Die Zukunft der KI fliegt in Winterthur
Autonome Systeme entwickeln sich rasant weiter. Mangelnde Erfahrungswerte verzögern aber ihren Einsatz in der Praxis. Dank LINA sollen diese Technologien schneller reifen.
Im Grossraum Zürich hat sich in den letzten Jahren ein florierendes Ökosystem für Drohnen und Robotik entwickelt. Die Hochschulen treiben mit Forschung die Weiterentwicklung der Technologien voran, bringen Spin-offs hervor und versorgen die ansässigen Tech-Unternehmen mit Fachleuten. Ein Problem besteht jedoch: «Viele Systeme sind unter Laborbedingungen top – doch wir sind noch weit davon entfernt, autonome Drohnen operativ im Luftraum einzusetzen», erklärt Michel Guillaume, Leiter des Zentrums für Aviatik (ZAV) der School of Engineering.
Drohnen kommen heute zwar schon in vielen Branchen zum Einsatz, sei es für die Vermessung, in der Landwirtschaft oder bei Blaulichtorganisationen. Mit Physical AI entsteht jedoch eine neue Generation von künstlicher Intelligenz: Systeme, die ihre Umgebung wahrnehmen, Entscheidungen treffen und in der realen Welt handeln. Diese Systeme stellen uns vor neue Herausforderungen, denn wichtige Fragen sind noch ungeklärt: Wie kann sichergestellt werden, dass sie sich in jeder Situation zuverlässig und erklärbar verhalten? Wie testet man dies sicher und reproduzierbar? Wie validiert man KI-basierte Systeme im realen Einsatz und wie zertifiziert man sie?
«Wir benötigen effiziente Prozesse, um Systeme schneller unter realen Bedingungen zu testen und zur Marktreife zu bringen»
«In der Luftfahrt gilt: safety first. Bis ein neuer Verkehrsflugzeug-Typ zugelassen wird, der für eine Airline im Einsatz ist, vergehen zehn bis fünfzehn Jahre», gibt Martin Jajcay vom ZAV zu bedenken. «Autonome Systeme wie Drohnen bieten spannende Einsatzmöglichkeiten, etwa in der Katastrophenhilfe oder bei der Logistik zu abgelegenen Orten, aber für solche Einsätze fehlen noch die operativen Konzepte und zum Teil auch die gesellschaftliche Akzeptanz.»
Eine Herausforderung sei etwa das Verkehrsmanagement im Luftraum, das um ein Vielfaches komplexer werde, wenn neben Flugzeugen auch unbemannte autonome Flugobjekte unterwegs sind. «Wir wissen schlichtweg noch zu wenig darüber, wie Systeme, die auf Wahrscheinlichkeitsberechnungen basieren, sich in extremen Situationen verhalten», sagt Hella Bolck, Dozentin am Center for Artificial Intelligence (CAI) der School of Engineering. «Die Systeme müssen so optimiert werden, dass sie bei Wind und Wetter und neben anderen Luftraumteilnehmenden funktionieren.» Wichtige Voraussetzung dafür: testen, testen, testen.
Testinfrastruktur in Winterthur
Das Zentrum für Aviatik und das Center for Artificial Intelligence haben deshalb gemeinsam mit der Universität Zürich und der Zürcher Hochschule der Künste das Projekt LINA (Large scale Infrastructure for safe Testing and Development of Autonomous Systems) ins Leben gerufen. Das Ziel ist der Aufbau einer vielseitigen Forschungs- und Testinfrastruktur für autonome Systeme und Physical AI, insbesondere an der Schnittstelle von Aviatik und KI. Gefördert wird das Unterfangen von der Digitalisierungsinitiative des Kantons Zürich (DIZH), Industriepartner wie Skyguide und Matternet bringen ihre Erfahrung ein. Der erste Standort ist bereits weit entwickelt: Auf dem Segelflugplatz Hegmatten in Winterthur können autonome Systeme jeden Reifegrades auf einer Fläche von 700 mal 30 Metern getestet werden.
