Lenken Sie noch selbst oder fahren Sie schon autonom? – die Vielfalt der Regelungstechnik

Anne Koch wird an der Universität Stuttgart als Ingenieurwissenschaftlerin promoviert. Die von ihr entwickelten Methoden im Bereich Regelungstechnik sind wichtig für automatisiertes und autonomes Fahren.

Autonomes Fahren – der Traum vom entspannten Fahren im selbststeuernden Auto ist in Science-Fiction-Filmen schon real und wird zunehmend auch in der Wirklichkeit umsetzbar. Aber wer würde sich freiwillig in ein Auto setzen, das eigenständig fährt, doch nicht 100 % sicher ist? Die Doktorandin Anne Koch befasst sich seit 2010 an der Universität Stuttgart mit der technischen Kybernetik. Diese theoretische Ingenieurwissenschaft beschäftigt sich unter anderem mit der Analyse, Beeinflussung und Optimierung von Systemen wie zum Beispiel autonomen Fahrzeugen. Dafür werden mathematische Modelle erstellt und mögliche Szenarien berechnet, womit Garantien gegeben werden können, die Sicherheit versprechen.

Generell ist die technische Kybernetik als interdisziplinäre Ingenieurwissenschaft direkt an der Schnittstelle zu den System- und Naturwissenschaften verankert und somit ein maßgeblicher Innovationstreiber. Neben dem autonomen Fahren findet die technische Kybernetik unter anderem auch Anwendung bei der Regelung chemischer Prozesse, der Erstellung von Flugsimulatoren, und ist auch bei der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen beteiligt. Das Antiblockiersystem (ABS) beruht auf den Forschungsergebnissen der technischen Kybernetik und markiert einen besonderen Meilenstein innerhalb der Innovationen der Wissenschaft. Im Interview mit der Landesinitiative „Frauen in MINT-Berufen“ gibt die Doktorandin und „MINT-Heldin“ Anne Koch Einblicke in ihren Fachbereich und erklärt, was autonome Fahrzeuge und Corona-Kontaktbeschränkungen gemeinsam haben.

Landesinitiative Frauen in MINT-Berufen: Frau Koch, Sie beschäftigen sich in Ihrer Promotion mit der Regelungstechnik – können Sie Beispiele nennen, in welchen Anwendungsfeldern diese praktisch zum Einsatz kommt?

Anne Koch: Das Schöne und Spannende an der Regelungstechnik ist, dass sie uns fast überall im Alltag begegnet. Ganz allgemein gefasst entscheidet ein Regler anhand von Messungen, wie in ein dynamisches System eingegriffen wird, damit dieses das gewünschte Verhalten zeigt. Zunächst fallen einem da natürlich die technischen Anwendungen ein. In einem Auto, zum Beispiel, kommen hunderte von Reglern zum Einsatz. Weitere interessante technische Anwendungen sind Roboter, Raumfahrt, Flugassistenzsysteme, Prozessregelung in chemischen Anlagen … bei all diesen Systemen spielt die Regelungstechnik eine wichtige Rolle. Dass solche Systeme sich wie gewünscht verhalten, kann in diesen Fällen sogar überlebenswichtig sein.

Die Regelungstechnik begegnet uns aber auch auf ganz anderen Gebieten. Unser Körper ist zum Beispiel ein beeindruckender Regelungskünstler: Damit der Blutzuckerspiegel stets im richtigen Bereich liegt, misst unser Körper ihn ständig und entscheidet anhand der Messungen, ob und wie viel Insulin oder Glukagon ausgeschüttet werden muss. Neben den technischen Anwendungsbeispielen gibt es also auch in der Biologie oder sogar in der Wirtschaft viele Beispiele für Regelkreise.

L. F. i. M.-B.: Können Sie einem Laien erklären, was künstliche neuronale Netze sind und wozu Wissenschaftler sie programmieren?

