Titelbild Die Hyperbel vor dem Fraunhofer-Zentrum ist ein signifikantes Wahrzeichen unseres Instituts. Offizieller Titel des Künstlers Martin Willing aus Köln ist »Hyperboloid«. Das Kunstwerk kann auch als DNA-Helix interpretiert werden und steht damit sinnbildlich für einen Schlüssel, der einen wesentlichen Zugang zur Gesundheit schafft.

Editorial Mathematik als Schlüssel zur Gesundheit Editorial Liebe Leserinnen und Leser, »Gesundheit« ist in diesem Jahr das Schwerpunktthema unseres Jahresberichts. Es heißt, Ge- sundheit sei das höchste Gut. Kaum ein Tag vergeht, an dem wir nicht über die eigene oder die körperliche und geistige Verfassung von Menschen, die uns am Herzen liegen, nachdenken, sprechen – oder reflexartig jemandem »Gesundheit!« wünschen. Mathematik als Schlüssel zur Gesundheit Mathematik kann für mehr Gesundheit sorgen: Mit unserer Forschung tragen wir seit vielen Jahren dazu bei, die medizinische Versorgung von Menschen zu verbessern. Wir haben durch Mathematik große Fortschritte in der Strahlentherapie angestoßen, waren maßgeblich an der Planung der Impfstoffproduktion gegen COVID-19 beteiligt, optimieren die Produktion indivi- dualisierter Pharmazeutika und haben kürzlich an der Entwicklung einer App zur Einschätzung der eigenen psychischen Resilienz sowie an einem energieeffizienten Chip zur Erkennung von Vorhofflimmern mitgewirkt. An unserem Institut laufen spannende Forschungsprojekte rund um das Thema Gesundheit, be- sonders viele davon in unserem Bereich »Optimierung«, so dass wir dort eine eigene Abteilung geschaffen haben. Die »Optimierung in den Life Sciences« hat ihren Schwerpunkt in Projekten der Medizin, dem Gesundheitswesen, Pflege- und Sozialsektor sowie der Medizintechnik. Unsere Mathematik unterstützt bei Entscheidungen und hilft Prozesse zu optimieren. Im Titelthema des vorliegenden Jahresberichts erfahren Sie mehr über diese neue Abteilung. Gesellschaftsrelevante Forschungsarbeit leisten Das Arbeiten als Mathematikerin oder Mathematiker ist vielseitig! Das zeigen wir anhand von zahlreichen Projekten, die wir in unserem Jahresbericht vorstellen: Wir blicken auf Energie, Digi- talisierung, Verfahrenstechnik, Mobilität und Quantencomputing – allesamt wichtige Themen unserer Zeit und gesellschaftlich relevant. Vielen unserer Mitarbeitenden ist dieser Aspekt sehr wichtig und sie entscheiden sich genau aus diesem Grund für das Arbeiten bei uns. Das ist eine Erkenntnis, die wir aus unserer Mitarbeitendenbefragung im Jahr 2023 gewonnen haben. Führend im Transfer zur industriellen Anwendung Seit unserer Gründung 1996 ist viel geschehen. Wir sind von damals knapp 60 Mitarbeitenden auf heute insgesamt über 550 Mitarbeitende gewachsen. Mit Stolz blicken wir darauf zurück, was hier in Kaiserslautern entstanden ist. Es ist uns gelungen, unsere Wissenschaftsdisziplin – die Mathematik – zu einer »Enabling Technology« für fast alle wirtschaftlich relevanten Technologie- felder weiterzuentwickeln. Unser Jahresbericht spiegelt das ein stückweit. Und das bekräftigen 2

Inhalt 4 Editorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Das Institut im Profil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Das Institut in Zahlen � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 8 Kooperationen und Spin-Offs � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 10 Highlights 2023/2024 – Preise � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 12 Highlights 2023/2024 – Veranstaltungen � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 14 Highlights 2023/2024 – Projekte � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 16 Gesundheit und Life Sciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Gesellschaftlich relevant, breitgefächert, individuell � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 19 Optimierte Gesundheitsstrategien mit Künstlicher Intelligenz � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 21 Digitalisierung in der Pflege � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 22 Onkologie – Mathematik zur Bekämpfung von Krebs � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 24 Personalisierte Pharmazeutika – neue Technologien und universelle Mathematik � � � � � � 26 Was uns das Abwasser über Infektionen verrät � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 28 Quantencomputing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Quantencomputing: Goldgräberstimmung in der Forschung � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 31 Quantentechnologie: Unsere Erfahrungen � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 34 Quantentechnologie: Wir bilden Nachwuchs aus � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 36 Höher, schneller und weiter � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 38 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Terahertz-Messtechnik zur Beschichtungskontrolle von Batteriefolien � � � � � � � � � � � � � � � 41 Blick ins Innere der Batteriezelle � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 42 AD-Net – Intelligente Regelung von Fernwärmenetzen � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 44 Primärenergie einsparen im Wärmenetz mit KI � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 45 ENERDIG – Digitalisierung und Künstliche Intelligenz für ein Energiemanagement 2.0 � � 46 Weitere Projekte im Schwerpunkt Energie � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 47 Digitalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 EU-Projekt OPTIMA beschleunigt industrielle HPC-Anwendungen � � � � � � � � � � � � � � � � � 49 Von Excel zur App: Data Science in der Immobilienfinanzierung � � � � � � � � � � � � � � � � � � 50 Effektive Beschaffungstrategien für den Energiehandel � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 51 Mobilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Virtuelle Welten für die Fahrzeugentwicklung � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 53 VMC® Web Services – Cloudbasierte Analyse von Fahrzeugdaten � � � � � � � � � � � � � � � � � � 54 Partikelsimulation für Bau- und Landmaschinen � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 55 Realitätsnahes Reifenmodell für präzise Rollwiderstandvorhersage � � � � � � � � � � � � � � � � � 55 Terahertz für die Raumfahrt � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 56 Wie lange hält ein Kabel? � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 58 Autonomes Fahren: Sicher und komfortabel durch unser innovatives Menschmodell � � � 59

Das Institut im Profil Das Institut im Profil Computersimulationen sind unverzichtbar beim Gestalten und Optimieren von Produkten und Prozessen. Der Mathematik kommt beim Entwickeln dieser digita- len Welt eine fundamentale Rolle zu. Denn sie ist die Technologie, mit der diese Abbilder erzeugt und effizient in Software umgesetzt werden, Rohstoff der Modelle und Kern jeder Computersimulation. Es ist uns gelungen, unsere Wissen- schaftsdisziplin – die Mathematik – zu einer »Enabling Technology« für fast alle wirtschaftlich relevanten Technologiefelder weiterzuentwickeln. Wir am Fraunhofer ITWM wollen nicht nur selbst die Brücke zwischen realer und virtueller Welt bauen, sondern auch Bindeglied zwischen der Hochschulmathematik und ihrer praktischen Um- setzung sein. Deshalb spielt die enge Anbindung an den Fachbereich Mathematik der Rheinland- Pfälzischen Technischen Universität (RPTU) Kaiserslautern-Landau eine besondere Rolle. Branchen – für wen arbeiten wir? Die Kompetenzen unserer Abteilungen und das breite Spektrum ihrer Anwendungsfelder finden Einsatz in zahlreichen Branchen. Für alle gilt: Unsere Modellierungs- und Simulationskompetenz generiert echte Wettbewerbsvorteile am Markt. Verfahrenstechnik, Maschinen- und Anlagenbau Fahrzeugindustrie und Zulieferer Medizin und Medizintechnik Energie- und Rohstoffwirtschaft Technische Textilien Informationstechnologie Finanzwirtschaft 39,7 23 % 36,1 16 % 41 % 36 % 34,0 21 % 37 % 31,1 32 % 27 % 41 % 42 % 43 % 41 % 2020 2021 2022 2023 Betriebshaushalt in Millionen Euro Grundfinanzierung und Fraunhofer-interne Programme Öffentliche Hand Industrie 500 400 140 300 200 64 3 65 100 199 130 53 3 58 132 60 3 63 131 55 2 51 247 261 266 2020 2021 2022 2023 Mitarbeitende Wiss. Hilfskräfte Promovierende Auszubildende Zentrale Bereiche Wissenschaft 40 35 30 25 20 15 10 5 6

Das Institut in Zahlen Das Institut in Zahlen Industrie erträge Regionale Firmen (näher als 150 km) Andere deutsche Firmen Internationale Firmen Klein- und mittelständische Unternehmen Andere 27% 37 % 37 % 26 % 73 % Lehren An 9 Universitäten und Hochschulen leisteten 16 Mitarbeitende – darunter 4 Professorinnen und Professoren – insgesamt 137 Semesterwochenstunden. 8 Forschen 16,4 Mio € Industrieerträge, 175 industrielle Auftraggeber, 339 Industrie- projekte Qualifizieren und Publizieren 21 Dissertationen, 26 Masterarbeiten, und 169 Publikationen Vollständige Liste unter: https://s.fhg.de/publica2023-itwm

