Factory 2050 ist im Grunde ein offener Raum“, erklärt Wilson. „Es ist aufregend, in unserem Ausstellungsraum zu stehen und einem Unternehmen zu sagen, dass [diese Innovation] nicht in der Zukunft liegt. Es ist die Gegenwart. Es ist etwas, das sie in ihren Fabriken und in ihren Prozessen einsetzen können.“

Das 2001 gegründete AMRC (Link befindet sich außerhalb von ibm.com) betreibt weltweit führende Forschung in den Bereichen moderne Bearbeitung, Fertigung und Materialien. Es bringt mehr als 600 Forscher und Ingenieure aus der ganzen Welt zusammen, um die Entwicklung von hochwertigen Fertigungsverfahren und -technologien zu beschleunigen. Das AMRC ist Teil der AMRC Group, die kollaborative, auf die Industrie ausgerichtete Forschung unter Beteiligung von Universitäten, Akademikern und Unternehmen fördert.