Technische Unterstützung für wissenschaftliche Untersuchungen

Unseren Wissenschaftler/innen steht an unserem Institut eine umfangreiche technische Infrastruktur zur Verfügung. Diese unterstützt sie in der Durchführung von Studien und Tests sowie in Projekten mit Industriepartnern. Wir unterstützen damit alle Forschenden darin, schnell und kompetent, aussagekräftige Forschungsergebnisse zu erzielen.

Fahrzeugachsprüfstand mit hochdynamischem Hexapod

Effiziente Entwicklungs- und Prüfumgebung für mechatronische Fahrzeugachsen

Mit der zunehmenden Integration von Fahrwerkregelsystemen kann der Komfort und die Sicherheit moderner Fahrzeuge signifikant verbessert werden. Aufgrund der hohen Anzahl von Fahrzeugderivaten erfordert die Entwicklung der enthaltenen elektronischen Komponenten jedoch den Einsatz effizienter Prüfverfahren. Diesem Bedarf begegnen wir mit der Entwicklung einer universellen Prüfumgebung für mechatronische Fahrzeugachsen.

Hardware-in-the-Loop-Simulation
Mit dem Achsprüfstand des Heinz Nixdorf Instituts wird eine Entwicklungsumgebung zur Durchführung mechatronischer Hardware-in-the-Loop (HiL)-Simulationen bereitgestellt. Darin wird ausschließlich der Prüfkörper, in diesem Fall eine mechatronische Fahrzeugachse, real im Prüfstand aufgebaut. Das sogenannte „Restfahrzeugmodell“, welches alle übrigen Fahrzeugkomponenten abbildet, wird auf einem Echtzeitrechner simuliert. Die Kopplung der realen und virtuellen Teilsysteme erfolgt schließlich durch die verbaute Prüfstandsaktorik und -sensorik. Da somit alle komfort-, sicherheits- und dynamikrelevanten Komponenten eines Fahrzeugs entweder real oder virtuell im Labor vorhanden sind, können Fahrversuche simulativ durchgeführt werden. Aktive Fahrwerkskomponenten, wie z. B. Wankstabilisatoren, lassen sich in diesem Rahmen ressourcenschonend abstimmen und funktional absichern. Dabei ist es das Ziel, die Anzahl aufwendiger Fahrversuche zu minimieren und diese durch zeit- und kosteneffiziente Labortests unter reproduzierbaren Versuchsbedingungen zu ersetzen.

Iterationsfreie Betriebsfestigkeitsprüfung
Darüber hinaus widmet sich ein weiterer Forschungszweig des Heinz Nixdorf Instituts der optimierten Betriebsfestigkeitsuntersuchung (BFU). Dahinter steht die Erkenntnis, dass die Regelbandbreite konventioneller Achsprüfstände nicht ausreicht, um die bei der BFU geforderte Genauigkeit bei der Nachbildung vordefinierter Beanspruchungsspektren (Target-Signale) auf direktem Wege zu erreichen. Stattdessen müssen die Stellsignale der einzelnen Aktoren iterativ eingelernt werden. Hierbei können Vorschädigungen am Prüfkörper auftreten und so die Versuchsresultate verfälschen. Die Kombination neuartiger Regelungsverfahren mit der dynamisch optimal abgestimmten Prüfstandshardware ermöglicht es hingegen, die Regelbandbreite derartig zu erhöhen, dass die Target-Signale direkt eingeregelt werden können und keine aufwendige Iteration der Stellsignale erforderlich ist.

Labore für die Datenübertragungs- und Sensorsysteme der Zukunft

Hochpräzise Untersuchung modernster elektronischer und optoelektronischer Systeme

In der Fachgruppe „Schaltungstechnik“ werden integrierte Schaltungen und Systeme entwickelt und anschließend unter Laborbedingungen getestet.  Die Untersuchung und Charakterisierung von ultra-low-power, Hochfrequenz- und elektrooptischen Chips erfordert komplexe Messmethoden und High-End-Equipment.

Charakterisierung elektronischer Systeme im RF-Lab
Im Radio Frequency Lab (RF-Lab) der Fachgruppe „Schaltungstechnik“ können kleine Strukturen im Mikrometerbereich auf Mikrochips und Hochfrequenz-Platinen mittels eines Wire-Bonders kontaktiert und die Gesamtsysteme anschließend auf einem Wafer-Prober untersucht werden. Vector Network Analyser, Hochfrequenz-Oszilloskope und diverse andere Logikanalysatoren und Hochfrequenz-Signalgeneratoren sowie weitere Hochfrequenz-Messtechnik stehen zur Verfügung, um Hochfrequenz-Module und -Chips bei Frequenzen und Datenraten von bis zu 125 GHz bzw. 256 GB/s zu untersuchen. Somit können modernste Radarsysteme, Empfänger- und Sendeschaltungen für drahtlose und drahtgebundene Kommunikationssysteme, Frequenzsynthesizer und vieles Weitere hinsichtlich ihrer Performance und Funktionalität experimentell untersucht werden.

