Sensoren liefern frühzeitig Hinweise auf Gefahren / Bremer Forscher entwickeln mathematische Grundlagen Wenn Daten schützen

Ob es um die automatische Fertigung von Industrieprodukten wie Autos geht, die Überwachung von Brücken, das Erkennen von Umweltrisiken – etwa durch Feinstaub oder abrutschende Erdmassen an vom Regen aufgeweichten Hängen – oder aber darum, den Gesundheitszustand von Menschen zu überprüfen: Sensoren spielen dabei eine wichtige Rolle. An der Universität Bremen arbeiten Ingenieure daran, ihren Einsatz weiter zu verbessern, unter anderem mit dem Ziel, Umweltgefahren und medizinische Risiken besser erkennen zu können als bislang.
27.02.2015, 00:00
Lesedauer: 3 Min
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Wenn Daten schützen
Von Jürgen Wendler

Ob es um die automatische Fertigung von Industrieprodukten wie Autos geht, die Überwachung von Brücken, das Erkennen von Umweltrisiken – etwa durch Feinstaub oder abrutschende Erdmassen an vom Regen aufgeweichten Hängen – oder aber darum, den Gesundheitszustand von Menschen zu überprüfen: Sensoren spielen dabei eine wichtige Rolle. An der Universität Bremen arbeiten Ingenieure daran, ihren Einsatz weiter zu verbessern, unter anderem mit dem Ziel, Umweltgefahren und medizinische Risiken besser erkennen zu können als bislang.

Menschen können einen bitteren Geschmack oder einen angenehmen Geruch nur deshalb wahrnehmen, weil der Organismus über besondere Zellen verfügt, die auf bestimmte Reize reagieren. Sie werden als Rezeptoren bezeichnet. Solche Rezeptoren gibt es auch in der Technik, nur dass sie dort Sensoren genannt werden. Sie sorgen dafür, dass sich die Heizung automatisch an unterschiedliche Temperaturverhältnisse anpasst, dass schädliche Strahlung registriert oder Flutwellen im Meer frühzeitig erkannt werden. Sensoren wandeln eine physikalische Größe, etwa Temperatur, Druck oder Helligkeit, in elektrische Signale um. Wenn hingegen elektrischer Strom in Bewegung umgewandelt wird, sprechen Ingenieure von Aktoren. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen Motor handeln.

Wenn es gilt, sich ein Bild vom Zustand einer Brücke zu machen, spielen unter anderem Schwingungen und Dehnungen eine Rolle. Diese können inzwischen ebenso mit Sensoren erfasst werden wie beispielsweise Bewegungen von Erdmassen. Mitarbeiter der Technischen Universität Graz haben in den vergangenen Jahren gemeinsam mit anderen Experten ein System entwickelt, das Bewegungen gefährdeter Hänge verzeichnet. GPS-Sensoren können ständig Informationen über ihre genaue Position liefern und so Aufschluss über jede kleinste Bewegung im Hang geben. Über Kommunikationseinheiten werden die gesammelten Daten an einen Server geleitet, wo sie mithilfe einer eigens zu diesem Zweck entwickelten Software ausgewertet werden.

Das Beispiel ist typisch für heutige Verfahren beim Einsatz von Sensoren. Ihre Daten werden gesammelt und dann an zentraler Stelle mit entsprechenden Berechnungsvorschriften, sogenannten Algorithmen, ausgewertet. Professor Armin Dekorsy, Leiter des Arbeitsbereichs Nachrichtentechnik an der Universität Bremen, vergleicht das Verfahren mit der Informationsweitergabe in menschlichen Gesellschaften. Bei einer strengen Hierarchie erhielten nur bestimmte Personen die Informationen. Wesentlich effektiver könne es aber sein, wenn Informationen einfach gestreut würden. So könnten alle helfen, die richtigen Entscheidungen zu treffen. Auf Sensoren übertragen bedeutet das: Die Sensoren könnten eigenständig Daten austauschen und untereinander entscheiden, was zu tun ist. Was dies in der Praxis bedeuten könnte, schildert Dekorsy an einem Beispiel aus der Medizin. Vorstellbar sei ein älterer Mensch, der allein lebe und bei dem wichtige Gesundheitsdaten, etwa zum Herzschlag und Blutdruck, von Sensoren in seiner Kleidung erfasst würden. Außerdem gebe es Sensoren im Boden, die auf Druck reagierten. Wenn ein solcher Mensch zum Beispiel stürze, könnten die Sensoren anhand ihrer Daten selbst entscheiden, ob der Notfallalarm ausgelöst werde, erklärt der Wissenschaftler.

Wie Dekorsys Mitarbeiter Henning Paul erläutert, besteht ein wesentlicher Vorteil eigenständig entscheidender Sensornetzwerke darin, dass richtige Entscheidungen auch dann zustande kommen können, wenn einzelne Sensoren ausfallen. Der Ingenieur befasst sich zurzeit in einem Forschungsprojekt zur Messung von Umweltdaten, etwa der Luft- und Wasserqualität, mit den mathematischen Grundlagen solcher Netzwerke. Den Unterschied zwischen herkömmlichen und neuartigen Verfahren schildert er am Beispiel von Sensoren, die Daten zur Feinstaubbelastung liefern. Eine herkömmliche Lösung könne darin bestehen, dass aus der Vielzahl der Daten an zentraler Stelle der Mittelwert errechnet werde, sagt Paul. Zu dem gleichen Ergebnis gelange man aber auch, wenn ein beliebiger Sensor wenige andere beliebige Sensoren über seinen Wert informiere. Diese Gruppe könne ihren Mittelwert wiederum an beliebige andere Sensoren weitergeben, die dann das Gleiche mit ihrem Mittelwert täten. Bei diesem Verfahren kommt es nach den Worten des Ingenieurs nicht darauf an, dass bestimmte Sensoren funktionieren. Mit anderen Worten: Das System sei wesentlich robuster.

Das Errechnen von Mittelwerten ist nur ein Beispiel für Aufgaben, die Sensornetzwerke erfüllen können. Wesentlich komplizierter werde es, wenn Schätzungen gewünscht seien, erklärt Paul. So gehe es bei dem Forschungsprojekt zu Umweltdaten nicht zuletzt darum, Schadstoffquellen ausfindig zu machen. Mittelwerte reichten dabei nicht aus. In diesem Fall müssten auch Annahmen zur Ausbreitung von Schadstoffen einbezogen werden. Nur so lasse sich am Ende abschätzen, woher die Schadstoffe kommen könnten.

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