Forschen an der Hochschule Luzern – Informatik

Forschen an der ­ Hochschule Luzern – Informatik

Warum Informatik?

Die Informatik als Wissenschaft von der automatisierten Informationsverarbeitung ist die Treiberin hinter den technologischen Entwicklungen, die unter dem Begriff der Digitalisierung zusammengefasst werden und allgegenwärtig sind.

Videokonferenzen, Hotelbuchungen, Zahlungsverkehr – all das können wir bereits mit einem Smartphone abwickeln, während im Stillen komplexe, über das Internet verknüpfte Informatiksysteme ihre Dienste verrichten und riesige Datenmengen verarbeiten. Computer steuern Autos, Kraftwerke und Fertigungsanlagen, unterstützen Expertinnen und Experten bei medizinischen Diagnosen sowie bei technischen Konstruktionen. Sie erlauben uns, mittels umfassender Simulationen einen Blick in die Zukunft zu werfen und Wetter- und Klimaphänomene zu prognostizieren. Die Informatik setzt sich darüber hinaus auch mit potenziellen Gefahren der Digitalisierung auseinander und bietet Lösungen an, wie beispielsweise Privatsphäre, Sicherheit und Nachhaltigkeit gewährleistet werden können. Kurz: Die Informatik ist in der Gesellschaft unabdingbar und omnipräsent. Umso wichtiger ist es, mit Know-how und der entsprechenden Expertise die Entwicklungen nutzbar zu machen und mitzugestalten.

Warum Forschung?

Angewandte Forschung ermöglicht die Umsetzung wissenschaftlicher Erkenntnisse in der Praxis. Unsere Expertinnen und Experten entwickeln zusammen mit Partnerinnen und Partnern aus Wirtschaft, Politik, Gesellschaft und Kultur innovative Lösungen für allgemeine und spezifische Probleme unserer Zeit und betreiben somit einen wirkungsvollen Wissens-, Technologie- und Erfahrungstransfer. Damit unterstützen sie private und öffentliche Organisationen darin, die mit der digitalen Transformation einhergehenden Herausforderungen zu meistern und wettbewerbsfähig zu bleiben. Forschung heisst, am Puls der Zeit zu sein, Trends zu antizipieren und neuartige Ideen einzubringen. Unsere Forschungsleistungen stärken nicht nur den Wirtschaftsstandort Schweiz, sondern auch das Profil der Studierenden der Aus- und Weiterbildung: Durch die enge Verzahnung von Forschung und Lehre erhalten diese Zugang zu neusten Entwicklungen und lösungsorientierten Ansätzen. Darüber hinaus stellen Forschende ihre Expertise der Öffentlichkeit zur Verfügung, indem sie wissenschaftliche Erkenntnisse in aktuelle Diskussionen einbringen.

Informatikforschung an der Hochschule Luzern!

Die Informatik ist ein äusserst dynamisches Forschungsgebiet. Entsprechend arbeiten wir in flexiblen Strukturen, die uns erlauben, auf Trends zu reagieren und situativ auf die Bedürfnisse unserer Praxispartnerinnen und -partner einzugehen.

Thematische Schwerpunkte werden durch grössere Research Labs vertreten, die jeweils durch zwei erfahrene Forschende geleitet werden und die sich durch eine hohe Fachkompetenz und Diversität in den Erfahrungshintergründen auszeichnen. Weitere Themen werden durch entsprechende Fachpersonen vertreten und reichern unser Portfolio an. Bei Bedarf bilden wir agile Projektteams, um die für eine spezifische Problemstellung erforderliche Expertise zu bündeln. Darüber hinaus ist unsere Forschung stark interdisziplinär ausgerichtet, was sich in einer engen Zusammenarbeit nicht nur mit den anderen Departementen der Hochschule Luzern zeigt, sondern auch in diversen Kooperationen mit Universitäten und anderen Institutionen.

Unsere Expertise Die unten stehende Grafik bietet Ihnen eine Übersicht über die Forschungsfelder, in denen wir aktiv sind. Die nachfolgenden ­Bildergeschichten stellen Ihnen drei unserer ­Aktivitäten vor und geben Ihnen einen exemplarischen Einblick in unseren Forschungsalltag. Lassen Sie sich inspirieren, lassen Sie uns für Sie und mit Ihnen forschen, zögern Sie nicht, mit uns Kontakt aufzunehmen.