Hochpräzise Untersuchungen im Photonic-Lab
Zusätzlich steht ein angrenzendes Photonic-Lab zur Verfügung, welches einen optischen Tisch für komplexe, optische Aufbauten und eine große Auswahl optischer Komponenten, wie beispielsweise Glasfasern, 1550 nm Laserquellen, optische Koppler, Fiber Arrays, Powerdetektoren, HF-Photodioden, kohärente Empfänger, programmierbare optische Filter, optische Modulatoren, Spektralanalysatoren und vieles Weitere enthält. Zudem enthält das Laserlabor einen Mode-locked Laser, einen optischen Verstärker und die zugehörigen Schutzvorrichtungen und Schutzausrüstungen. Innerhalb des Photonic-Lab werden neuste monolithisch-integrierte siliziumphotonische Systeme, d. h. Siliziumchips, die sowohl elektronische als auch optische Komponenten enthalten, vermessen und analysiert.

Auswahl des Laborequipments:

  • Wire Bonder (Hesse Mechatronics Bonjet BJ653)
  • Waferprober (Signatone mm-Wave Probe Station)
  • Vector Network Analyzer (Anritsu VectorStar MS4647B)
  • Realtime Oszilloskop (Keysight UXR0702A)
  • Arbitrary Waveform Generator (Keysight M8194A)
  • HF-Photodioden (Finisar XPDV3120, BPDV3120R)
  • Waveshaper (II-VI 4000A)
  • Spektralanalysator (Yokogawa AQ6370D)
  • Mode-lock-Laser (MENHIR Photonics M1550)

Business and Economic Research Laboratory (BaER-Lab)

Erforschung ökonomischer Fragestellungen mittels kontrollierter Laborexperimente

Die experimentelle Wirtschaftsforschung untersucht, wie sich Menschen in ökonomischen Entscheidungssituationen verhalten. Das wirtschaftswissenschaftliche Experimentallabor der Universität Paderborn, das BaER-Lab, bietet seinen Forscher*innen die Möglichkeit, die notwendigen Beobachtungsdaten durch kontrollierte Laborexperimente zu erheben und damit relevante ökonomische Fragestellungen und Theorien empirisch zu untersuchen.

Die experimentelle Wirtschaftsforschung stützt sich auf die Erhebung von Beobachtungsdaten, um menschliches Verhalten in ökonomischen Kontexten besser zu verstehen. Damit begegnet sie dem Grundproblem der empirischen (Wirtschafts-)Forschung, dass zu vielen ökonomischen Fragestellungen kaum Datenmaterial zur Verfügung steht oder Datenerhebungen etwa in real existierenden Unternehmen – wenn überhaupt – nur mit großem Aufwand realisiert werden können. Die experimentelle Wirtschaftsforschung stellt daher eine wertvolle Methode dar, diese Daten über kontrollierte Laborexperimente zu erheben. In diesen Experimenten treffen die Teilnehmer*innen im Rahmen einer spezifischen ökonomischen Situation Entscheidungen am Computer. Ähnlich zu klinischen Studien wird in einem ökonomischen Experiment nur eine einzige Variable zwischen zwei Probandengruppen verändert, sodass Unterschiede im beobachteten Verhalten auf genau diese eine Änderung zurückgeführt werden können. Im Gegensatz zu psychologischen Experimenten darf keine Täuschung der Teilnehmer*innen stattfinden. Die Teilnehmer*innen werden abhängig von ihren Entscheidungen monetär vergütet. Pandemiebedingt musste die Durchführung ökonomischer Laborexperimente längere Zeit pausieren. Zwischenzeitlich wurde die technische Infrastruktur des BaER-Lab erneuert und die bestehenden Rechner-Bildschirm-Kombination enwurden durch Thin Clients ersetzt. Zudem wurden Online-Experimenten etabliert, an denen Proband*innen bequem von zu Hause aus teilnehmen können. Seit Beginn des Wintersemesters 2022/23 sind nun wieder Laborexperimente in Präsenz möglich und wurden bereits zahlreich durchgeführt. Die zusätzliche Option der Online-Experimente soll weiterhin erhalten bleiben. Aktuelle experimentelle Projekte beschäftigen sich u. a. mit menschlichem Verhalten in Mensch-Maschine-Interaktionen, Whistleblowing, Risikoabwägungen in Finanzentscheidungen, Reputationssystemen auf Onlinemärkten, der Entwicklung von Anreizsystemen in Unternehmen und der Rolle ethischer Prinzipien im Wirtschaftskontext. Mit seinen 35 vernetzten Computerarbeitsplätzen stellt das „BaER-Lab“ eines der größten ökonomischen Experimentallabore Deutschlands dar. Aktuell befinden sich knapp 2.500 studentische Proband*innen in der laboreigenen Onlinedatenbank, aus der die Teilnehmer*innen für die ein- bis zweistündigen Experimente rekrutiert werden.