Unser Netzwerk Kooperationen und Spin-Offs Vernetzung innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft Ein großes Netzwerk und kluge Köpfe sind entscheidend für den Erfolg von Projekten. Unsere spezifischen mathematischen Kompetenzen machen uns zu einem gefragten und geschätzten Kooperationspartner innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft. Wir sind Mitglied im Verbund für Informations- und Kommunikationstechnologie IUK, haben Gaststatus beim Verbund MATERIALS und sind in verschiedenen leitmarktorientierten Allianzen vertreten: Anlagen-, Maschinen- und Fahrzeugbau Chemische Industrie Digitalwirtschaft Energiewirtschaft Gesundheitswirtschaft Mobilitätswirtschaft Ernährungswirtschaft Fraunhofer-Chalmers Research Centre for Industrial Mathematics Einer unserer wichtigsten internationalen Partner ist das 2001 von Fraunhofer und der Chalmers-Universität in Göteborg gegründete »Fraunhofer-Chalmers Research Centre for Industrial Mathematics«, kurz FCC. 2023 arbeiteten dort 56 Beschäftigte an Themen wie schnellen Algorithmen, Multiphysik- und Echtzeitsimulation, Roboterbahnplanung, Bio- informatik und -statistik sowie Data Mining. Anwendungsbereiche sind zum Beispiel die virtuelle Produkt- und Prozessentwicklung. Der Haushalt betrug rund 6,3 Millionen Euro. © istockphoto www.fcc.chalmers.se Leistungszentrum Simulations- und Software-basierte Innovation Neue Ergebnisse und Ideen möglichst schnell in die Praxis zu überführen, das ist die Mission des Leistungszentrums Simulations- und Software-basierte Innovation am Standort Kaiserslautern. Die »Transferzentren« des Leistungszentrums wandeln wissenschaftliche Ergebnisse in Innova- tionen um und erfüllen damit Anforderungen aus Industrie und Gesellschaft. Im Fraunhofer- internen Ranking der 21 Leistungszentren belegte es 2023 den ersten Platz! www.leistungszentrum-simulation-software.de 10

Aus dem Institutsleben Aus dem Institutsleben Highlights 2023/2024 – Preise Ein Jahr am Fraunhofer ITWM ist gefüllt mit zahlreichen Veranstaltungen rund um unsere Forschungsarbeiten. An über 200 Events haben unsere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter im Jahr 2023 teilgenommen. Eine Auswahl zu treffen, was davon ein »Highlight« ist, fällt schwer, denn in jedes unserer Projekte bringen die For- schenden ihr Herzblut und Engagement ein. Einige besondere Momente im ver- gangenen Jahr haben wir herausgepickt, die einen Eindruck vermitteln, wie an unserem Institut gearbeitet, geforscht und manchmal auch gefeiert wird. Wissenschaftspreis für Anita Schöbel Auf der Jahrestagung der Gesellschaft für Operations Research (GOR) erhielt Prof. Dr. Anita Schöbel den mit 8 000 Euro dotierten Wissenschaftspreis der GOR für ihr Gesamtwerk. Alle zwei Jahre vergibt die Gesellschaft diesen Preis an Forschende für außergewöhnliche Leistungen zur Ent- wicklung des Schwerpunkts »Operations Research«. In ihrer Dankesrede stellte Schöbel heraus, wie relevant OR für ihre Forschung und ihren Werdegang bisher waren. »Es ist wunderbar, das Fachgebiet in engagierten Teams auf so vielen Ebenen voranzubringen. Die Auszeichnung be- stätigt mich darin, dass dies in der Community genauso wahrgenommen wird. Auch wenn mit der Auszeichnung eigentlich ein Lebenswerk geehrt wird, ist hier meine Arbeit natürlich noch lange nicht am Ende!« www.itwm.fraunhofer.de/gorpreis_anita_schoebel Besondere Auszeichnung für unsere Institusleiterin 12 © Gesellschaft für Operations Research e.V.

Aus dem Institutsleben Highlights 2023/2024 – Veranstaltungen International und interdisziplinär: ISOLDE 2023 Zusammen mit der Arbeitsgruppe »Optimierung« der Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) war das Fraunhofer ITWM 2023 Gastgeber der Konferenz ISOLDE (»International Symposium on Locational Decisions«). Prof. Dr. Anita Schöbel war die Hauptorganisa- torin der Konferenz. Rund 80 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Operations-Research- Gemeinschaft aus 18 Ländern kamen für fünf Tage in Kaiserslautern und am zweiten Tagungs- ort Baden-Baden zusammen. Kompakte Tage mit einer ausgewogenen Mischung aus Konferenz und Vernetzungsmöglichkeiten erlebten die Teilnehmenden aus den Disziplinen Mathematik, Wirtschafts- und Ingenieurswissenschaften sowie Geografie. www.itwm.fraunhofer.de/pm-isolde Ehre, wem Ehre gebührt Mit einem besonderen Workshop feierte die Abteilung »Finanzmathematik« gemeinsam mit der RPTU Kaisers- lautern den 60. Geburtstag von Prof. Dr. Ralf Korn nach. Dafür kamen viele Mathematikerinnen und Mathematiker an unser Institut, deren beruflicher Werdegang eng mit ihm verknüpft ist. Korn hat die Abteilung »Finanzmathe- matik« gegründet und ist als Berater des Fraunhofer ITWM weiter mit an der Forschung beteiligt. Beeindruckende Zahlen dürfen bei der Ehrung des Mathematikers nicht fehlen: Korn hat bis zum Zeitpunkt der Ver- anstaltung 84 Diplomarbeiten, 109 Master- arbeiten, 22 Bachelorarbeiten und 60 Promo- tionen betreut und rund 1200 mündliche Prüfungen an der RPTU abgenommen. www.itwm.fraunhofer.de/workshop-korn 14

Aus dem Institutsleben Aus dem Institutsleben Highlights 2023/2024 – Projekte © View, Rainer Voss © View, Rainer Voss Landesregierung fördert Vorlaufforschung Für das Land Rheinland-Pfalz sind Biotechnologie und Quantencomputing zwei wichtige Forschungs- schwerpunkte, darum brachte Wissenschaftsminister Clemens Hoch im März 2023 gleich zwei Förderbescheide nach Kaiserslautern. Unterstützt werden die Quanteninitiative Rheinland-Pfalz (QUIP) und das am Fraunhofer ITWM beheimatete Projekt MaTBiZ (Mikrostrukturdesign und additive Herstellung einer Chromatographiesäule zur Trennung von biologischen Zellen). www.itwm.fraunhofer.de/bescheid-matbiz-quip Universitätsmediziner:in Therapieplanung Niedergelassene:r Mediziner:in Patient:in Therapie- maßnahmen Datenzentrum Falldaten Mobile Anwendung Digitaler Hub © freepik.com Projekt »DECIDE« gewinnt bundesweiten Wettbewerb Beim Wettbewerb »Digitale Orte im Land der Ideen 2023« gewinnt das Projekt »DECIDE: Digitale Beratung, Datenintegration, Entscheidungsfindung und Empowerment« in der Kategorie »Gesund- heit«. Das vom Institut für Medizinische Biometrie, Epidemiologie und Informatik (IMBEI) der Universitätsmedizin Mainz koordinierte Projekt will mit digitalen Lösungen eine bestmögliche Ge- sundheitsversorgung unabhängig vom Wohnort der Betroffenen schaffen. Über eine App über- mittelte Daten von Patientinnen und Patienten werden von einem am Fraunhofer ITWM entwickel- ten System mit Künstlicher Intelligenz ausgewertet. www.itwm.fraunhofer.de/decide 16

Titelthema Gesundheit und Life Sciences Gesundheit und Life Sciences Gesundheitsversorgung verbessern, Heilungschancen erhöhen, Diagnosen unterstützen – das sind Ziele, welche die Fraunhofer-Gesellschaft im Leitmarkt »Gesundheitswirtschaft« erreichen will. Wir tragen dazu bei, besonders mit dem Fokus auf smarten Tools zur Entscheidungsfindung sowie der optimalen Nutzung der Digitalisierung. In diesem Jahr widmet sich unsere Titelstory dem großen Thema, beleuchtet Projekte und stellt die umfangreichen Arbeiten bei uns am Fraunhofer ITWM vor. Weitere ITWM-Projekte zu Medizin und Gesundheit gibt es online. www.itwm.fraunhofer.de/gesundheit 18 © freepik

Titelthema Gesundheit und Life Sciences Methodische Schwerpunkte der Abteilung »Optimierung in den Life Sciences« Im Gesundheitswesen verbessern wir mit Methoden des Operations Research Organisationsstrukturen und -prozesse. Mediziner:innen erstellen mit unseren Optimierungsverfahren best- mögliche individuelle Therapiepläne. Wir entwickeln Methoden für Entscheidungsunterstützung für die effektive Lösung von komplexen Planungsaufgaben. Umfangreiche Datenbestände werden mit Künstlicher Intelligenz ziel- gerichtet analysiert und ausgewertet. Mit mathematischer Simulation werden medizintechnische Design prozesse effizient durchlaufen. Was heißt das in der Praxis für die Aufstellung der Projektteams? Küfer: Alle Projektteams im Bereich »Optimie- rung« sind nach methodischer Kompetenz für die jeweils zu betrachtende Fragestellung zu- sammengestellt. Projekte sind den Abteilungen zugeordnet, die Mitarbeitenden agieren frei über die gesetzten Abteilungsgrenzen hinweg. Nach außen ist es aber wichtig, die Sprache der jeweiligen Branche zu sprechen und thematisch weniger methodisch aufzutreten. Gerade in den Life Sciences stoßen wir mit Mathematik und Informatik in Lücken, die – interdisziplinär angegangen – große Chancen für Innovation und Verbesserungen im Feld bieten. Ein seit vielen Jahren bedeutendes Anwendungs- feld für unsere Projekte ist die Onkologie, dort ist die individualisierte Therapiegestaltung ein großes Thema. Bei einer Krebserkrankung wurde jahrzehntelang immer gleichbehandelt, z. B. mit denselben Strahlungsdosen. Sowohl bei der Bestrahlung als auch bei den Medika- menten geht man jetzt neue Wege, denn Menschen sprechen unterschiedlich auf Thera- pien an. Individuell gestaltete Entscheidungen berücksichtigen Tumormarker, Blutwerte und andere Parameter� Dabei hilft unsere Mathema- tik. Zum Beispiel sind wir unter dem Schlagwort »Optimal Stopping Radiotherapy« in einer Arbeitsgruppe der Deutschen Forschungsge- meinschaft. (Wie unsere Mathematik auch in der Produktion von personalisierter Pharma- zeutika unterstützt, siehe Seite 26). Außerdem sind wir seit der Coronazeit gefragte Expertin- nen und Experten zum Infektionsgeschehen und bei der Prävention von Pandemien. (dazu mehr auf Seite 28). Was glauben Sie, wo die Reise hin- geht? Scherrer: In den letzten Jahren kamen Projekte hinzu, welche die Digitalisierung und den Einsatz von Künstlicher Intelligenz bei Alterserkran- kungen und in der Pflege sowie der psychischen Gesundheit in den Fokus stellen� Insgesamt er- öffnet die fortschreitende Digitalisierung in vielen Feldern neue Möglichkeiten. Man kann alle vorhandenen Informationen zusammen- führen und gemeinsam nutzen, um das Vor- gehen bestmöglich an die individuellen Gege- benheiten anzupassen. Das gilt in der Pflege durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz zum Beispiel als Unterstützung von Pflegeplane- rinnen und Pflegeplanern bei komplexen Ent- scheidungen. Generell kann KI an vielen Stel- len in den Life Sciences große Verbesserungen schaffen, aber der verantwortungsvolle Ein- satz von KI für und am Menschen stellt eine zentrale Herausforderung dar� Küfer: Inhaltlich ist besonders in der Pflege noch sehr viel zu tun. Aktuell werden nur 25 Prozent der Menschen in einem Altersheim gepflegt, aber das wird aufgrund des demo- grafischen Wandels und des Fachkräfteman- gels nicht mehr lange so bleiben� Wie kann die dezentrale Pflege in der Fläche besser ge- nutzt werden? Die komplexe Organisation und die Aufteilung der wenigen Ressourcen in Form von Fachkräften sind zusätzlich große Herausforderungen� Diese bieten eine riesige Chance für unsere Mathematik – egal, ob in der Krebsforschung, bei Herzkrankheiten oder anderen Schwerpunkten. www.itwm.fraunhofer.de/life-sciences 20