Prof. Dr. Eckart Zitzler, Vizedirektor und Leiter Forschung, T +41 41 757 68 31, eckart.zitzler@hslu.ch Comic 2: «Künstliche ­Intelligenz kreiert Rezepte»

ARTIFICIAL INTELLIGENCE MACHINE LEARNING / DEEP LEARNING

EXPERT FINDER SYSTEMS

NATURAL LANGUAGE PROCESSING RECOMMENDER TECHNOLOGIES ALGORITHMIC BUSINESS COMPUTER VISION COGNITIVE ROBOTICS

INFORMATION SECURITY APPLICATION SECURITY & CRYPTOGRAPHY

INFORMATION VISUALIZATION

IMMERSIVE REALITY

VIRTUAL REALITY SERIOUS GAMES DATABASES & BIG DATA MANAGEMENT AUGMENTED REALITY USER EXPERIENCE

DISTRIBUTED SYSTEMS Comic 3: «Blockchain für den Autokauf»

INTERNET OF THINGS

DATA MARKET PLACES SELF SOVEREIGN IDENTITY

DISTRIBUTED LEDGER TECHNOLOGY

MOBILE AND SMART SYSTEMS

SOCIAL INFORMATICS

Comic 1: «Virtuelle ­Bienenhaltung»

Virtuelle Bienenhaltung – Teil 1

Bienen im Fokus Wanda liebt seit ihrer Kindheit Honig und ist von Bienen fasziniert. Sie möchte gerne Imkerin werden, um für sich und ihre Freunde und Freundinnen Honig produzieren zu können.

Allerdings: Die Bienenhaltung ist arbeitsintensiv und braucht viel Erfahrung. Die praktische Ausbildung ist aufwändig.

Für Wanda wäre eine Art Begegnungszentrum spannend, wo Jungimkernde weiter ausgebildet werden und interessierte Laien sich informieren und austauschen können.

Rolf von Beewell wendet sich an U ­ rsina vom «CreaLab» der HSLU, …

Wie kann ein Begegnungszentrum aussehen? Ist es digital oder nicht? Wir brauchen Ideen!

... um das Problem anzugehen, wie Jungimkerinnen und interessierte Besucher Wissen sammeln und sich unterstützen können.

Die Ausbildung zum Imkern gestaltet sich aus folgenden Gründen anspruchsvoll: – Bienen sind sensible Tiere und dürfen nicht zu oft gestört werden.

– Gewisse Situationen sind sehr selten und können nicht real trainiert werden.

– Bienen entwickeln sich entsprechend ihrer Umgebung: Jede Saison ist wieder anders.

Im «Future Forum» wurden verschiedene Ideen entwickelt und diese dann mittels einer Studie verifiziert. Dazu führten die Forschenden Interviews mit Touristikerinnen und Bienenspezialisten … … Schliesslich soll Wanda und vielen anderen Imkerinnen und Imkern ja geholfen werden, damit sie die Bienen bestmöglich verstehen und pflegen können.

Virtuelle Bienenhaltung – Teil 2

Die passende Technologie Durch die Interviews wurde klar, dass digitale Lösungen viel Potenzial bieten, gerade auch unterschiedlich fortgeschrittene Imkerinnen und Imker zu unterstützen. Um die Anforderungen herauszufinden, wurden Personen mit unterschiedlichem Wissensstand befragt.

Weiter war die Frage offen, welche Technologie sich dafür eignen würde. Ein Chat? Videos? Virtual Reality? Als Expertin dafür wurde die Hochschule Luzern – Informatik eingebunden.

Um die richtige Technologie zu finden, wurde die «Humancentered Design»-Methode angewandt.

Bald wurde klar: Ein Virtual Reality Lernspiel soll den Imkerinnen und Imkern realitätsnah und spielerisch in ihrer Aus- und Weiterbildung helfen, ohne, dass echte Bienen dabei gestört werden.

Es war jedoch nicht einfach, alle Anliegen der Imkerinnen und Imker zu vereinen, da es ganz unterschiedliche Bedürfnisse an das Lernspiel gibt: Es soll so realistisch wie möglich sein.

Also mir ist der Spass am wichtigsten!

Für mich ist Lernen das Wichtigste, damit ich die Ausbildung machen kann.

Um zu prüfen, ob das Lernspiel die verschiedenen Bedürfnisse abdecken kann, wurde es mit den künftigen Nutzerinnen und Nutzern getestet.

Virtuelle Bienenhaltung – Teil 3

Ein erprobtes Endprodukt Durch die Tests konnte das Forschungsteam sehr wertvolle Erkenntnisse zur Weiterentwicklung des Spiels gewinnen:

Es wäre gut, wenn man einen Futterkranz erkennt oder das Gewicht der Wabe prüfen könnte.

Radius und Umgebung

Ich möchte gerne die U ­ m­gebung miteinbeziehen und bereits aus zwei Meter Entfer­n ung sehen, ob es Bienen vor dem Flugloch hat.

Das ist wichtig, um ihren Gesundheitszustand abzulesen.

