Panoramo ArtIST: KI für die Kanalinspektion

KIEL, 26.11.2019 – IBAK arbeitet an einer Software, die die Erfassung von Inspektionsdaten effizienter machen und eine gleichbleibend hohe Qualität bei der Auswertung gewährleisten soll. Basis für das Entwicklungsprojekt Panoramo ArtIST sind 360°-Inspektionsfilme, die eine reale 3D-Innenansicht des Kanals darstellen. Der Weltmarktführer für Kanalrohrinspektionssysteme verzeichnet bereits beachtenswerte Fortschritte.

Ziel des IBAK-Entwicklungsprojektes Panoramo ArtIST (Artificial Intelligence Software Tool) ist es, den Kanalrohrinspekteur bei der Inspektionsdatenerfassung zu entlasten, indem Standardvorkommnisse im Kanalrohr automatisch bzw. teilautomatisiert erkannt und klassifiziert werden. Durch die Unterstützung bei Routine-Auswertungen kann der Inspekteur Schadensanalysen zielgerichteter durchführen. Für seine umfangreiche Arbeit wird eine enorme Zeitersparnis bei sehr hoher Ergebnisqualität erwartet.

1. Die Daten

Um Anwendungen mittels Künstlicher Intelligenz (KI) entwickeln zu können, ist es nötig, Daten für das Testen und Trainieren der Algorithmen zu sammeln.  Bereits seit mehr als 15 Jahren werden mit dem Kamerasystem Panoramo Kanalrohrinspektionsdaten erhoben. Für die KI-Software liefert diese 360°-Kamera-Technologie optimale Bilddaten, weil damit eine 100% vollständige Erfassung der Rohrinnenansicht vorliegt. Die hocheffiziente Scanner-Technologie mit extremen Weitwinkelbrennweiten stellt folglich lückenlose Basisdaten sicher, denn ein Übersehen relevanter Rohrabschnitte ist ausgeschlossen. Um die Bilddaten „wertvoll“ zu machen, müssen sie mit weiteren Informationen angereichert werden. Es sind Bewertungen und Entscheidungen notwendig, die durch maschinelles Lernen in einer Menge von Daten als Muster oder Gesetzmäßigkeiten erkannt werden können.
IBAK rief Panoramo-Anwender dazu auf, ihre Kanalrohrinspektionsdaten zu Verfügung zu stellen. Die eingegangenen Daten wurden anonymisiert, indem sämtliche Orts- und Personenbezüge gelöscht wurden. Ein Teil der seit 2002 zahlreich ausgewerteten Panoramo-Daten wurden und werden als Lernstoff für die „Ausbildung“ der KI-Software verwendet.

Durch Maskierungen visualisierte Anschlüsse, die das IBAK-Softwaretool Panoramo ArtIST in den Trainingsdaten als solche mit Hauptkode und Charakterisierung erkannt hat.
Durch Maskierungen visualisierte Anschlüsse, die das IBAK-Softwaretool Panoramo ArtIST in den Trainingsdaten als solche mit Hauptkode und Charakterisierung erkannt hat.

2. Das überwachte Lernen

Bei IBAK beschäftigt sich inzwischen ein 5-köpfiges Team mit dem KI-Projekt, das von der Innovationsstudie zum Entwicklungsprojekt Panoramo ArtIST gereift ist. Phasenweise unterstützen zudem studentische Hilfskräfte bei der derzeitigen Entwicklungsstufe des „überwachten Lernens“. Der Aufwand ist enorm: Die Trainingsdaten in Form von ausgewerteten Panoramo-Filmen müssen für das maschinelle Lernen mit Bedacht vorbereitet werden. Es sind manuelle Vorarbeiten notwendig, bei denen Daten bereinigt und aufbereitet werden. Auf diese Tätigkeit entfallen etwa 80 Prozent der Zeit an einem KI-Projekt. Der Lerneffekt ist umso stärker, je mehr Beispieldaten der Software zugeführt werden.
Beim „überwachten Lernen“ kommen Trainingsdaten zum Einsatz, bei denen die Antwort auf eine Aufgabenstellung bekannt ist. Es wird vorgegeben, was erlernt werden soll, wie zum Beispiel die Unterscheidung von Äpfel und Birnen. Die richtigen Antworten, in diesem Beispiel „Äpfel“ oder „Birnen“, werden dem Lernsystem mitgeliefert. Es wird eingangs mit Beispielbildern von Äpfeln und Birnen „gefüttert“. Diese Input-Daten wurden zuvor vom „Lehrer“ als Apfel- oder Birnenbild gekennzeichnet.
Übertragen auf die Kanalrohrinspektion dienen ausgewertete Panoramo-Aufnahmen als Beispielbilder. Diese sind durch die dazugehörigen Schadenskürzel gemäß der europäischen Norm DIN EN 13508-2 kategorisiert. Diese Norm umfasst ein Kodiersystem für die Beschreibung der Beobachtungen, die im Inneren von Abwasserleitungen und Kanälen bei der optischen Inspektion auftreten können. Anhand von definierten Zeichen werden die unterschiedlichen Schadensarten beschrieben und mit den Beispielbildern als richtige Antworten vorgegeben. Auf diese Weise lernt das Programm, wie Anschlüsse, Risse, Wurzeleinwüchse und weitere Schadensbilder aussehen. Wird der KI-Software dann ein neuer Inspektionsfilm vorgelegt, kann sie diesen nach dem gelernten Muster analysieren.