Titelthema Gesundheit und Life Sciences Digitalisierung in der Pflege Unterstützung für Pflegekräfte: Langzeitpflege mit KI Die stationäre Versorgung von pflegebedürftigen Menschen steht vor großen Herausforderun- gen. Nach Angaben von Statista wird die Zahl der Menschen, die auf Betreuung angewiesen sind, bis 2030 um 50 Prozent steigen. Gleichzeitig nimmt das Arbeitskräfteangebot weiter ab. Eine Option, diesen Entwicklungen entgegenzuwirken, bieten KI-basierte, digitale Systeme: Im Projekt »Versorgungsintegrierte Künstliche Intelligenz im professionellen Pflegeprozess« (ViKI pro) unterstützen wir gemeinsam mit Partnern Pflegefachkräfte dabei, individuelle Pflegebe- dürfnisse zu erheben und mithilfe von KI geeignete Maßnahmen zu planen. »Dafür verfolgen wir einen modellbasierten Ansatz und nutzen das vorhandene Fachwissen, digitalisieren es und machen es KI-nutzbar«, so Dr. Alexander Scherrer. www.itwm.fraunhofer.de/viki-pro 22 © istockphoto

Titelthema Gesundheit und Life Sciences Onkologie – Mathematik zur Bekämpfung von Krebs © freepik Krebsbehandlung durch Protonentherapie Die Protonentherapie erlaubt – verglichen mit der herkömmlichen Strahlentherapie – eine zielge- nauere Bestrahlung, damit werden die Organe und das umliegende Gewebe besser geschont. Diese Vorteile können aber nur effektiv genutzt werden, wenn in der Planung Unsicherheiten bezüglich der Reichweite der Strahlung und ihrer biologischen Wirksamkeit reduziert werden. Mit der Ludwig-Maximilians-Universität München arbeiten wir in einem Projekt daran, zusätzli- che Informationen in die Planung einzubeziehen und damit dem ärztlichen Fachpersonal opti- mierte Behandlungspläne vorschlagen zu können. Das Projekt wird von der Deutschen For- schungsgemeinschaft (DFG) gefördert. www.itwm.fraunhofer.de/protonentherapie Therapienachsorge in der Onkologie Die erfolgreiche Behandlung von Krebserkrankungen umfasst neben der Therapie auch eine de- taillierte Nachsorge. Bislang erfolgt diese weitgehend nach medizinischen Gesichtspunkten im direkten Dialog. Die Verbesserung der Lebensqualität der erkrankten Personen auch durch Ein- bindung ihres sozialen Umfelds spielt dagegen eine untergeordnete Rolle. Projektziel von »ON- CORELIEF« ist das Entwickeln eines digitalen Assistenzsystems, das die Erkrankten bei der post- therapeutischen Verbesserung ihres Gesundheitszustands unterstützt. Dieses System bewertet die Lebensqualität und erkennt frühzeitig Interventionsbedarf. Ausgehend davon werden dann geeignete Maßnahmen vorgeschlagen. An dem EU-Projekt arbeiten 13 Partner aus sieben Län- dern zusammen� www.itwm.fraunhofer.de/oncorelief 24

Titelthema Gesundheit und Life Sciences Personalisierte Pharmazeutika – neue Tech- nologien und universelle Mathematik Die Produktionsplanung mit dem Unternehmen BioNTech steht im Mittelpunkt der Arbeiten des Teams um Dr. Heiner Ackermann, Abteilungsleiter »Optimierung – Operations Research« im Bereich »Optimierung«. Nicht nur die Forschenden wachsen an ihren Aufgaben, sondern auch die Mathematik profitiert von der Zusammenarbeit. einer Person miteinbezogen� Dies erfordert im Unterschied zu etablierten Produktionsprozessen in der Pharmabranche nicht nur eine erheblich komplexere Prozessorganisation aus den Kliniken, in die Produktion und wieder zurück, sondern auch Lösungen für den Umgang mit Proben in der Produktion� Software optimiert Produktion In Zusammenarbeit mit BioNTech entwickelt das Team des Fraunhofer ITWM um Ackermann des- halb Software, mit denen sich diese Prozesse nicht nur ausführen lassen, sondern die auch an immer neue Anforderungen angepasst werden kann. »Die Herstellung individualisierter Arznei unterscheidet sich deutlich von etablierten Pro- zessen. Alle Schritte müssen für jeden Patienten und jede Patientin mit großer Sorgfalt einzeln durchgeführt werden, Chargen sind erheblich kleiner«, so Ackermann, der die Entwicklung der Softwareplattformen als Projektleiter ver- antwortet. »Es gibt dabei gleich mehrere Aspekte zu be- rücksichtigen: Es muss nicht nur individuell, sicher und möglichst günstig produziert werden, sondern auch die Qualitätsschwankungen im Ausgangsmaterial sind Unsicherheiten, die pro- aktiv in die Kapazitätsplanung miteinbezogen werden.« Was heißt dabei Material? Bei Krebs wird das gesunde Gewebe mit krankem vergli- chen. Vereinfacht gesagt, schaut man, was spezifische Veränderungen im Tumormaterial sind, um zu entscheiden, was zum Einsatz kommt� Forschungs- transfer in Pharma- technologie seit 2016 © BioNTech SE 2023 Spätestens seit den Impfungen gegen COVID-19 haben viele schon von mRNA gehört. Im thera- peutischen Kontext wird die messenger RNA als Informationsträger eingesetzt, mit dem das Immunsystem quasi trainiert wird. Der erste je- mals zugelassene mRNA-Impfstoff ist in den Laboren von BioNTech entstanden. Das Unter- nehmen in Mainz ist bereits seit 2016 Partner des Fraunhofer ITWM und entwickelt auf Basis von mRNA Therapeutika gegen Krebs und pro- phylaktische Impfstoffe gegen Infektionserkran- kungen. Diese neuen Möglichkeiten gehen ein- her mit Chancen in der personalisierten Medizin� Die individuell einzusetzenden Mittel sind bisher meist Krebs-Medikamente. In der Praxis steht das Pharmaunternehmen vor besonders großen Herausforderungen in der Produktion – denn anders als zum Beispiel bei einem Massenimpfstoff werden bei der individu- ellen Pharmazeutik spezifische Besonderheiten 26

Titelthema Gesundheit und Life Sciences Was uns das Abwasser über Infektionen verrät Anhand von Abwasser-Analysen zu Corona und der repräsentativen Kohortenstudie »SentiSurv« untersucht ein Team unseres Bereichs »Optimierung« und der Abteilung »Transportvorgänge« das Infektionsgeschehen in Rheinland-Pfalz. Immer im Blick: Wie können die Ergebnisse uns dabei helfen, besser vorbereitet zu sein? Abwasser ist eine reiche Informationsquelle, die auch vor der COVID-19-Pandemie schon vereinzelt zum Erkennen von Krankheitserre- gern herangezogen wurde. Intensiver Gegen- stand der Forschung ist das Abwassermonito- ring aber erst seit den Coronajahren. Bereits im März 2021 forderte die EU-Kommission unter dem Projektnamen »ESI-CorA« die Mit- gliedstaaten dazu auf, eine systematische Überwachung von SARS-CoV-2 im Abwasser einzuführen. Im Februar 2022 startete deshalb ein bundesweiter Pilotbetrieb zum Corona- Abwassermonitoring an insgesamt 56 Stand- orten. Das rheinland-pfälzische Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit hat in die- sem Rahmen zusätzlich insgesamt 16 Kläranla- gen einbezogen, die zweiwöchentlich Proben liefern� Abwassermonitoring kombiniert mit Kohortenstudie ergibt optimale Datenlage »Deutschland hinkte zunächst im europäischen Vergleich etwas hinterher, aber Rheinland-Pfalz ist heute Vorreiter in dieser Art der Untersu- chung«, so Dr. Neele Leithäuser. Dazu haben auch unsere Forschenden beigetragen, denn sie unterstützten die Landespolitik mit ihrer Expertise immer wieder in verschiedenen Fra- gen mit Zahlen und Tools beim Treffen von Entscheidungen. »Im Spätsommer 2022 war klar, dass die Massentests auslaufen und es dann keine gesicherten Zahlen mehr geben wird. Besonders die sogenannte Prävalenz ist das, was man braucht, um die Lage einschät- zen zu können«, erklärt Dr. Jan Mohring. © istockphoto © freepik Die Überwachung von Viruslast im Abwasser gilt inzwischen als wichtige Informationsquelle für die Forschung. Doch was sagen die Nachweise aus? »Die Datenlage ist ein echter Glücksfall« Kontakt Dr. Jan Mohring Abteilung »Transportvorgänge« Telefon +49 631 31600-4393 jan.mohring@itwm.fraunhofer.de 28