Anne Koch: Ganz allgemein ist das Ziel eines neuronalen Netzes, anhand von Daten die Beziehung von Eingangs- und Ausgangsgrößen zu erkennen. Ein bekanntes Beispiel ist hierfür die Anwendung auf Fotos, bei denen das neuronale Netz die Beziehung zwischen Pixeln als Eingangsgröße und der Klassifizierung des auf dem Foto dargestellten Objekts, also z.B. Hund oder Katze, als Ausgangsgröße erfasst. Hat das neuronale Netz diese Beziehung anhand von vielen Daten gelernt, kann es auch für neue Fotos die Unterscheidung Hund oder Katze treffen.

Für uns Regelungstechniker wird die Sache im Speziellen dann interessant, wenn wir neuronale Netze als Regler für dynamische Systeme einsetzen. Lassen Sie mich das vereinfacht am Beispiel des autonomen Fahrens erklären: Die Eingangsgröße zum neuronalen Netz wäre dann die Umgebungsmessung, wie z.B. Video- oder Radardaten, und die Ausgangsgröße wäre der Eingriff auf das Auto, also zum Beispiel Gaspedal und Lenkradwinkel. Aus aufgenommenen Fahrerdaten kann das neuronale Netz dann lernen, wie es auf der Basis von Umgebungsmessungen das Auto regeln kann. Die Regelungstechnik gibt uns dann mathematische Werkzeuge an die Hand, um den geschlossenen Regelkreis, also die Interaktion von Regler (neuronalem Netz) und Auto, zu untersuchen. Unser Ziel ist, schließlich mit Sicherheit voraussagen zu können, ob das geregelte System, also unser Auto, sich wie gewünscht verhält, und zum Beispiel auch bei verrauschten Messungen der vorgegebenen Route folgt.

F. i. M.-B.: Wie autonom können Autos schon heute fahren und was sind die Herausforderungen dabei?

Anne Koch: Das Beispiel eben war natürlich sehr vereinfacht dargestellt. Die Herausforderungen, ein Auto wirklich ganz autonom fahren zu lassen, sind immens vielseitig und können auch nur interdisziplinär, also in Zusammenarbeit vieler Fachbereiche, gelöst werden. Eine Schlüsselrolle in diesem Zusammenhang wird aber sicherlich die Regelungstechnik spielen. Die vielen Teillösungen, in deren Genuss wir ja heute schon kommen, die von automatisiertem Einparken über Tempomaten bis hin zu Spurhalteassistenten reichen, stimmen mich aber sehr positiv, dass auch das vollautonome Fahren in absehbarer Zeit umgesetzt werden kann.

F. i. M.-B.: Würden Sie selbst in einem autonomen Auto fahren?

Anne Koch: Aktuell wäre ich schon noch sehr froh über einen Not-Aus-Knopf in einem autonomen Auto. Bei solch sicherheitskritischen Systemen ist es eben unglaublich wichtig, dass der Algorithmus, der das Auto fährt, vollständig verstanden ist und sichere Aussagen über das resultierende autonome Auto gemacht werden können. Deshalb ist ein Ziel der Regelungstechnik, die Interaktion zwischen dem Algorithmus und dem zu regelnden System, also den geschlossenen Regelkreis, rigoros zu analysieren und Garantien geben zu können, die Sicherheit versprechen. Das sind die Fragestellungen nach Stabilität, Folgeverhalten und Robustheit, mit denen sich die Regelungstechnik schon seit jeher beschäftigt, und die an Relevanz nichts eingebüßt haben.

F. i. M.-B.: Die Anwendungsfelder der Regelungstechnik scheinen sehr weit gestreut: Im Frühjahr 2020 haben Sie mit anderen Forschenden und Ihrem Institutsleiter Prof. Frank Allgöwer die Regelungstechnik angewandt, um die Corona-Schutzmaßnahmen mit einem belastbaren Rechenmodell zu optimieren. Wie kam es dazu und was haben Sie herausgefunden?

