… ist der Titel des Roland-Mittermeir-Preises 2021 und wurde vom Förderverein Technische Fakultät mit EUR 1.500,00 ausgezeichnet. Der Autorin und Preisträgerin, Frau Dipl.-Ing.ⁱⁿ Teresa Rauscher BSc, wurde der Preis im Rahmen einer TEWI-Veranstaltung (gemeinsam mit der Vergabe der TEWI-Schüler*innenpreise und Best Performer Awards) am 16. September 2022 übergeben und die Arbeit wird hier kurz vorgestellt:

Ultraschallbildgebung – für die meisten bekannt aus der Frauenheilkunde – ist ein komplexes Zusammen- spiel von physikalischen Prinzipien und Signalverarbeitungsmethoden. Es basiert auf hochfrequenten Schallwellen, die uber eine Sonde in den Körper geschickt werden und dort vom Gewebe unterschiedlich stark reflektiert oder gestreut werden, um so ein Bild zu erhalten. Bei hohen Intensitäten zeigen die Schallwellen ein starkes nichtlineares Verhalten. Dieses wird zurzeit aber noch nicht genutzt, sondern im Gegenteil durch lineare Modelle angenähert. Sofern man diese Nichtlinearitäten aber richtig abbildet, kann die Qualität der Bilder enorm verbessert werden und auch weitere Anwendungen wie beispielsweise Tissue Harmonic Imaging oder therapeutischer Ultraschall können davon profitieren. 

In meiner Masterarbeit habe ich mich eben genau mit der Modellierung dieser Nichtlinearitäten bei der Ausbreitung von Ultraschallwellen beschäftigt. Ziel war es, ein drei dimensionales Modell fur die nicht- lineare Wellenausbreitung im Wasser ausgehend von einer rechteckige Sonde zu entwickeln und dieses auch zu implementieren. Durch die Zusammenarbeit mit GE Healthcare in Zipf, Oberösterreich, konnte ich einen sehr wertvollen praktischen Einblick erhalten und deren Messungen mit den Simulationen vergleichen, um die Genauigkeit des entwickelten Modells zu verifizieren. 

Um Nichtlinearitäten abzubilden, muss man in das Feld der nichtlinearen Akustik eintauchen und auf nichtlineare partielle Differentialgleichungen zurückgreifen, in diesem Fall auf die KZK-Gleichung. Die KZK-Gleichung ist eine parabolische Differentialgleichung, die die nichtlineare Ausbreitung von gerichteten Wellen abbilden kann. Die Berechnung von drei dimensionaler fokussierter nichtlinearer Schallwellenausbreitung ist zeitlich noch recht aufwändig, was uns auch zu einer der größten Herausforderungen bringt, denn Ultraschallbildgebung findet in Echtzeit statt. 

Um die Berechnung also zu beschleunigen, benötigt man Approximationen. Also denkt man sofort an Linearisierung, doch Ziel ist es gerade diese Nichtlinearitäten abzubilden. Damit mussten andere Ideen her. 

Grundlegend basiert das entwickelte Modell auf einem Operator Splittingverfahren. Dies ist eine Methode zur einzelnen Berücksichtigung der Terme in der Gleichung, wodurch diese für eine sehr kleine Schrittweite parallel gelöst und dann nach jedem Schritt wieder zusammengefugt werden können. Durch diese mögliche Parallelisierung kann man Rechenzeit gewinnen und verliert bei entsprechender Schritt weite kaum an Genauigkeit. 

Außerdem hat jede Ultraschallsonde eine bestimmte Geometrie, in diesem Fall rechteckig. Dadurch kann das zugrunde liegende Eigenwertproblem fur den Laplace Operator in der KZK-Gleichung explizit gelöst werden. Mithilfe der Eigen-funktionen und einem entsprechenden Ansatz kann man dies auf eine Cosinustransformation zurückführen und somit einen Teil der Gleichung im Frequenzbereich lösen und vernachlässigbare Anteile herausfiltern. 

Spannend sind natürlich die Ergebnisse. Um dies zu untersuchen, wurde das Modell diskretisiert. Implizite Zeitschritt-verfahren wurden entwickelt, um die Stabilität zu gewährleisten. Dann wurde es in MATLAB implementiert, die simulierten und gemessenen Wellen wurden in unterschiedlichen Tiefen verglichen und insgesamt konnte eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt wreden. Bei Messungen sprechen wir von akustischen Messungen, die mithilfe eines Hydrophones in einem Wassertank bei GE Healthcare in Zipf durchgefuhrt wurden. Auch die Rechenzeit konnte vor allem durch die genannten Annäherungen signifikant reduziert werden. 

Damit konnte im Rahmen dieser Masterarbeit ein effizientes Modell entwickelt und implementiert werden, um die nichtlineare Wellenausbreitung bei der Ultraschallbildgebung abzubilden. 

… ist der Titel des Roland-Mittermeir-Preises 2020 und wurde vom Förderverein Technische Fakultät mit EUR 1.500,00 ausgezeichnet. Der Autorin und Preisträgerin, Frau Dipl.-Ing.ⁱⁿ Kathrin Spendier BSc, wurde der Preis im Rahmen einer TEWI-Veranstaltung (gemeinsam mit der Vergabe der TEWI-Schüler*innenpreise und Best Performer Awards) am 16. September 2022 übergeben und die Arbeit wird hier kurz vorgestellt:

The increasing demand for collaborative robot systems in industrial applications has led to new and interesting research areas in the field of personal safety. By guaranteeing personal safety, the common working area must be monitored completely by sensors. For this purpose, there are a large number of standard-certified safety devices such as laser scanners or safety light curtains. In addition to the classic safety devices, imaging systems are also tested for their suitability in practical applications. The project comprises the modelling of spatially and temporally variable data in an industrial context. To improve safety between humans and robots, safety devices have to be installed at suitable positions in the room. These sensors have to be analysed in space and time and evaluated on the basis of statistical methods or models, the overall uncertainty should be evaluated. The thesis consists of theoretically processing statistical models to analyze and model human-robot interaction. Among other things, the calculation of the minimum distance between the human and the robot should ensure a safe human-robot relationship.