Quantencomputing Quantencomputing Im Vergleich zum klassischen Computing verspricht das Quantencomputing eine enorme Beschleunigung bestimmter Algorithmen und auch die Mög- lichkeit extrem komplexe Fragestellungen zu behandeln. Unsere Instituts- leiterin Prof. Dr. Anita Schöbel ist gemeinsam mit Prof. Manfred Haus- wirth (Institutsleiter am Fraunhofer FOKUS) verantwortlich für das Thema Quantencomputing in der Fraunhofer- Gesellschaft. An unserem Institut wird intensiv zum Thema Quantencomputing geforscht. 30 © IBM

Quantencomputing »Die Erwar- tungen werden realistischer.« Kontakt Prof. Dr. Anita Schöbel Leiterin des Fraunhofer ITWM Telefon +49 631 31600-1002 anita�schoebel@itwm.fraunhofer.de 32 Halffmann: Gerade bei IBM konnten wir sehr gut sehen, wie sich die Hardware weiterentwi- ckelt hat. Das ist sehr bedeutend für uns, weil wir selbst teilweise in den Bau von Hardware involviert sind. Und ich stimme zu, wir sind ganz klar Hardware-agnostisch unterwegs, weil wir zum jetzigen Zeitpunkt nicht abschät- zen können, welche Hardware-Technologie sich wie entwickelt, welche sich wirklich durchsetzen wird. Wir testen eine breite Aus- wahl. Wichtig ist es für uns aber auf jeden Fall, dass wir in irgendeiner Form Zugang zu Hard- ware haben, um zu sehen: Wie ist der Fort- schritt? Funktionieren die Algorithmen, die wir entwickeln? Wir wollen Praxis, wir wollen an- wendungsorientiert forschen und damit müs- sen wir auch gucken: Wie gut funktionieren unsere Methoden in der Anwendung? Und das ist insbesondere wichtig für unseren wis- senschaftlichen Nachwuchs, dass die auch ein Gefühl bekommen, wie man mit so einem Quantencomputer arbeitet. Fallstricke beurteilen können. Und im Projekt Rymax finde ich es beeindruckend, dass wir am Bau von einem echten Quantencomputer in Kaiserslautern mit beteiligt sind. Nicht am Bau selbst, aber wir versuchen, die Algorith- men beizusteuern und auch die, die zwischen Software und Hardware vermitteln. Das ist spannend mitzuerleben� Halffmann: In der Finanzmathematik und der Optimierung fokussieren wir uns auf die Algorithmik, also hier insbesondere Algorith- men aus dem Quantenmaschinellen Lernen und der Quantenoptimierung, die wir wirklich – und das ist das Spannende hier – mit kon- kreten Anwendungsfällen ausprobieren. Im Energiebereich haben wir z. B. ein Kraftwerks- Einsatzplanungsproblem gelöst. Das hat auf jeden Fall deutliche Verbesserungen in der Performance gebracht bei Quantenmaschinel- len Lernen� Fast alle Abteilungen am Fraunhofer ITWM haben erste Erfahrungen mit dem Quantencomputing gemacht. Wo sehen Sie die größten Potenziale? Gibt es Projekte, die herausstechen? Schöbel: Bei der Bildverarbeitung kann man im wahrsten Sinn des Wortes sehen, wie das Erkennen von Bildern immer besser wird. Für die Simulation wurde bei uns viel Arbeit in die schnelle Fourier-Transformation gesteckt, so dass wir da sowohl das Potenzial als auch die In der Öffentlichkeit bestehen hohe Erwartungen an die Quantentechno- logien, das Interesse ist groß. Was halten Sie zeitnah für realistisch? Schöbel: Natürlich ist es leider immer noch ein bisschen Kaffeesatzleserei, wo was wann industriell einsatzfähig ist. Wir haben ein paar Bereiche identifiziert, bei denen wir Fortschrit- te für realistisch halten. Interessanterweise sind die Bereiche, wo man mathematisch be- weisen kann, dass Quantencomputing wirklich besser ist als alles, was man bisher kennt,

Quantencomputing Quantentechnologie: Unsere Erfahrungen Fast all unsere Abteilungen und Bereiche haben bereits Projekte mit Unterstüt- zung von Quantentechnologien durchgeführt. Ein Überblick über die Forschungs- aktivitäten in dem vom Land Rheinland-Pfalz geförderten Projekt »Anwendungsorientiertes Quantencomputing« (AnQuC-3). Bildverarbeitung Im Gebiet des Maschinellen Lernens (ML) mit Quantencomputern (QC) haben Forscherinnen und Forscher einen eigenen Algorithmus entwickelt, um mittels QC Kanten in Bildern zu erkennen. Der Algorithmus liefert sehr robuste Ergebnisse – nicht nur auf einem Quantensimulator, sondern auch auf einem aktuell noch fehleranfälligen supraleitenden QC. Somit hat unser Team den wahrscheinlich ersten Quanten-Kantenerkennungsalgorithmus entwickelt, der auch für größere Bildgrößen anwendbar ist. Im Vergleich zu existierenden Methoden benötigt die am Fraunhofer ITWM entwickelte Methode nur wenige Messungen der Quantenzustände. Finanzmathematik Die Forschungsaktivitäten der Abteilung befassen sich mit dem Identifizieren von Use Cases in der Finanzmathematik, dem Übertragen klassischer Finanzmathematik-Verfahren auf die An- wendungen für QC sowie dem Weiterentwickeln von QC-Algorithmen. Die Forschenden untersu- chen und bewerten den Einsatz von Quantenalgorithmen und -computern für finanzmathematische Fragestellungen� Darüber hinaus werden Quantenalgorithmen weiterentwickelt, etwa durch das automatisierte Fin- den von QC-Schaltkreisen, etwa zur Simulation von finanzmathematischen Prozessen. Dabei werden Methoden der Künstlichen Intelligenz genutzt, um eine möglichst effiziente Berechnung ver- schiedenster Simulationsprobleme zu ermöglichen. Bereits existierende, so genannte variationel- le QC-Algorithmen, werden entsprechend auf die Use Cases der Abteilung angepasst. High Performance Computing Unser Bereich »High Performance Computing« (HPC) legt den Fokus auf das Wechselspiel zwi- schen HPC und QC. Im Projekt AnQuC betrachten die Forschenden das Benchmarking von Quantencomputern und zu anderen Quantenchemiesimulationen. Der Vergleich verschiedener Systeme miteinander ist wichtig, um die Vorteile des Quantencom- putings zu quantifizieren. Dabei werden verschiedene Kenngrößen betrachtet. Im Fokus steht die Laufzeit von Quantenschaltkreisen. Neben konkreten Messungen arbeitet der Bereich an der Deutschen Industrienorm (DIN) SPEC 91480 »Benchmarking von Quantencomputern« mit, um geeignete Metriken und Methoden zu identifizieren. 34

Quantencomputing Quantentechnologie: Wir bilden Nachwuchs aus Die Quanten-Initiative Rheinland-Pfalz (QUIP) stellt den wissenschaftlichen Nach- wuchs in den Fokus: Junge Forschende erhalten die Möglichkeit, sich am Fraunhofer ITWM oder bei unseren Projektpartnern in Rheinland-Pfalz in die Themen Quanten- computing (QC) oder Quantentechnologien (QT) einzuarbeiten. Das rheinland- pfälzische Ministerium für Wissenschaft und Gesundheit (MWG) fördert das Projekt. Quantennachwuchs erhält bei »QUIP« ein de- tailliert abgestimmtes, breites Forschungspro- gramm zur Aus- und Weiterbildung sowie zur Vernetzung. »Es ist wirklich klasse, dass das Land uns da so unterstützt, sowohl in der Fi- nanzierung als auch bei der Vernetzung«, be- tont Institutsleiterin Prof. Dr. Anita Schöbel. Quantentechnologien und die QC-Forschung sind in Rheinland-Pfalz stark aufgestellt, so- wohl in Projekten der Universitäten und Insti- tutionen als auch in Unternehmen. Expertinnen und Experten aus- und weiterzu- bilden, sie nach Rheinland-Pfalz zu bringen und gezielt zu vernetzen – das leistet QUIP be- reits mit Erfolg. Erste »Summer Schools« und »Winter Schools« haben stattgefunden. »Die Kompetenzen sind noch rar gesät, es gibt we- nig Angebote, aber eine hohe Nachfrage nach erfahrenen Forschenden«, sagt Quantenfor- schungskoordinator Dr� Pascal Halffmann� »Es ist wichtig, dass wir unser eigenes Programm etabliert haben� Für die Winter School im Feb- ruar konnten wir Vortragende von den großen Quantencomputing-Playern für uns gewinnen. Aus dieser Veranstaltung sind Praktika ent- standen, mit Leuten aus den USA, aber auch aus Europa, die wir nur dadurch nach Rhein- land-Pfalz bekommen haben.« Strukturiertes Qualifizierungskonzept im Quanten-Graduiertenzentrum Das Quanten-Graduiertenzentrum (QGC) ist ein weiteres zentrales Element von QUIP. Alle Promovierenden mit Themen aus dem Bereich »Quantencomputing und Quantentechnolo- gien« können sich für das QGC bewerben und so von einem breiten Angebot an wissen- schaftlichen Programmen und individuellen Fortbildungen zu profitieren. www.itwm.fraunhofer.de/quip 36