Durch Maskierungen visualisierte Risse, die das Softwaretool Panoramo ArtIST in den Trainingsdaten als solche mit Hauptkode erkannt hat.
Durch Maskierungen visualisierte Risse, die das Softwaretool Panoramo ArtIST in den Trainingsdaten als solche mit Hauptkode erkannt hat. | Fotos und Abbildung: IBAK

3. Die ersten Ergebnisse

Für die KI-Entwicklung wurden von IBAK bisher mehr als 7.000 Haltungen mit Zustandsdaten bearbeitet. Das bedeutet, dass bereits mehrere hundert Kilometer Leitungsnetz analysiert und aufbereitet wurden. Trainiert wurden dabei unter anderem Anschlüsse mit mehr als 50.000 Trainingsbildern. Die voll automatisch erkannten Ereignisse werden sogar vollständig kodiert nach DIN EN13508 mit Hauptkode und Charakterisierung ausgegeben. Die Erkennung von Muffen und Rissen wurde ebenfalls schon sehr intensiv anhand von ca. 30.000 Trainingsbildern trainiert. Bei allen genannten Ereignissen ist die Erfolgsquote sehr beeindruckend. Sowohl die Erkennungsraten als auch die Quote der korrekt zugeordneten Zustandskodierungen sind stark steigend.
Täglich lernt das System durch neue Daten hinzu. Es bedarf dennoch weiterer Trainings, um komplexe Schadensbilder zu unterscheiden und speziell selten vorkommende Schadensbilder intensiv zu trainieren.

4. Der Workflow

Das IBAK-Entwicklungsteam arbeitet auch daran, wie die informationstechnische Unterstützung zukünftig in die Arbeitsabläufe des Inspekteurs eingebunden werden soll. Der avisierte Ablauf sieht vor, dass zunächst die optischen Daten wie gewohnt mittels Panoramo-Scan erfasst werden. Durch eine Xenon-Blitzbeleuchtung werden auch bei höchster Durchfahrgeschwindigkeit (bis zu 35 cm pro Sekunde) gestochen scharfe Bilder generiert und eine Bewegungsunschärfe verhindert. Dieser Film soll anschließend über die Kanalanalyse-Software Ikas evolution in die ArtIST-Cloud geladen werden.
Diese IT-Infrastruktur soll über das Internet verfügbar gemacht werden. Dort soll ausreichend Speicherplatz und die erforderliche Rechenleistung sowie das ArtIST-Softwaretool zur Verfügung gestellt werden, das als Dienstleistung eine Inspektionsberichtsvorlage erstellt. Diese Berichtsvorlage soll dann aus der ArtIST-Cloud in das Ikas evolution zurückgegeben werden. Der Inspekteur findet diese in Form der Sationsliste wieder, die daraufhin mit Zuständen ausgefüllt ist. Nun kann der Inspekteur die gelisteten Zustände prüfen und ggf. vervollständigen.

Die mit der Kamerasystem Panoramo generierten lückenlosen 360°-Filme der Rohrinnenansicht werden verwendet.
Die mit der Kamerasystem Panoramo generierten lückenlosen 360°-Filme der Rohrinnenansicht werden für das IBAK-Entwicklungsprojekt Panoramo ArtIST verwendet. Die auf künstlicher Intelligenz basierende Software wird mit diesen Bilddaten für eine automatische Zustandserkennung von Standardvorkommnissen trainiert.

5. Ausblick

In den kommenden Monaten will IBAK die „überwachte Lernphase“ fortführen, um die Erfolgsquoten zu sichern bzw. zu erhöhen. Dazu ist die Mitarbeit der Panoramo-Anwender gefragt, denn es müssen weitere Trainingsdaten beschafft werden. Darüber hinaus arbeitet der Hersteller an einer Optimierung des KI-Modells und der Datenaufbereitung, um die benötigte Rechenleistung und Bandbreite zu verringern. Nicht zuletzt muss das ArtIST-Softwaretool in die IBAK-Software und Web-Dienste integriert werden. Bei allen beachtenswerten Fortschritten, die das Unternehmen bereits erzielt hat, stehen somit noch einige Aufgaben an, um das KI-Projekt nachhaltig zum Erfolg führen. IBAK geht davon aus, ab dem Jahr 2020 mit den ersten Praxistests und Piloteinsätzen starten zu können.
Festzuhalten bleibt, dass es sich bei Panoramo ArtIST nicht um eine KI-Lösung „von der Stange“ handelt, sondern von IBAK aufwändig selbst entwickelt wird. Ein solches Vorhaben ist zeitintensiv, erfordert umfangreiches Know-how und personelle Ressourcen. Der Vorreiter der Kanalrohrbranche hat die Voraussetzungen dafür geschaffen und verfolgt das ambitionierte Ziel weiter, die innovative Schlüsseltechnologie für die Branche nutzbar zu machen. IBAK gibt an, auf der IFAT 2020 einen ersten Einblick in die KI-Software zu geben.

Diesen Entwicklungsbericht lesen Sie auch in unserer kommenden Ausgabe (6/19) der B_I umweltbau ab dem 10. Dezember.