Interaktiver Fahrsimulator am Heinz Nixdorf Institut

Entwicklungsplattform zum Virtual Prototyping fortgeschrittener Fahrerassistenzsysteme

Energieeffizienz, Sicherheit und Komfort von Kraftfahrzeugen werden zunehmend von fortgeschrittenen Fahrerassistenzsystemen geprägt. Gleichzeitig steigt aber auch die Komplexität dieser Systeme, was sich auf den begleitenden Entwicklungsprozess auswirkt. Interaktive Fahrsimulatoren bilden hier eine Schlüsseltechnologie zur Untersuchung des Zusammenspiels von Fahrer*in und Assistenzsystem unter reproduzierbaren und sicheren Testbedingungen.

Technologieimpulse wie E-Mobilität und automatisiertes Fahren bewirken eine stetige Steigerung der Interkonnektivität und Multifunktionalität moderner Fahrerassistenzsysteme, deren Entwicklung Automobilhersteller und Zulieferer vor neue technologische Herausforderungen stellt. Der Einsatz interaktiver Fahrsimulatoren bildet in diesem Kontext ein unverzichtbares Werkzeug, um den konventionellen Entwicklungsprozess durch modellbasierte Methoden zu ergänzen. Simulative Ansätze bieten dabei den Vorteil, relevante Systemfunktionen bereits in einer sehr frühen Phase der Entwicklung und ohne den kostenintensiven Aufbau von physischen Prototypen analysieren und optimieren zu können. Zugleich ermöglichen Fahrsimulatoren den Zugang zu verschiedensten Untersuchungen unter physiologischen und psychologischen Gesichtspunkten, wie etwa der Gestaltung von Mensch-Maschine-Schnittstellen, der Überprüfung von Sicherheitskonzepten oder dem Zusammenspiel zwischen Fahrer*in und Assistenzsystemen. Hierdurch lassen sich ressourceneffiziente und deutlich verkürzte Innovationszyklen realisieren.

Diesem Leitbild folgend, wird die bestehende Forschungsinfrastruktur am Heinz Nixdorf Institut durch einen interaktiven dynamischen Fahrsimulator ergänzt. Dieser verfügt über ein einzigartiges Bewegungssystem, mit welchem die virtuellen Fahrzeugbewegungen durch innovative Regelalgorithmen für die Insass*innen im Simulator erlebbar gemacht werden. Für die Visualisierung der simulierten Umgebung dient ein Rechencluster, der eine Rundprojektion mit acht Projektoren um das Fahrzeug sowie die entsprechenden Bilder in Außen- und Rückspiegeln erzeugt. Auch ein Austausch der verbauten Fahrzeugkabinen (Kleinwagen, LKW) ist durch die modulare Bauweise des Gesamtsystems leicht möglich. So entsteht im Zusammenspiel verschiedener Sinneswahrnehmungen ein realitätsnaher Fahreindruck bei den virtuellen Testfahrten im Simulator.

Neben der kontinuierlichen Weiterentwicklung des Fahrsimulators sind die Optimierung hochauflösender Scheinwerfersysteme mit dynamischen Lichtfunktionen sowie die Erprobung robuster Sensortechnologien für das hochautomatisierte Fahren unter widrigen Witterungsbedingungen zentrale Forschungsschwerpunkte am Heinz Nixdorf Institut.

Smart Innovation Laboratory

Laborumgebung zur Untersuchung von Veränderungen in der Produktentwicklung durch Digitalisierung

Das Smart Innovation Laboratory der Fachgruppe „Produktentstehung“ ermöglicht die Untersuchung der Auswirkungen der Digitalisierung auf die Produktentwicklung. Hierzu werden innovative Ansätze in den Bereichen „strategische Produktplanung“, „Innovationsmanagement“, „Systems Engineering“ sowie „digitale und virtuelle Produktentstehung“ erforscht.