Quantencomputing Höher, schneller und weiter Computer sollen immer mehr können – damit steigen die Leistungsanforderungen an Hard- und Software. Herkömmliche Computertechnologien stoßen an ihre Grenzen. Das »Next Generation Computing« ist ein strategisches Forschungsfeld der Fraunhofer-Gesellschaft. Unsere Forschenden suchen nach neuen Lösungen, um die Effizienz der Datenverarbeitung signifikant zu steigern. Drei Strömungen sind besonders vielversprechend: Spezialisiertes energieeffizientes Supercomputing, Neuromorphic Computing und Quantencomputing. Neugründung: UNEEC Systems GmbH Im August 2023 ging das bislang jüngste Spin- Off des Fraunhofer ITWM an den Start – die UNEEC Systems GmbH. Ihr Ziel: energieeffi- ziente Supercomputer auf Basis von europä- ischen Technologien zu vertreiben. Herzstück der Ausgründung ist der Stencil- und Tensor- beschleuniger (STX), der in einen konsequen- ten Hardware-Software-Co-Design-Ansatz entwickelt wird. Das Team der Forschenden am Fraunhofer ITWM um Dr. Jens Krüger arbeitet am Optimieren der Hardware. Simulieren statt zerstören Insbesondere für verbesserte Simulationen sol- len optimale Voraussetzungen geschaffen werden. »Simulationen sind inzwischen ein fester Bestandteil in Wissenschaft und Indust- rie, aber auch sie verschlingen Energie. Die modellbasierte Simulation ersetzt inzwischen viele Experimente, wie etwa Crash-Tests in der Fahrzeugindustrie«, erklärt Dr. Jens Krüger. »Die Digitalisierung ist damit zwar der Schlüs- sel zur Effizienzsteigerung, aber immer größe- re Datenmengen und komplexere Algorith- men lassen erwarten, dass IT rund zehn Prozent des gesamten Energiebedarfs ausma- chen wird. Uns ist es wichtig mit unserer For- schung einen Beitrag zu leisten, dass leis- tungsfähige, energieeffiziente Systeme ein Teil der Lösung sind und nicht des Problems.« Der Ansatz der UNEEC Systems GmbH umfasst eine eigene System-on-Chip-Architektur – von einer Einsteckkarte bis hin zum kompletten HPC- Rack. Damit greift das Unternehmen den Trend auf, anwendungsklassenspezifische Lösungen zu bieten: Wer weiß, was der Nutzende erwartet, richtet die Hardware danach aus. Durch den Co- Design-Ansatz verbindet das STX-Systemkon- zept eine innovative Architektur, höchste Ener- gieeffizienz und einfache Programmierbarkeit für hochparallele Simulationsanwendungen. Neuromorphic Computing: NASE erweitert Das Gehirn eines Vogels ist klein, aber extrem leistungsfähig: Das Organ schafft es, den Vogel zu navigieren, ermöglicht die Kommunikation mit Artgenossen und alle sonstigen Funktionen, die sein Überleben sichern – vereinfacht ge- sagt: Ein kleines Gehirn mit enormem Output. Neuromorphe Chips wollen diese Effizienz nachahmen. Auf Basis eines energieeffizienten KI-Chips, für den Forschende des Fraunhofer ITWM 2021 den Pilotinnovationspreis des Bundesforschungsministeriums erhielten, ist inzwischen das KI-Produkt NASE (Neural Ar- chitecture Search Engine) entstanden. Mit NASE unterstützt ein Team des Bereichs »High Performance Computing« Unternehmen dabei, auf ihre Bedürfnisse zugeschnittene neuronale Netze zu designen und in das eigene 38

Energie Energie Wir benötigen viel Energie, um unseren Lebensstandard zu halten. Umso wichtiger ist ein effizienter Umgang damit. Erneuerbare Energien und Effizienztechnologien, intelligen- te Netze und Digitalisierung der Energiewirtschaft sind Fo- kusthemen unsers Institutes. Immer steht dabei die sichere und nachhaltige Versorgung mit Wärme und Strom – auch für die E-Mobilität – im Zentrum. 40 © freepik

Energie Blick ins Innere der Batteriezelle © freepik Herzstück der Elektromobilität ist die Batterie. Sie treibt Autos ebenso an wie Last- wagen und muss dementsprechend ganz unterschiedlichen Anforderungen genü- gen. Politisch gewollt und gefördert, boomt die Elektromobilität in den zurücklie- genden fünf Jahren. Das konnte nur gelingen, weil schon lange an diesem Thema geforscht wird – so auch an unserem Institut. Wo die Anfänge liegen und welcher Forschungsstand erreicht wurde, erklären Dr. Jochen Zausch, Teamleiter »Elektro- chemie und Batterien« und Dr. Falco Schneider. Beide arbeiten in der Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation«. Seit wann betreibt das Fraunhofer ITWM Batteriesimulation? Was war der Auslöser? Zausch: Die gibt es, seit ich da bin, also seit 2009. Auslöser war zum einen die Koopera- tion mit Opel, zum anderen die Fraunhofer- Systemforschung Elektromobilität: Diese For- schungsinitiative begann im gleichen Zeitraum, gefördert von der Bundesregierung. Batterie- zellforschung wird also schon lange betrieben, die meisten Modelle vernachlässigen jedoch die mikroskopischen Details. Diese können wir mit unserem Multiskalen-Ansatz gut beschreiben. Was heißt das im Detail? Zausch: Eine Elektrode besteht letztlich aus porösem Material, also einem Pulver mit Parti- keln von der Größenordnung fünf bis zehn Mi- krometer, und diese Partikel formen zusam- men die komplexe Struktur der Elektrode. Diese mikroskopische Struktur hat natürlich einen Einfluss auf das makroskopische Batte- rieverhalten. Mit einer Simulation, welche die dreidimensionale Mikrostruktur berücksichtigt, kann man nun Aussagen über das makrosko- pische Batterieverhalten treffen. Und das ist unser Alleinstellungsmerkmal, manifestiert im Battery and Electrochemistry Simulation Tool BEST. Damit können wir simulieren, wie sich die Batterie beim Laden und Entladen verhält und natürlich auch optimieren� Nun kommt noch weiterer Aspekt dazu, näm- lich das Thema Batterieproduktion. Hier hilft uns beispielsweise unsere Expertise in der Strömungs simulation, denn die Elektroden werden anfangs als Paste auf eine Metallfolie aufgebracht. Auch beim nächsten Schritt, dem Kalandrieren, also dem Verpressen der Folie zwischen zwei Walzen, adaptieren wir unsere Kenntnisse in der Simulation mechanischer Eigenschaften und nutzen unser Tool FeelMath. Mit FLUID wiederum simulieren wir das Kontakt Dr. Jochen Zausch Teamleiter »Elektrochemie und Batterien« in der Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation« Telefon +49 631 31600-4688 jochen.zausch@itwm.fraunhofer.de 42

Transportvorgänge AD-Net – Intelligente Regelung von Fernwärmenetzen Fernwärme gilt als zentraler Baustein künftiger Energieversorgung. Die optimale Regelung der Netze ist derzeit ein lebendiger Forschungszweig, an dem sich auch Forschende der Abteilung »Transportvorgänge« beteiligen. Ihr Softwaretool »AD- Net Fernwärme« simuliert den Betrieb von Wärmenetzen dynamisch und optimiert in Echtzeit. Entstanden ist die Software seit 2015 in enger Zusammenarbeit mit den Technischen Werken Ludwigshafen AG und der GEF Ingenieur AG. Lastspitzen kappen durch Vorheizen Wie die Trinkwasserversorgung funktioniert auch das Fernwärmenetz über Druckausgleich; das heißt, was von Endverbrauchern entnom- men wird, muss am Werk mit solchem Druck nachgeschoben werden, dass die Wärmetau- scher in den Haushalten ordnungsgemäß arbei- ten können – aber durchaus mit verschiedenen Temperaturen. »In unserem Modell schickt der Erzeuger vor der Verbrauchsspitze Wasser mit hoher Temperatur, aber niedriger Geschwin- digkeit ins Netz, was die Einspeiseleistung mo- derat hält. Wenn das warme Wasser nun bei den Kunden ankommt, schiebt das Werk viel Wasser nach, aber mit niedriger Temperatur. Das erlaubt eine hohe Entnahmeleistung bei weiterhin moderater Einspeiseleistung«, erläu- tert Projektleiter Dr. Jan Mohring. Dieses Prin- zip des Vorheizens ist bekannt, kann nun aber systematisch optimiert werden. AD-Net plant zwei Tage im Voraus Datengrundlage von AD-Net sind nicht nur Er- fahrungswerte bei Verbrauch und Temperatur- verläufen im Fernwärmenetz, sondern auch Wetterprognosen. Damit können Anbieter noch © freepik/megafilm besser planen, meist zwei Tage. Das erleichtert die zuverlässige Versorgung mit Wärme, wenn demnächst auch Großwärmepumpen oder So- larparks in den Energiemix einbezogen werden. Kontakt Dr. Jan Mohring Abteilung »Systemanalyse, Prognose und Regelung« Telefon +49 631 31600-4393 jan.mohring@itwm.fraunhofer.de © CNES/Airbus/BKG/Copernicus/Geobasis/Google 2023 Wärmenetz mit Temperaturverteilung Die Anbieter von Fernwärme fahren ihre Anla- gen oft mit konstanter Temperatur um die 90° C. Bei dieser Betriebsart folgt die Einspei- seleistung dem Verbrauch, der über den Tag stark schwankt. Um die Verbrauchspitzen am Morgen und am Abend abzufedern, muss dabei häufig ein zusätzlicher Gaskessel hochgefahren werden, was große Kosten und zusätzlichen Brennstoffeinsatz verursacht. Daher beschäf- tigten sich die Forschenden mit der Frage, ob diese Zusatzfeuerung nicht wenigstens in den Übergangszeiten vermieden werden kann, in- dem Wasser mit veränderlicher Temperatur in das Leitungssystem eingespeist wird. www.itwm.fraunhofer.de/ad-net-fernwaerme 44