Anne Koch: Das Projekt entstand an meinem Institut, weil damals die Unsicherheit sehr hoch war und Fragen wie „welche Verbote sind nötig, welche Lockerungen möglich?“ von enormem Interesse waren. Unser Ziel war letztlich eine dynamische und robuste Handlungsstrategie zu entwickeln, mit der man die Rate der Neuinfektionen bei der COVID-19-Epidemie möglichst klein halten kann – unter möglichst wenigen Einschränkungen. Die unsichere und dynamische Datenlage sowie die Komplexität und Instabilität des Infektionsgeschehens stellen dabei eine besondere Herausforderung dar.

Man kann die Ausbreitung einer Pandemie als dynamisches System verstehen und modellieren. Mit den Methoden der Regelungstechnik untersuchen wir das Modell und können es regeln. Die Messungen sind in diesem Anwendungsfall unter anderem die aktuellen Infektionszahlen; und die Politiker, als menschliche Regler, müssen sich auf der Basis der aktuellen Zahlen entscheiden, wie sie durch bestimmte Kontaktbeschränkungen und andere Gesetze auf das System einwirken. Diese Entscheidungen – ob Kontaktbeschränkungen verstärkt oder gelockert werden sollen – haben wir dann von bewährten Regelalgorithmen berechnen lassen und damit verschiedene Simulationen durchgeführt und miteinander verglichen, um so zu robusten und optimalen Ergebnissen zu kommen. In den Simulationen hat sich dann gezeigt, dass der regelungstechnische Ansatz tatsächlich gute Ergebnisse liefert und erneute Ausbrüche („Wellen“) verhindern kann.

Auch qualitativ haben sich unsere Resultate mit den Empfehlungen der Virologen und anderer Forschungsinstitute gedeckt: die Kontaktbeschränkungen sollten unbedingt an die aktuellen Zahlen adaptiert werden (Regelung), und Ungenauigkeiten in den Daten und Unsicherheiten im Modell müssen in die Entscheidungsfindung mit einbezogen werden (Robustheit).

Foto: © Thomas Bernhardt/BW Bildung und Wissen

F. i. M.-B.: Wie kamen Sie auf das Studium der Regelungstechnik / Technischen Kybernetik und was faszinierte Sie daran am meisten?

Anne Koch: In der Schule hatte ich leider wenig Berührungspunkte mit Ingenieurwissenschaften, und ich hatte ursprünglich die verschiedensten Ideen für ein Studium: Mathematik, Medizin, Luft- und Raumfahrttechnik, Psychologie oder Jura. Zunächst hat mich von den Ingenieurwissenschaften irrtümlicherweise die Vorstellung abgeschreckt, dass ein Ingenieur aus Leidenschaft gerne auch selbst mal den Schraubenschlüssel in die Hand nimmt und ‚bastelt‘. Das trifft nämlich auf mich nicht zu.

Aber in den Ingenieurwissenschaften, und im Speziellen in der recht mathematisch orientierten Technischen Kybernetik, geht es vielmehr um die Anwendung von Mathematik zur Lösung spannender und relevanter Probleme. Viele Aufgabenstellungen laden zum Knobeln ein, und letztendlich sind oft Logik und Kreativität für die Lösung gefragt. Das macht mir Spaß. Und dass dann die erlernten Methoden und entwickelten Lösungsansätze für so spannende und breite Anwendungsgebiete wie autonomes Fahren, Pandemiebekämpfung, künstliche Insulinpumpen und Raumfahrt relevant sind, fasziniert und motiviert mich.

F. i. M.-B.: In den vergangenen fünf Jahren haben Sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin und Dozentin an der Universität Stuttgart gearbeitet und gelehrt. Wie steht es um das Verhältnis zwischen weiblichen und männlichen Studierenden an Ihrem Institut und hat dies einen Einfluss auf Ihre Arbeit?