Gewicht der Wabe Der Prototyp des Lernspiels kam bei den Testpersonen gut an und ihre neuen Ideen wurden eingebracht. Daher sind nun drei Spielstufen für unterschiedliche Szenarien angedacht:

Simulation

Ich würde gerne im Zeitraffer schauen, was mit einem Volk passiert, wenn ich es nicht gegen die Varroamilbe behandle.

Bee Ready

Bee My Doctor

Bee Master

– Einsteig ins Imkern – Korrekte Ausführung von Aufgaben – Honig ernten

– Bienen untersuchen – Krankheiten bestimmen – Richtige Behandlung wählen und anwenden

– Alle Jahreszeiten erleben – Spezifische Ereignisse ​ durchspielen – Kolonien aufbauen und entwickeln

Ein Prototyp ist eine Vorversion eines Produkts, um zu testen, ob die Nutzerinnen und Nutzer dieses verstehen. In diesem Fall war es kein fertiges Spiel – aus Performancegründen konnten beispielsweise «nur» 1000 statt 40 000 Bienen simuliert werden. Für die Erprobung der Ideen war dies allerdings ausreichend.

Wow, das klingt cool! So könnte ich das Imkern lernen, ohne die Bienen zu stören. Macht ihr am Projekt weiter?

Ja, wir sind voller Tatendrang und das Projekt hat viel Potenzial. Alles, was wir jedoch brauchen, ist finanzielle Unterstützung.

Künstliche Intelligenz kreiert Rezepte – Teil 1

Künstlicher Kaffeeschaum An einem Kongress treffen Kevin und Marc auf den Barista-Schweizermeister …

Kaffee, Cappuccino oder Latte Macchiato?

Am liebsten alles – in dieser Reihenfolge!

Hast du die schönen Schaumfiguren gesehen?

Ja, wie macht er das bloss?

Ragazzi, KaffeeschaumGiessen ist auch Wissenschaft ... ... Wegen der Physik des Milchschaums sind nur bestimmte Figuren überhaupt möglich.

Künstliche Intelligenz?

Das könnte ich nie, eher würde ich eine Künstliche Intelligenz programmieren, die das für mich macht.

Challenge accepted!

Auf Instagram suchten Kevin und Marc nach tausenden ­Kaffeeschaumbildern.

Ein «Generative Adversarial Network» sollte die Regeln der Milchschaum-Physik lernen und neuartige Schaumkreationen entwerfen.

Künstliche Intelligenz kreiert Rezepte – Teil 2

Bier mit Tiefgang Leider konnten die ersten Resultate mit dem Enthusiasmus der Forschenden nicht mithalten …

Hmm, funktionieren tut es ja grundsätzlich. Aber wir brauchen viel mehr Bilder und einen GPU-Cluster. Vielleicht sollten wir stattdessen eher Rezepte kreieren lassen ...

Wie wäre es mit Bier?

Bier mit Machine Learning?

Wir sind dabei!

Ein Fall für das «Algorithmic Business Research Lab»!

157 633

Bierrezepte wurden im Internet gefunden.

Anschliessend wurden die Rezepte standardisiert und unbrauchbare entfernt.

Eine Pipeline von sieben neuronalen «Transformer-Netzen» lernte in vielen Tagen Rechenzeit Kombinationen von Malz, Hopfen und Gewürzen sowie Mengenangaben und Verarbeitungsschritte.

So entstand eine Künstliche Intelligenz, die Rezepturen für neuartige Bierkreationen generieren kann.

1

Bierrezept wurde gebraut.

67 345

Bierrezepte wurden verwendet.

Im Sommer 2021 degustierte die Welt das erste Bier einer Künstlichen Intelligenz.

Künstliche Intelligenz kreiert Rezepte – Teil 3

Backe, backe, Guetzli Nach dem erfolgreichen Künstlichen Intelligenzgenerierten Bierrezept fragte Betty Bossi an, ob das ABIZ-Team mithilfe einer KI Guetzli-Rezepte generien könne.

750 000

Kochrezepte wurden gesammelt und nach Guetzli, Chrömli, Keksen, Biscuits usw. gefiltert.

Wie sucht man eigentlich Guetzli im Internet? Die heissen ja überall anders. So kriegen wir niemals genügend Rezeptdaten … … Wir müssen wohl zuerst Kochrezepte suchen und dann filtern.

Transfer Learning: Mit 750 000 Rezepten aller Art lernte die Künstliche Intelligenz das Kochhandwerk. Danach lernte sie auf den wenigen tausend Guetzlirezepten nur noch die speziellen Feinheiten der Guetzli-Backkunst. Das Ergebnis kann sich schmecken lassen.

3 leckere Rezepte wurden mit KI nach 4 Wochen Trainingszeit erstellt.

Und was folgt als nächstes?