Systemanalyse, Prognose und Regelung ENERDIG – Digitalisierung und Künstliche Intelligenz für ein Energiemanagement 2.0 ENERDIG steht für »ENERGIEMANAGEMENT 2.0, DIGITALISERUNG, KI, OPTIMIERTE PROZESSE« und zielt auf ein ganzheitliches Energiemanagement ab. Gleich vier Ab- teilungen brachten ihre Expertise in das Projekt ein und erarbeiteten gemeinsam neue Digitalisierungs- und KI-basierte Strategien. Im Fokus standen Wohn- und In- dustriegebäude, Kunststoffherstellung, chemische Produktion und Vliesherstellung. © Freepik Die Forschungsteams entwickelten beispiels- weise KI-Methoden, um anhand von Wetter- prognosen Stromspeicher zu laden, die dann wiederum Wärmepumpen und Elektroautos zu einem möglichst großen Anteil mit erneu- erbarer Energie versorgen. Das ist ein weiterer Schritt hin zur Selbstversorgung mit Energie, sowohl bei Privathaushalten als auch bei Unternehmen. KMU profitieren von der Forschung Im Industriebereich nahmen die Forschenden die Vliesstoffproduktion ins Visier, die mit Software-Lösungen aerodynamisch optimiert wird. Dies führt zu stabilerer Produktqualität und zu signifikanten Energieeinsparungen. Diese ist auch bei der Kunststoffherstellung möglich. Um vor allem KMU auf dem Weg zu einem Energiemanagement 2.0 zu unterstüt- zen, entwickelt das Fraunhofer ITWM basie- rend auf digitalen Zwillingen von Maschinen und Produktionsanlagen Algorithmen für die Identifikation und Bewertung von Energiever- bräuchen und -flexibilität. Ein ähnlicher Lösungsansatz gilt in der ener- gieintensiven chemischen Industrie: Die Flexi- bilisierung der Energieverbräuche bedeutet hier, dass der Betrieb seine Prozesse kurzfristig auf veränderte Energiekosten anpasst. Dank ENERDIG wird nun auch die Rohstoffverfüg- barkeit bei der Anlagen-Optimierung berück- sichtigt� www.itwm.fraunhofer.de/enerdig Kontakt Dr� Dietmar Hietel Projektleiter »ENERDIG« Telefon +49 631 31600-4627 dietmar�hietel@itwm.fraunhofer.de 46

Weitere Projekte im Schwerpunkt Energie Digitalisierung Digitalisierung Die Datenmenge vieler Unternehmen wächst rasant; ihre Verarbei- tung und Analyse wird zur Schlüsselkompetenz im Wettbewerb. Unsere Forschenden unterstützen Unternehmen beim Aufbau von Know-how sowie bei der Entwicklung von Lösungen in Geschäftsprozessen sowie in der Produktion und Logistik. Dabei le- gen wir Wert auf Machbarkeit, Wirt schaftlichkeit, Datenschutz und Sicherheit� 48 © freepik

Digitalisierung Von Excel zur App: Data Science in der Immobilienfinanzierung Die Immobilienfinanzierung ist ein Hauptgeschäftsfeld vieler Versicherungen. So- wohl die Finanzierung gewerblicher als auch privater Immobilien beinhaltet eine Flut von teilweise manuellen Vorgängen, beginnend mit der Geschäftsanbahnung bis hin zum Risikomanagement. Durch intelligente Digitalisierung und Automati- sierung lassen sich immense Kosten sparen. Das zeigen Forschende der Abteilung Finanzmathematik in einem Projekt mit der R+V Versicherung. Die R+V Versicherung ist als Kreditgeber im Bau- sektor aktiv; sie vergibt zum einen Kredite für privates Wohneigentum, finanziert aber auch gewerbliche Immobilien wie Einkaufszentren oder Bürogebäude. Im Risikocontrolling helfen geeignete Prognosemethoden, die Kreditausfall- wahrscheinlichkeit abzuschätzen. Dazu will der Versicherer wissen, wie zurückgezahlt wird. »Feste Tilgungsraten sind relativ einfach vor- herzusagen. Um Sondertilgungen, Kündigun- gen oder Stundungen in die Prognose mit ein- zubeziehen, können statistische Methoden eingesetzt werden. Bei ausreichender Datenla- ge können auch Methoden des Maschinellen Lernens eine bessere Vorhersage liefern«, er- läutert Dr. Jörg Wenzel, Leiter der Abteilung Finanzmathematik� Dashboards für gewerbliche Immobilienfinanzierung und Individualgeschäfte Grundlage jeder guten Prognose sind möglichst viele Daten. Bisher werden diese bei Banken und Versicherungen häufig noch in Excel erfasst und bearbeitet. In der neuen App, die gemeinsam mit dem Fraunhofer ITWM entwickelt wird, werden alle relevanten Daten zur Immobilien- finanzierung in einer Datenbank zusammen- geführt und über ein Dashboard nutzbar ge- macht. Mitarbeitende der R+V Versicherung haben damit ein Tool, mit dem sie schnell © iStockphoto Geschäftsvorgänge anlegen, bearbeiten sowie auswerten und analysieren. Den Blick auf das gesamte Finanzierungsportfolio erhält man mit einem Mausklick und die App kann die Erstel- lung von Geschäftsberichten und Management- reports unterstützen. Zudem äußern sich die An- wenderinnen und Anwender positiv über die viel benutzerfreundlichere Oberfläche der App. »Des Weiteren unterstützen wir bei der Ent- wicklung einer App, die eine Vielzahl von Visualisierungen in Form von Graphiken oder Tabellen umfasst«, so Wenzel. Diese helfen, einen kompakten Überblick über größere Mengen komplexer Daten zu erhalten und unterstützen letztendlich beim Fällen wichtiger Business- Entscheidungen. So werden durch die Visualisierungen beispielsweise ein Wettbe- werbervergleich im zeitlichen Verlauf oder ein Kundenüberblick bzgl. verschiedener Kriterien ermöglicht. Kontakt Dr. Jörg Wenzel Abteilungsleiter »Finanzmathematik« Telefon +49 631 31600-45015 joerg.wenzel@itwm.fraunhofer.de www.itwm.fraunhofer.de/asset-allokation-portfoliooptimierung 50

Mobilität Mobilität Das Thema »Mobilität« ist ein ständiger Begleiter für uns am Fraunhofer ITWM – sei es für die Automobilindustrie, in der Bau- und Landwirtschaft oder gar für die Luft- und Raumfahrt. Unser Fokus liegt auf unseren Simulationsmethoden, die Produkte op- timieren, oft bevor ein kostspieliger Prototyp gebaut wird. Wir prüfen aber auch Bauteile mit unserer Terahertz-Forschung. Eine Vielzahl an Projekten können wir in diesem Bereich vorwei- sen und immer kommen neue hinzu, die die Mobilität für Anbie- tende und Anwendende verbessern. 52 © freepik

Mobilität Von Excel zur App: Data Science in der Immobilienfinanzierung VMC® Web Services – Cloudbasierte Analyse von Fahrzeugdaten © freepik Das Erheben von Nutzungsdaten spielt in vielen Bereichen eine wichtige Rolle. In der Fahrzeugindustrie helfen sie beispielsweise dabei, relevante Fahrzustände zu bestimmen oder den Energieverbrauch zu erfassen. Um die Datenmenge sinnvoll zu verwerten, stehen interessierten Fahrzeugherstellern und Flottenbetreibern die am Fraunhofer ITWM entwickelten VMC® Web Services zur Verfügung. Durch hochautomatisierte, datengetriebene Analysemöglichkeiten liefern sie einen wich- tigen zusätzlichen Baustein in der Wertschöpfungskette der Fahrzeugentwicklung. Ein Schwerpunkt unserer Abteilung »Dynamik, Lasten und Umge- bungsdaten« liegt auf der Modellierung der Nutzungsvariabilität von Fahrzeugen unter Einbeziehung von Umgebungsdaten. Hier- bei entwickelten sie das vielfältig einsetzbare Software- und Dienstleistungspaket VMC® (»Virtual Measurement Campaign«). Es unterstützt Fahrzeughersteller dabei, tiefere Einblicke in die Fahrzeugbeanspruchung und -nutzung zu gewinnen und Mess- daten auf das gesamte Fahrzeugleben hochzurechnen. spezifischen Kundenmodellen und unterstützt Fahrzeughersteller, diese Informationen in ihre Produktentwicklung zu integrieren«, erklärt Fachmann Thorsten Weyh. Die Web Services entsprechen dabei den Modulen der VMC® Desktop-Software. Die Module können jedoch individuell kombiniert werden, um hochauto- matisierte, statistische Auswertungen für spe- zifische Nutzungsgruppen zu realisieren. Jedes Fahrzeug sammelt Daten, jeder gefahrene Kilometer wird in Echtzeit erfasst – sei es bei PKW oder schweren LKW. Hierbei handelt es sich um Informationen, wie wir die Fahrzeuge nutzen, welche Strecken wir zurücklegen und vieles mehr� Fahrzeughersteller und Flottenbe- treiber übertragen diese Daten typischerweise in ein cloudbasiertes Ablagesystem, wo sie für umfassende Auswertungen zur Verfügung stehen. Mit der wachsenden Verfügbarkeit von Fahrzeugdaten aus dem laufenden Betrieb heraus wachsen folglich auch die Analyse- möglichkeiten. Ein weiterer Baustein in der Fahr- zeugentwicklung »Hier greift unser neues Tool – die VMC® Web Services. Es verbindet die Sammlung von realen Nutzungsdaten mit dem Ableiten von Umfangreiche Funktionen Die neuen Web Services bieten gleich mehrere Vorteile. So ist es nun möglich, spezifische Strecken samt potenziellen Zwischenstopps zu erstellen, Streckenverläufe auf VMC® Karten- material zu projizieren, Strecken nach Straßen- typ, Kurvigkeit oder Bergigkeit auszuwerten sowie Geschwindigkeitsprofile für verschiede- ne Fahrzeug-, Fahrer- und Verkehrsmodelle zu kombinieren und simulieren. Als cloudbasier- ter Online-Dienst ist dabei keine kosten- und ressourcenintensive lokale IT-Infrastruktur not- wendig. Die kundenseitigen Hardwareanfor- derungen reduzieren sich auf ein Minimum und ermöglichen somit einen niederschwelli- gen Zugang zu den Web-Diensten. Neben den bereits genannten geo-referenzierten Analyse- möglichkeiten stellen die Services zudem An- gaben über den Verbrauch und Emissionen über den gewählten Streckenverlauf bereit. www.itwm.fraunhofer.de/vmc-services Kontakt Dipl.-Ing. Thorsten Weyh Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« Telefon +49 631 31600-4513 thorsten.weyh@itwm.fraunhofer.de 54