Anne Koch: An meinem Institut gibt es aktuell drei Professoren und eine Professorin. Bei den Kolleginnen und Kollegen ist die Zusammensetzung ähnlich: fast 25 % Doktorandinnen. Während ich bei den vielen spannenden Kollaborationen in verschiedensten Konstellationen keinen Unterschied zwischen Kolleginnen und Kollegen ziehen möchte oder könnte, gab es sicherlich Momente und Fragestellungen, bei denen ich im Speziellen weibliche Vorbilder und Ansprechpartnerinnen sehr geschätzt habe.

F. i. M.-B.: Konnten Sie seit Beginn Ihres eigenen Studiums bis heute eine Veränderung bei der geschlechtsspezifischen Zusammensetzung Ihrer Fakultät feststellen?

Anne Koch: Insgesamt ist mein Eindruck, dass der Frauenanteil bei den Studierenden, wie auch in den höheren Karrierestufen, leicht gestiegen ist. Das freut mich sehr, da ich glaube, dass dies ein sich selbstverstärkender Trend ist: Immer mehr Vorbilder und exemplarische Karrierewege, mit denen sich Schülerinnen oder Studentinnen identifizieren können, machen diese Optionen für den weiteren Werdegang auch immer präsenter. Weiterhin hat die Fakultät in den letzten Jahren zahlreiche Maßnahmen eingeführt, um Frauen für ein ingenieurwissenschaftliches Studium zu gewinnen und Studentinnen in diesem Fachbereich zu unterstützen.

F. i. M.-B.: Wie könnte man Ihrer Meinung nach Frauen dazu ermutigen, eine Karriere in den Ingenieurwissenschaften oder anderen technischen Bereichen zu beginnen?

Anne Koch: Ich könnte mir vorstellen, Ingenieurwissenschaften schon in der Schule stärker zu integrieren – und zwar nicht mit einer praktischen Schulung über das Schrauben, Fräsen und Feilen, sondern eher mit einem Kurs, der zeigt, wie spannende und bedeutsame ingenieurwissenschaftliche Probleme durch die Anwendung von Mathematik, Kreativität und Knobelei angegangen und gelöst werden können. Auch die Einbeziehung in den gesellschaftlichen Kontext und der Bezug zu den vielseitigen Anwendungsbereichen wie z.B. Medizintechnik und Umweltschutz helfen dabei, das Interesse von jungen Frauen für die Ingenieurwissenschaften zu wecken.

Hin und wieder helfe ich bei der Organisation von ‚Girls in Control‘-Workshops mit, bei denen Mädchen im Alter von zehn bis 15 Jahren das Prinzip der Regelungstechnik kennenlernen und selbst kleine Programme zur automatischen Regelung eines Computerspiels entwickeln. Ich hoffe, dass der Spaß an den Aufgaben, die Relevanz der Regelungstechnik für wichtige aktuelle gesellschaftliche Fragen und der persönliche Kontakt zu Vorbildern in diesem Bereich doch das ein oder andere Mädchen die Regelungstechnik bei der Studienwahl in Betracht ziehen lässt.

Infos zu Anne Koch

Anne Koch ist seit 2016 am Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik der Universität Stuttgart als Wissenschaftliche Mitarbeiterin beschäftigt und arbeitet an der Finalisierung ihrer Doktorarbeit. Zuvor hat sie an der Universität Stuttgart ihren Bachelor und Master im Bereich Technische Kybernetik absolviert und einen weiteren Masterabschluss am Georgia Institute of Technology erlangt. Im chinesischen Shanghai verbrachte sie zudem ein Auslandssemester und in Schweden einen dreimonatigen Forschungsaufenthalt.

Aktuell befindet sich Anne Koch in Elternzeit – Ende Juni bekam sie ihr erstes Kind. Wir gratulieren herzlich zur Geburt ihres Sohnes und wünschen ihr alles Gute für den weiteren Lebensweg mit ihrer Familie. Nach der Elternzeit plant sie, ihre Arbeit in der Regelungstechnik fortzusetzen.

Veröffentlicht: 07.07.2021

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