It is also important to pay attention to the technical specifications and standards which must be fullfilled by the JOANNEUM RESEARCH ROBOTICS institute. These technical specifications, in conjunction with the safety requirements, are relevant to the collaborative operation of industrial robots. In order to gain the most precise understanding of the safety of robot systems, the corresponding standards must be worked through. In particular, space-time models for three-dimensional data are examined and processed, which provide information about the safety of human-robot collaboration. The goal is to predict human motion in order to guarantee a confident working atmosphere between a human and the robot. The focus in this work is the usage of Gaussian processes in connection with the efficient Integrated Nested Laplace Approximation (INLA) method, which will be used for model estimation. The developed models are generated on the basis of existing data, with processing of existing R packages. If packages in R are not available yet, suitable algorithms are implemented. The implementation includes data preparation, model estimation and the corresponding application of the model to the data. Finally, a corresponding toolbox is to be set up in R for the robot safety. This is followed by an assessment of the quality and precision of the models and methods from a statistical perspective. The output is very satisfactory and the collected data can be used for further data analysis and human motion predictions.

This project is planned in cooperation with the JOANNEUM RESEARCH institute ROBOTICS on risk models for autonomous robots in a shared work environment with humans. The practical aspects, corresponding implementations and graphical creations are completely done in R.

… ist der Titel des Roland-Mittermeir-Preises 2019 und wurde vom Förderverein Technische Fakultät mit EUR 1.500,00 ausgezeichnet. Der Autorin und Preisträgerin, Frau Mag.^a DDIⁱⁿ Dr.ⁱⁿ Kerstin Maier BSc BSc, wurde der Preis im Rahmen einer TEWI-Veranstaltung (gemeinsam mit der Vergabe der TEWI-Schüler*innenpreise und Best Performer Awards) am 16. September 2022 übergeben und die Arbeit wird hier kurz vorgestellt:

Die Masterarbeit behandelt das Combined Cell Layout Problem (CCLP). Das CCLP beschäftigt sich mit der Minimierung der Materialflusskosten in einer Produktionshalle mit mehreren Produktionszellen. Die zu produzierenden Teile sind auf die Bearbeitung von Maschinen in unterschiedlichen Produktionszellen angewiesen. Daher sucht dieses Problem nach der optimalen Anordnung der Maschinen innerhalb jeder Produktionszelle unter Berücksichtigung der einzelnen intra- und interzellulären Materialflüsse. In jeder Produktionszelle erfolgt die Anordnung der Maschinen entweder im Kreis oder in einer Reihe. Das CCLP wurde erstmals 2012 von Hungerländer and Anjos behandelt [P. Hungerländer and M. F. Anjos. An exact approach for the combined cell layout problem. In Operations Research Proceedings 2012]. In diesem Paper wurde ein Semidefinite Program (SDP) zur Lösung des CCLPs vorgestellt.

Im Zuge der Masterarbeit wurden zwei neue exakte Ansätze für das CCLP aufgestellt, nämlich ein In-
teger Linear Program (ILP) sowie ein Answer Set Program (ASP). Den Abschluss der Masterarbeit bildet eine umfassende computerbasierte Studie, welche die Ergebnisse der zwei neuen exakten Metho-
den, sowie des SDPs von Hungerländer und Anjos gegenüberstellt. Diese Studie zeigte auf, dass der ILP Ansatz deutlich das SDP, das bisher als das effizienteste mathematische Modell zur Lösung des CCLPs
galt, verbessert. Während das ILP optimale Lösungen für bis zu 240 Maschinen, die innerhalb von
10 Produktionszellen angeordnet sind, in unter einer Minute erzielt, benötigt das SDP bis zu 6 Stunden. Im Gegensatz dazu, stellte sich heraus, dass es nicht sinnvoll ist einen ASP Ansatz zur Lösung von Layout-
problemen zu verwenden, da bereits Instanzen mit 30 Maschinen auf 5 Produktionszellen verteilt nicht optimal gelöst werden können.

Die vorgelegte Masterarbeit diente bereits als Basis für internationale Konferenzvorträge bei der IEEE In-
ternational Conference on Industrial Engineering and Engineering Management 2018 (IEEM18) in Bang-
kok, bei der 30. European Conference on Operational Research in Dublin und beim 14. Workshop on Models and Algorithms for Planning and Scheduling Problems in Renesse. Außerdem wurde ein Teil der
Arbeit als Konferenzpapier in den IEEE IEEM18 Proceedings publiziert (https://ieeexplore.
ieee.org/document/8607272) und mit dem IEEE Outstanding Paper Award ausgezeichnet (für Details siehe: https://www.aau.at/blog/ieee-oustanding-paper-award-fuer-die-mathematiker-der-universitaet-klagenfurt/). Dies unterstreicht die Forschungsrelevanz des betrachteten mathematischen Optimierungsproblems.