Mobilität Von Excel zur App: Data Science in der Immobilienfinanzierung Terahertz für die Raumfahrt Unsere modernen Terahertz-Systeme messen zerstörungsfrei und präzise Schicht für Schicht – selbst bei komplexen Strukturen wie Schäumen und deren Verklebun- gen – wodurch die Integrität der Materialien erhalten bleibt. Mit der eingesetzten Terahertz-Technologie arbeiten wir vollkommen berührungslos und zerstörungsfrei und verwenden keine schädliche Strahlung. In einem neuen Projekt unterstützen wir nun »MT Aerospace« beim Untersuchen des neuen Tanks für die Trägerrakete »Ariane 6«. Das Luft- und Raumfahrtunternehmen »MT Aerospace« ist spezialisiert auf die Produktion von Leichtbaukonstruktionen, insbesondere aus Metall und Faserkompositen� Derzeit untersuchen sie für die ArianeGroup im Pro- jekt »PHOEBUS« die potenzielle Weiterent- wicklung der cryogenen Flüssigkeitstanks der »Ariane 6«. Diese neueste europäische Träger- rakete verwendet bisher klassische, metalli- sche Tanks und befindet sich aktuell in den Endvorbereitungen zu ihrem ersten Start. Ziel von »PHOEBUS« ist es nun, das Gesamtge- wicht und die Kosten der Rakete durch eine Umstellung des Tankmaterials von Aluminium auf carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zu reduzieren. In einem spezialisierten Verfahren werden Hartschaumplatten auf die CFK-Tanks geklebt, die zur mechanischen Dämpfung und thermischen Isolierung während des Fluges die- nen. Dabei dürfen keine fehlerhaften Klebe- stellen und Lufteinschlüsse entstehen, da sonst die Stabilität der gesamten Struktur in Gefahr ist� Zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung Terahertz bezeichnet den Bereich elektromagnetischer Strahlung zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung mit Frequenzen von etwa 0,1 bis 10 THz. Diese Strahlung ermöglicht eine zerstö- rungsfreie Durchdringung von Objekten, zum einen für Untersu- chungen mittels 3D-Bildgebung und zum anderen für Material- charakterisierungen. 56 © ArianeGroup

Mobilität Von Excel zur App: Data Science in der Immobilienfinanzierung Wie lange hält ein Kabel? In Fahrzeugen sind sie fast überall zu finden – die Rede ist von Kabeln. Daher ist ein Kernthema der Forschung in unserem Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« das Gebiet der Kabel, Schläuche und flexiblen Struktu- ren. Simulationen helfen, deren Monta- geposition zu optimieren, und zwar schon lange, bevor Hardware ins Spiel kommt. Doch die ultimative Frage lautet: Wie lange hält das Kabel? Unser Softwarepaket »IPS Cable Simulation« erlaubt die Simulation von Kabeln und Schläu- chen in Echtzeit. Das heißt, Nutzerinnen und Nutzer können die 3D-mechanische Auslegung von Kabel und Schläuchen im Fahrzeug inter- aktiv vornehmen, verändern und validieren. Somit finden sie bereits eine optimale Ausle- gung, bevor die ersten Hardware-Aufbauten entstehen. Das spart Zeit und Kosten und re- duziert Prototypen sowie weitere Iterationen. Wir forschen stetig an Erweiterungen Obwohl »IPS Cable Simulation« bereits erfolg- reich ist und von unserer Ausgründung »fleX- structures« vertrieben wird, streben unsere Forschenden kontinuierliche Verbesserungen und neue Funktionen an. So beschäftigen sie sich in aktuellen Projekten mit der Frage: Wie lange hält das Kabel? © flexstructures Ein Blick ins Innere eines Fahrzeuges: Kabel und Schläuche sind allgegenwärtig. Anzahl der Lastzyklen bis zum Ausfall darstellt«, erklärt der Experte Dr. Fabio Schneider-Jung. Vergleichende und absolute Lebens- dauer-Vorhersagen Vergleichende Aussagen sind bereits mit einer generischen Wöhlerkurve möglich. Das heißt, die Anwendenden kennen zwar nicht die ab- solute Lebensdauer, vergleichen aber verschie- dene Varianten einer Verlegung bezüglich deren Lebensdauer. Um zusätzlich die tatsächliche Lebensdauer vorhersagen, ist eine spezifische Kabel-Wöhlerkurve erforderlich. Diese zu ermitteln, ist jedoch keine leichte Auf- gabe. Die Forschenden benötigen hierzu einige Prüflinge in verschiedenen Tests – wobei der Testaufwand immer verhältnismäßig bleiben muss. Eine weitere Hürde sind die fast unmög- lichen Messungen lokaler Lasten entlang des Kabels. Hier reichern sie die experimentellen Daten durch Simulationen an� Mittels der Maximum-Likelihood-Methode, suchen sie schließlich die Wöhlerkurve, welche bestmög- lich zu den gesammelten Lebensdauerdaten passt� Die Simulation liefert bereits Informationen über die lokal auftretenden Lasten. Aber was bedeu- ten diese Lasten für die Kabel-Lebensdauer? »Entscheidend für die Antwort ist eine geeig- nete Kabel-Wöhlerkurve, welche die Beziehung zwischen lokalen Lastamplituden und der »Für einige Kabel ermittelten wir bereits Kabel- Wöhlerkurven – mit vielversprechenden Ergeb- nissen, denn die vorhergesagte Lebensdauer bestätigte sich in weiteren Experimenten«, so der Forscher abschließend. www.itwm.fraunhofer.de/ips Kontakt Dr. Fabio Schneider-Jung Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« Telefon +49 631 31600-4730 fabio�schneider@itwm.fraunhofer.de 58

Maschinenbau und Produktion Maschinenbau und Produktion Der Industriestandort Deutschland steht vor großen Herausfor- derungen, um sich im internationalen Wettbewerb zu behaupten. Energieeffiziente und digitale Technologien sowie resiliente Wertschöpfungsketten sind wichtige Bausteine für eine sichere Zukunft. Wir setzen unsere mathematische Expertise und unser technologisches Know-how ein, um durch unsere Forschung Lö- sungen zu entwickeln, durch deren Anwendung industriellen Kunden nachhaltig geholfen werden kann. 60 © freepik © freepik

Maschinenbau und Produktion Von Excel zur App: Data Science in der Immobilienfinanzierung Maßgeschneiderte Inspektionslösungen für die Industrie Industrielle Inspektionssysteme müssen auf immer vielseitigere, sich schnell verän- dernde Produkte ausgelegt werden. Gleichzeitig steigt die Komplexität der Ober- flächen und Materialien. Die Abteilung »Bildverarbeitung« entwickelt individuelle Systeme und setzt dabei auch auf »Künstliche Intelligenz« (KI). Ein Interview mit Abteilungsleiter Markus Rauhut. Industrielle Inspektion ist schon seit vielen Jahren das Thema der Abteilung »Bildverarbeitung«. Was bieten Sie den Unternehmen? Rauhut: Wir bauen maßgeschneiderte optische Oberflächeninspektionssysteme, die wir direkt in Produktionsanlagen integrieren� Dabei sehen wir uns nicht als Konkurrenz der Industrie, sondern ergänzen dort, wo es auf dem Markt noch keine Lösung gibt. In Zusammenarbeit mit der Abteilung »Sys- temanlayse, Prognose und Regelung« unseres Instituts können wir einen Schritt weiter ge- hen und direkt beim Kunden die Ursachen für Qualitätsabweichungen ermitteln. Zum Bei- spiel, warum ein bestimmter Fehler besonders häufig auftritt und welche Maßnahmen in der Produktion ergriffen werden können, um dies zu verhindern oder abzuschwächen. Warum entwickeln Sie individuelle Lösungen und setzen nicht auf Be- stehende? Rauhut: Es gibt eine Vielzahl von Inspektions- systemen, die für bestimmte Anwendungsfälle direkt eingesetzt werden können. Gerade in Deutschland ist jedoch die Variationsbreite der Produktionsanlagen so groß, dass häufig maß- geschneiderte Systeme sinnvoller sind. Je nach Art der Produktion und des Produktes sind die potenziell auftretenden Fehler sehr unter- schiedlich� Hinzu kommt, dass viele unserer Kundinnen und Kunden wissen wollen, warum und wie ein Fehler entstanden ist, um dann eventuell die Produktion nachzujustieren. Die »Bildverarbeitung« hat als eine der ersten Abteilungen des Fraunhofer ITWM auf KI gesetzt. Wie hat sich die Arbeit durch KI verändert? Rauhut: Insbesondere der Projektablauf für die Entwicklung von industriellen optischen In- spektionssystemen hat sich stark geändert. Vor dem Einsatz von KI hat unser Team mit re- lativ wenig Daten Algorithmen entwickelt, die Defekte finden oder klassifizieren. Der Unter- schied zu einem KI-Verfahren ist dabei, dass der Entwickler oder die Entwicklerin vorgibt, welche Eigenschaften einen typischen Defekt beschreiben. Etwa, dass ein Kratzer eine läng- liche Struktur im Bild ist. Diese Eigenschaften wurden explizit programmiert. Für ein KI-Verfahren sind im Gegensatz dazu sehr viele Daten notwendig, mit dem die KI trainiert wird. Für Projekte bedeutet dies, dass der erste Schritt sein muss, möglichst viele Daten direkt aus der Produktion mit den dazu vorgesehen Sensoren zu sammeln und zu ku- ratieren. Deshalb wird so schnell wie möglich direkt in der Produktion ein reines Aufnahme- system installiert� 62

