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KI zum Schutz des Meeres

Forschende entwickeln neuartiges Verfahren zur Erkennung von Gefahren

Oldenburg.Wilhelmshaven.Spiekeroog. 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) entwickelt ein Konsortium, bestehend aus dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg sowie der Jade Hochschule Wilhelmshaven Oldenburg Elsfleth, ein entsprechendes neues KI-Verfahren.

Ansprechpartnerin in der Pressestelle

An der Messstation des ICBM der Universität Oldenburg finden kontinuierlich Messungen statt - unabhängig vom Wetter. Die gewonnenen Daten fließen in das Projekt ChESS ein. (Foto: Thomas Badewien, Universität Oldenburg)

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.“  

Dr. Frederic Stahl

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.“

Professor Dr. Lars Nolle

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.

ChESS nimmt Fahrt auf. Drei Forschungseinrichtungen steuern in dem Verbundprojekt ein gemeinsames Ziel an. Bei außergewöhnlichen Ereignissen wie einer Sturmflut sollen in Echtzeit Daten automatisch analysiert und entsprechende Aktionen wie beispielsweise vermehrte Probeentnahmen ausgelöst werden. Unser Foto zeigt das ChESS-Team (v. links) Elmar Berghöfer, Daniel Lukats (beide DFKI), Janina Schneider, Oliver Zielinski (beide Uni Oldenburg sowie DFKI), Lars Nolle (Jade Hochschule) und Frederic Stahl (DFKI). (Foto: DFKI )

English version below:

Scientists develop a novel method for hazard detection

AI for the protection of the ocean

Oldenburg.Wilhelmshaven.Spiekeroog. Numerous sensor systems in the North Sea record wind, humidity, hours of sunshine and many other environmental parameters.  In the future, Artificial Intelligence (AI) will autonomously detect unusual changes in sensor data in real-time and thus enable the early detection of interesting or critical events, such as storm tides or extreme concentration of algae bloom. This will in turn permit scientists to trigger appropriate actions at an early stage. In the ChESS project (Change Event based Sensor Sampling), a consortium consisting of the German Research Center for Artificial Intelligence (DFKI), Carl von Ossietzky University of Oldenburg and Jade University of Applied Sciences Wilhelmshaven Oldenburg Elsfleth is developing a corresponding new AI method.

Scientists of the three participating research institutions from Oldenburg and Wilhelmshaven now met on Spiekeroog island for a kick-off meeting of the ChESS project. The offshore island in Lower Saxony's Wadden Sea, a UNESCO World Heritage Site, plays a pivotal role in the project. This is because mobile as well as permanently installed sensor systems on and around Spiekeroog provide numerous real-time environmental data sources for the development of the new AI methodology. Moreover, ChESS will later be evaluated here on a case study prior to rolling out the method to other waters worldwide.

Prof. Dr Oliver Zielinski, Professor of Marine Sensor Systems at the University of Oldenburg, and head of the Marine Perception research department at DFKI, is in charge of the overall ChESS project. “If we want to protect the oceans and use its resources in a sustainable way, we need fact-based and agile management”, says the marine researcher and sensor technology expert. The goal of ChESS is to automate parts of the natural science research process using AI. The scientists of the three partner organisations work on different aspects the projects in line with their individual areas of expertise.

As a first step, scientists at the DFKI-Lab Niedersachsen in Oldenburg are designing and evaluating suitable algorithms. The data space, in which countless measured values flow into one another, is huge, says Dr Frederic Stahl, who is responsible for ChESS at DFKI: “With Artificial Intelligence, we can analyse high-dimensional sensor data faster and more efficiently and arrive at new insights about relationships in the sensor data and how they correlate with changes in the ocean.” In the event of a storm tide, for example, AI in the future could automatically detect system changes in real-time and trigger actions at the moment they occur. One such action could be to prompt autosamplers to take water samples more frequently and at shorter intervals.

In parallel with the programming of corresponding algorithms, Jade University of Applied Sciences is working under the direction of Professor Dr Lars Nolle to develop and evaluate suitable software architectures. “To ensure that the methodology we develop can subsequently be used by as many scientists as possible, the system must meet strict requirements in terms of real-time capability and data throughput”, explains Nolle, adding: “The system must also have open interfaces and be scalable.”

Once the methodology is ready, the next step is to test it using a case study at the Spiekeroog Coastal Observatory, which is operated by the Institute of Chemistry and Biology of the Marine Environment (ICBM) at the University of Oldenburg. The observatory comprises several measuring stations on and around the island. This includes a measuring station west of Spiekeroog, which continuously records oceanographic, meteorological and biochemical data. A groundwater monitoring in the north of the island is also part of the observatory, as are twelve artificial islands in the back mud flats of Spiekeroog, where the development of biodiversity is studied. The research unit with a laboratory as well as a measurement container used by the observatory are located at the Wittbülten National Park House. The University of Oldenburg will provide the necessary environmental data for the ChESS project and will also evaluate the AI method in terms of its effectiveness.

Following the project, which is scheduled to run for three years until 2024, the ChESS team from DFKI, University of Oldenburg and Jade University of Applied Sciences intend to make the AI methods and frameworks they have developed available to other researchers via open-source software platforms and publications. In this way, the systems obtained in the project can be applied worldwide to automate scientific research processes. ChESS is funded by the Lower Saxony Ministry of Science and Culture from the Volkswagen Foundation's “Lower Saxony Advance” with around 700,000 euros.