Die Digitalisierung in der Produktentwicklung ist auf zwei Ebenen zu betrachten: Sie unterstützt zum einen innovative Prozesse in der Produktentwicklung. Beispiele sind Ansätze der generativen Entwicklung oder der datengetriebenen Anforderungserhebung. Zum anderen ermöglicht sie die Entwicklung smarter Produkte und Produkt-Service-Systeme. Im Smart Innovation Laboratory der Fachgruppe von Professorin Iris Gräßler besteht hierzu eine einzigartige Forschungsinfrastruktur. Speziell wissensintensive Prozesse in den frühen Phasen der Produktentstehung, die oftmals kollaborativ stattfinden, können durch geeignete technische Assistenzsysteme unterstützt werden. Die große Herausforderung hierbei besteht in dem Zusammenspiel von Kollaboration, Visualisierung und Analyse.

Zur Kollaboration umfasst das Labor Kollaborations- und Prototyping-Arbeitsplätze. Dadurch können interdisziplinäre Entwicklungsteams gemeinsam an der modellbasierten Entwicklung neuer Prototypen arbeiten. Diese Aufgaben werden zudem durch den Einsatz von digitalen Werkzeugen unterstützt, wie Multitouch-Tische und -Displays. Durch Visualisierungswerkzeuge können Prototypen schon frühzeitig immersiv erlebt und erfahrbar werden. Dazu zählen flexible Head-Mounted Displays und VR-Treadmills. Diese virtuellen Erfahrungen können durch physische Prototypen ergänzt werden, die beispielsweise mittels additiver Fertigung hergestellt werden.

Ein Forschungsschwerpunkt der Fachgruppe ist die Frage, wie Produktentwickler*innen zukünftig digitale Werkzeuge einsetzen. Daher ist eine zentrale Funktion des Forschungsgroßgeräts die Integration von Forschungsdaten: Videoaufzeichnung mit Datensynchronisation und -integration von smarten Devices ermöglicht neue Erkenntnisse in der Mensch-Technik-Interaktion. Durch die Datenvernetzung werden Forschungsdaten in Echtzeit oder im Anschluss analysiert und ausgewertet. Die flexible und modulare Struktur des neuen Smart Innovation Laboratory ermöglicht eine situations- und themenabhängige Konfiguration für spezifische Prüfszenarien in der Produktentwicklung. In Kombination mit dem etablierten, angrenzenden „Smart Automation Laboratory“ wird der gesamte Produktentstehungsprozess für experimentelle Untersuchungen abgebildet.

Smart Automation Laboratory

Zukunftsorientierte Forschung und Entwicklung in der digitalen Fabrik der Zukunft

Digitalisierung, Informations- und Materialzirkularität, Mensch-Roboter-Kollaboration und Künstliche Intelligenz: Derartige Themen stehen für innovative und nachhaltige Produkte und Produktionssysteme der Zukunft. Fokus der Forschungsprojekte im Smart Automation Laboratory der Fachgruppe „Produktentstehung“ ist die Analyse neuer Technologien in intelligenten dezentralen Produktionssystemen zur Lösung aktueller und künftiger Herausforderungen.

„Cyber-Physische Produktionssysteme“ (CPPS) stellen hochflexible, adaptive und über Internettechnologien vernetzte Systeme dar. Diese ermöglichen durch eine Dezentralisierung und Autonomie ein ganz neues Niveau: Die flexible Koordination erfolgt über internetbasierte Kommunikation mit Standards wie OPC UA. Sie umfasst Maschinen, Sensoren, Werkstücke, Betriebsmittel sowie Lager- und Transportsysteme. Innerhalb dieser neuen Form der Steuerung muss auch eine menschenzentrierte Gestaltung der Arbeit beachtet werden. Dies wird im Smart Automation Laboratory beispielsweise anhand von adaptiven Assistenzsystemen erforscht, die sich individuell an die Fähigkeiten der Mitarbeiterin/des Mitarbeiters anpassen. Weitere relevante Technologien, die innerhalb des Labors untersucht werden, sind der Digitale Zwilling, Predictive Maintenance, Dashboards sowie Machine Vision.