Von Excel zur App: Data Science in der Immobilienfinanzierung Bildverarbeitung Synthetische Daten: Wie realistisch hätten Sie’s gerne? »Künstliche Intelligenz« (KI) bietet Lösungen für anspruchsvolle Bildverarbeitungs- aufgaben wie die virtuelle Inspektion. Um eine KI zu trainieren, benötigt man Daten mit Grundwahrheit, in diesem Fall Bilder in 2D und 3D – und diese sind oft Mangelware. Ein Team unserer Abteilung »Bildverarbeitung« hat eigene mathema- tische Modelle entwickelt, um optimale und zuverlässige Datengrundlagen zu schaffen. Industrien anpassen.« Die Daten werden auf Grundlage stochastischer Geometriemodelle erzeugt, dadurch können variable Strukturen in nahezu beliebigen Größen und Mengen ge- neriert werden. Dafür hat ein Team aus unterschiedlichen Dis- ziplinen – Mathematik, Physik, Informatik – das jeweilige Know-how eingebracht. »Unsere Methodik zur Generierung synthetischer Daten ist einzigartig«, betont Dr. Katja Schla- ditz. »Viele nutzen auch eine KI, um eine an- dere zu trainieren� Das kann gerade in der Pro- duktion gefährlich werden.« Ein weiterer Vorteil der mithilfe der generierten Daten trai- nierten KI sei es auch, dass sie in der Quali- tätskontrolle objektiver und zuverlässiger ist als der Mensch. »Eine KI wird nicht müde, sie wird auch nicht kurz abgelenkt oder blinzelt im entscheidenden Augenblick.« Realitätsgrad skalierbar Ein reales Bild aus einem Fertigungsinspektionssystem und ein mit ITWM-Tech- nologie synthetisch erzeugtes Bild. Es gibt zahlreiche Herausforderungen in der Bildverarbeitung, bei denen erforderliche Trai- ningsdaten für eine KI nicht verfügbar sind: Bei einer optischen Qualitätskontrolle in der Produktion muss jede Art von Fehler erkannt werden. Je seltener ein Fehler aber auftritt, desto schwieriger ist es, Bilder zu sammeln, die diesen Fehler enthalten. Typische KI-Modelle müssen jeden Fehler aber tausende Male ge- sehen haben, um ihn zuverlässig zu erkennen. Kontakt Dr. Petra Gospodnetić Abteilung »Bildverarbeitung« Telefon +49 631 31600-4874 petra�gospodnetic@itwm.fraunhofer.de 64 Die Daten erstellen, die man braucht »Synthetische Daten generieren viele, aber die meisten bauen das, was sie benötigen, nach«, erklärt Dr. Petra Gospodnetić. »Wir benutzen dafür mathematische Modelle. Alles ist da- durch kontrollierbar: Wir erstellen genau, was wir brauchen und können das auf verschiedene Ein weiterer Vorteil der synthetischen Daten: Ihr Realitätsgrad kann an den Bedarf der je- weiligen Produktion angepasst werden. Wie realistisch die Strukturen und Bilder sein müs- sen, um repräsentativ zu sein, und welche Eigenschaften der synthetischen Daten für den Erfolg eines KI-Trainings entscheidend sind, daran forschen die Wissenschaftlerinnen und ihr Team intensiv weiter. www.itwm.fraunhofer.de/pm-bmw-detektion

Die Abteilungen und Bereiche des Fraunhofer ITWM Wir sind das Fraunhofer ITWM Abteilung »Bildverarbeitung« Mathematische Modelle und Bildanalysealgorithmen für die Industrie Die Abteilung »Bildverarbeitung« entwickelt mathematische Modelle und Bildanalysealgorithmen und setzt diese in industrietaugliche Software um, vorwiegend für anspruchsvolle Oberflächen- prüfungen in der Produktion und für die Analyse von Mikrostrukturen. Die dafür benötigte Software für Bildverarbeitung und -analyse und Systemintegration ist selbst entwickelt. Einige Software-Produkte werden seit mehr als 15 Jahren gepflegt und vermarktet. Der verfügbare Methodenpark wird ständig erweitert und verbessert. Seit 2016 werden auch domänenspezifische Machine-Learning-Algorithmen entwickelt sowie Methoden, sie nachvollziehbar, effizient und konsistent zu trainieren. Optische und lichtmikros- kopische Bilder werden im eigenen Labor generiert, 3D-Bilder und Zeitreihen von 3D-Bildern mithilfe des Computertomografen der Abteilung. Die wissenschaftlichen Grundlagen umfassen mathematische Morphologie, diskrete Geometrie und Topologie, stochastische Geometrie, Computergrafik und Quantencomputing. www.itwm.fraunhofer.de/bv 66

Die Abteilungen und Bereiche des Fraunhofer ITWM Abteilung »Materialcharakterisierung und -prüfung« Durchblick mit Millimeter-, Terahertz- und optischen Wellen Die Abteilung MC entwickelt und baut industrietaugliche Systeme zur zerstörungsfreien Prüfung mittels elektromagnetischer Wellen im Spektralbereich vom sichtbaren Licht bis hin zu Radarfre- quenzen. Dabei werden die notwendigen Laserquellen, Elektronikschaltkreise, Emitter und Detek- toren vor allem im Terahertz- und Radar-Bereich teilweise selbst entwickelt und verbessert. Die notwendigen wissenschaftlichen Grundlagen umfassen lithographisches Know-how (2D und 3D Strukturierung), vertiefte Kenntnisse der linearen und nichtlinearen Optik, der Laserphysik und der Quantenoptik. International führend ist die Abteilung in der Entwicklung modellbasierter Auswertealgorithmen für die Schichtdickenmessung und die Tomographie mit a priori Informationen, die die zuverlässi- ge Detektion von Defekten im Volumen erlauben. Mit der Realisierung des Prinzips der Messung mit undetektierten Photonen im Terahertz-Bereich hat die Abteilung wissenschaftliches Neuland betreten, das es perspektivisch erlaubt, auf die Detektion von Terahertz-Wellen generell zu ver- zichten. Mit der Entwicklung des ersten Laser-basierten optischen FMCW-Radars gelingt zudem erstmal die Dickenmessung der Kathoden- und Anodenschichten in der Batteriefertigung. www.itwm.fraunhofer.de/mc Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« Simulationsgestützte Entwicklung und Produktionsoptimierung Der Bereich »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« (MF) gliedert sich in die zwei Abteilungen »Dynamik, Lasten und Umgebungsdaten« (DLU) und »Mathematik für die digitale Fabrik« (MDF) sowie die Projektgruppe Reifensimulation und die Querschnittseinheit MF-Technikum, die sich um die Versuchs- und Messtechnik kümmert. In der Abteilung »DLU« werden Methoden und Werkzeuge zur Systemsimulation unter Einbe- ziehung von Umgebungsdaten und Nutzungsvariabilität entwickelt. Es werden insbesondere die Fahrzeugentwicklungsattribute Betriebsfestigkeit, Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und ADAS/ AD sowie die Entwicklung nachhaltiger Mobilitätslösungen adressiert. Passend dazu gibt es im Bereich Forschung und Entwicklung zur Fahrzeug-Umwelt-Mensch-Interaktion und zur Model- lierung und Simulation von Reifen. Die Abteilung »MDF« bündelt die Aktivitäten zur Entwicklung von Softwaretools für die virtuelle Produktentwicklung und -entstehung. www.itwm.fraunhofer.de/mf 68

Die Abteilungen und Bereiche des Fraunhofer ITWM Abteilung »Systemanalyse, Prognose und Regelung« Analyse und Vorhersage von komplexem System- und Prozessverhalten Die Abteilung »SYS« entwickelt mathematische Methoden zum ressourcenoptimierten Echtzeit- betrieb von Komponenten, Antrieben und Anlagen. Anwendungsgebiete sind die Energiebranche sowie industrielle Produktionsanlagen im Anlagen- und Maschinenbau. Die wissenschaftlichen Fragestellungen umschließen die Entwicklung echtzeittauglicher, multivariater Signalanalysever- fahren und ML-Algorithmen insbesondere tiefe Neuronale Netze sowie deren Hardware-Anbin- dung und Integration zur Zustandsüberwachung und prädiktiven Instandhaltung. Darüber hinaus entwickelt die SYS modell- und datenbasierte Methoden zur prädiktiven Regelung von Antrieben und Produktionsanlagen mit den Zielgrößen Qualität, Quantität und Ressourcen- einsatz� Wissenschaftliche Herausforderungen liegen hierbei in geringer Datenverfügbarkeit, Daten- und Informationslücken und komplexer Prozessvielfalt. www.itwm.fraunhofer.de/sys Abteilung »Transportvorgänge« Mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung von Transport vorgängen Kernkompetenz der Abteilung »Transportvorgänge« ist die mathematische Modellierung komplexer industrieller Problemstellungen und die Entwicklung effizienter Algorithmen zu ihrer numerischen Lösung. Die Problemstellungen sind im technisch-naturwissenschaftlichen Kontext (Strömungs- dynamik, Wärme- und Strahlungstransport, Strukturmechanik etc.) angesiedelt und führen aus mathematischer Sicht auf Differentialgleichungen, die in vielen Fällen als Transportgleichungen zu charakterisieren sind. Die Abteilung verfolgt seit Jahren kontinuierlich zwei wissenschaftliche Schwerpunkte mit starken Alleinstellungsmerkmalen: die mathematische Modellierung, Simula- tion und Optimierung der Dynamik von Fäden, Fasern und Filamenten und die Entwicklung des gitterfreien kontinuumsmechanischen Simulators MESHFREE. Darüber hinaus werden immer wieder neue Forschungsthemen mit universitären Partnern aufgegriffen. Ein Beispiel ist die transiente Simulation, Optimierung und Regelung von Energie- und Versor- gungsnetzen. Ein wichtiges Zukunftsthema mit bereits erheblichem Kompetenzaufbau ist die strömungsdynamische Shape-Optimierung. www.itwm.fraunhofer.de/tv 70

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