KI-Kosmetika, KI-Glacé oder doch eine Inspirationsquelle für ideenlose Restaurantköche und -köchinnen? Folgen Sie unserem Informatikblog und erfahren Sie mehr über den Einsatz von Künstlicher Intelligenz in der Produktentwicklung und Kreativindustrie.

Blockchain für den Autokauf – Teil 1

Autokauf mit Tücken Mary interessiert sich für ein günstiges Auto für unter CHF 9000.– und hat auf einer Website ein tolles Angebot entdeckt. Sie trifft sich mit dem jetzigen Besitzer Rafael und schaut sich das Auto genauer an.

Das Auto sieht gut aus!

Ist mit ihm auch alles in Ordnung?

Klar, es fährt super, ich verkaufe es nur, weil ich ein grösseres brauche.

Nach vier Tagen springt das Auto nicht mehr an und Mary ist sauer.

In Rage ruft sie ihre Versicherung an. Diese sagt ihr, dass sie die Kosten nicht übernehme, da Mary das Auto mit dem Mangel gekauft habe.

Das Auto sieht fast zu gut aus ... Ob es auch sicher keinen Haken hat?

Sie traut dem sehr verlockenden Angebot nicht ganz, aber da ihr Rafael sein Wort gibt, kauft sie es.

Ich habe es mir doch gedacht. So eine Frechheit!

Rund um den Autokauf gibt es viele Unsicherheiten und leider auch fehlerhafte Informationen.

Dies macht es nicht nur Autokäuferinnen und -käufern, sondern auch Garagen, Versicherungen und Händlerinnen und Händlern schwer.

Rafael hat Mary einen Vorfall verschwiegen, bei dem der Motor zwar repariert, aber nicht ersetzt wurde. Nun muss Mary zusätzlich CHF 2500.– für einen neuen Motor bezahlen.

Blockchain für den Autokauf – Teil 2

Eine Lösung für alle Oktober 2017

Wie Mary geht es vielen. Diesem Problem haben sich AdNovum, die Universität Zürich, AMAG, mobility, AXA, das Strassenverkehrsamt Aargau und die Hochschule Luzern – Informatik angenommen.

Die Projektidee ist ­geboren: 7 Partnerinnen und Partner nehmen am ­Forschungsprojekt teil.

So viele Beteiligte!

Wir brauchen eine clevere Lösung ...

Schrotthändler/innen

Hersteller/innen

Importeure/-innen Käufer/innen Händler/innen Um das Problem zu lösen, müssen alle Beteiligten einen sicheren und zuverlässigen Zugang zu den Informationen haben.

Garagen

Versicherer/innen Behörden

2019

Sind bereits 13 Mitglieder an Bord.

Doch wie können die Daten vor Missbrauch, Verfälschung und Zugriff von Dritten geschützt werden?

Mit der kniffligen Frage zum Datenschutz beschäftigte sich die Hochschule Luzern – ­Informatik intensiv und …

Blockchain für den Autokauf – Teil 3

Datenschutz und Einfachheit kombiniert … fand den Ansatz in der Blockchain-Technologie.

Normalerweise wird bei einer Transaktion allen Beteiligten eine Kopie sämtlicher Informationen mitgegeben.

Doch eigentlich sollten nur die direkt Beteiligten Zugang zu den Transaktionsdaten haben.

Mit «R3Corda», einer weiter­ entwickelten Blockchain-Plattform, ist dies nun konform zum aktuellen Datenschutzgesetz (DSG) möglich.

Aber wie geht das?

Der Datenblock, den Mary von Rafael erhält, enthält alle bisherigen Informationen zum Auto. So kann Mary rasch erkennen, ob das Auto bereits einen Unfall hatte oder repariert wurde.

Wenn Mary das Auto später an einen Händler oder an eine Händlerin verkaufen möchte, kann sie ihm/ihr die Daten ­unkompliziert freigeben.

11 Millionen So profitieren alle Beteiligten von Qualität, Sicherheit und Automatisierung.

Auch die anderen Beteiligten, wie die Garage oder die Versicherung, erhalten die nötigen Informationen zum Auto – jedoch nicht zu Mary als Person – und immer nur mit ihrer Erlaubnis.

Juni 2020

Cardossier geht online.

Mittlerweile sind 24 Partnerinnen und Partner dabei.

Fahrzeug-Datensätze wurden migriert.

Dank dem Forschungsteam konnten die Daten für alle Involvierten sicher und automatisiert gespeichert und transferiert werden. Ein voller Erfolg!

Impressum Hochschule Luzern – Informatik Forschungsbroschüre www.hslu.ch/informatik Herausgeberin/Copyright Hochschule Luzern – Informatik Konzept Adelina Agnoli, Regula Hochuli, Eckart Zitzler Illustrationen Adelina Agnoli Druck Druckerei Odermatt AG, Dallenwil Auflage 500 Exemplare Erscheinungsdatum 15. Juli 2021