Das Labor besteht aus zwei Fertigungszellen (eine Drehmaschine und eine Fräsmaschine), zwei 3D-Druckern sowie einer Montagestation. Die Zellen sind mit einem Materialflusssystem verbunden. Zudem besitzt das Labor drei unterschiedliche Typen an Robotern (Portalroboter, Industrieroboter, kollaborativer Roboter), die zur Bestückung und Entnahme an den Maschinen genutzt werden. Des Weiteren werden durchgehend neue softwaretechnische Systeme entwickelt und ausgebaut. Wenn ein neuer Auftrag im System eingeht, wird dieser einem Shuttle auf dem Materialflusssystem zugeordnet. Anschließend erfolgt das Scheduling durch eine dezentrale Produktionssteuerung. Hierzu ist jede Einheit mit einer eingebetteten Informationsverarbeitung ausgestattet, welche die Überwachung und Steuerung übernimmt und eine Kommunikationsschnittstelle bereitstellt, die die dezentrale Steuerung ermöglicht und eine Schnittstelle für zentrale Überwachungssysteme bereithält. Dadurch können sich die Systemelemente der Produktion selbstständig vernetzen, konfigurieren und zentral überwacht werden (Plug & Produce).

Aktuelle Forschungsschwerpunkte innerhalb der Laborumgebung sind die Einbindung der Mitarbeiter*innen in die Produktionsplanung und -steuerung sowie der Einsatz von Machine Vision Quality Gates. Hierbei erfolgt die Sichtprüfung automatisch unter der Verwendung von künstlicher Intelligenz.

Software-Werkzeuge

© Fraunhofer IEM

Das Heinz Nixdorf Institut stellt neben physischer Infrastruktur auch Softwarewerkzeuge zur Verfügung, die im HNI aber auch darüber hin aus weltweit von hunderten Forscher*innen eingesetzt werden. Besonders prominent sind hierzu Werkzeuge zu nennen, die die prototypische Entwicklung verschiedener Unterstützungen für Softwareentwickler*innen zum Fokus haben. Das Werkzeug Soot ist das weltweit am weitesten verbreitete Werkzeug zur automatischen Programmanalyse für Java- und Android-Anwendungen. Es wurde zwar ursprünglich an der McGill University entwickelt, seit 2016 wird seine Weiterentwicklung aber unter Federführung des HNI vorangetrieben. Soot wurde bereits mehrere tausend Male in Wissenschaftlichen Studien eingesetzt und wurde auch in kommerziellen Produkten verbaut.

Das Werkzeug SootUp ist eine Neuauflage von Soot mit stark verbesserter Architektur und Nutzbarkeit. Seine Entwicklung wurde im Rahmen einer Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft zur Nachhaltigkeit von Forschungssoftware gefördert. Der erste Release erfolgte 2022. Es soll Soot nach und nach ablösen.

Das Rahmenwerk Heros erweitert Soot, aber auch andere Java-basierte Rahmenwerke zur Programmanalyse, um eine mächtige Funktionalität zur sogenannten interprozeduralen Programmanalyse. Hiermit können Analysen durch einen sehr einfach zu erweiternden Mechanismus Datenflussanalysen für ein ganzes Programm durchführen, und dies parallelisiert und sehr effizient.

Das Werkzeug FlowDroid ist eine Erweiterung von Soot, die die einfache Analyse von Datenflüssen speziell für Android-Anwendungen erlaubt. FlowDroid ist die wissenschaftliche Basis für mehrere tausend wissenschaftliche Arbeiten, es ist das am weitesten verbreitete Android-Analysewerkzeug.

Die Anforderungen an eine Programmanalyse für C/C++ unterscheiden sich sehr zu denen für Java. Daher wurde am HNI speziell für die Analyse von C/C++-Quellcode das Analyserahmenwerk PhASAR entwickelt. PhASAR basiert auf dem quelloffenen Compilerframework LLVM und erfreut sich ebenfalls zunehmender Beliebtheit in der Forschungscommunity und kommt wie Soot auch in Unternehmen zum Einsatz.

Während all die oben genannten Softwarewerkzeuge Rahmenwerke sind, die Forscher*innen erweitern müssen, damit sie etwas sinnvolles tun, ist CogniCrypt ein direkt einsetzbares Softwarewerkzeug, das es Entwickler*innen ohne weiteres Zutun erlaubt, Fehlbenutzungen kryptografischer Softwareschnittstellen in Java- oder Android-Anwendungen aufzufinden oder diese auch durch eine Codegenerierung proaktiv zu vermeiden. Hierdurch werden Sicherheitsschwachstellen in Bezug auf Kryptografie frühzeitig vermieden. CogniCrypt ist ein Eclipse Open Source-Projekt.

 

Übersicht der Software-Werkzeuge auf den Seiten der Fachgruppe "Secure Software Engineering"