Für Guillaume ist die Testfläche ein längst überfälliges Angebot an die dazu forschenden akademischen Gruppen in der Schweiz und die Hersteller von autonomen Systemen. «Es ist zentral, sämtliche Kompetenzen für die Entwicklung, Erprobung und Zulassung der Systeme in Europa zu vereinen. Ohne Testinfrastruktur in der Nähe besteht ausserdem die Gefahr, dass die Unternehmen abwandern, etwa in die USA oder Kanada.»
«Testen ausserhalb der Sichtweite ist zentral für autonome Drohnen. Dazu benötigen wir grössere Testflächen.»
Für die Weiterentwicklung der Systeme spielen nicht nur technologische Fragen eine Rolle, sondern auch regulatorische. Die Testfläche sei auch als wissenschaftliches Instrument zu verstehen, das systematisch das Fachwissen generiert, das für die Gestaltung von neuen Regularien nötig ist. «Wir benötigen die Expertise von Fachleuten für KI und Aviatik, um allen Gegebenheiten rund um die Integration von KI Rechnung zu tragen», sagt Guillaume. «Dank ihrer breiten interdisziplinären Aufstellung ist die ZHAW für diese Aufgabe prädestiniert.»
Nationale Anlaufstelle
Eigene Drohnen zu entwickeln ist kein Ziel des Projekts. Vielmehr positioniert sich LINA als nationale Anlaufstelle für das Testen und sämtliche Fragen rund um die Entwicklung von Physical AI und robotischen Systemen. Damit ein System operativ werden kann, braucht es viel: Neben einer einwandfreien Konstruktion, funktionierenden KI-Komponenten und Flugtests gehören dazu zum Beispiel auch Lärmtests, Umweltversuche und die Integration mit anderen Systemen im Luft- und Bodenbetrieb. «Wir benötigen effiziente Prozesse, die von den Behörden akzeptiert werden, um Systeme schneller unter realen Bedingungen zu testen und damit auch zur Marktreife zu bringen», fasst Guillaume den Zweck von LINA zusammen.
Um zum Kompetenzzentrum für sämtliche Fragen rund um autonome Systeme zu werden, arbeiten die Projektverantwortlichen eng mit Herstellern, anderen Hochschulen und Behörden zusammen und leisten Öffentlichkeitsarbeit. Die gesellschaftliche Akzeptanz sei nicht zu unterschätzen, betont Guillaume. Auch die beste Technik nütze nichts, wenn Drohnen etwa so laut sind, dass es zu Lärmklagen komme. Ausserdem pflegen die Verantwortlichen ein internationales Netzwerk, denn ein Testzentrum mitten in Europa biete grosses Potenzial, auch Forschende und Hersteller aus anderen Ländern anzuziehen.
Für das Projektteam ist die Teststrecke in Winterthur Hegmatten erst der Anfang. Für Tests ausserhalb der Sichtweite eigne sie sich sowieso nur für Drohnen unter 25 Kilogramm, sagt Bolck. «Testen ausserhalb der Sichtweite ist jedoch zentral für autonome Drohnen. Sie müssen zum Beispiel sicher landen können, wenn die Verbindung gekappt oder das GPS-Signal ausfällt. Dazu benötigen wir grössere Testflächen.»
Gemeinsam mit der Universität Zürich und der EMPA plant die ZHAW ein schweizweites Netzwerk mit Testflächen von mindestens 10 Quadratkilometern. Der Antrag dafür ist bereits eingereicht, der Bedarf unbestritten – Anfragen von Test-Interessierten gehen fast täglich ein. Guillaume ist überzeugt: «LINA leistet einen entscheidenden Beitrag zur nächsten Entwicklungsstufe von KI: Systeme, die nicht nur Daten verarbeiten, sondern in der realen Welt robust und zuverlässig handeln. Das ist angewandte Forschung at its best, genau unsere Stärke.»
Überwachung des Luftraums
Eine wichtige Voraussetzung für die Sicherheit von Testgebieten ist die Überwachung des Luftraums. Sobald sich am Segelflugplatz Hegmatten ein Segelflugzeug nähert, müssen Drohnentests unterbrochen werden. «Bei Flughäfen wird der Luftraum mit Radar überwacht», erklärt Martin Jajcay vom Zentrum für Aviatik. «Für Teststrecken sind die Kosten dafür aber zu hoch.» Ein Team von LINA forscht deshalb an neuen Möglichkeiten, wie der Luftraum automatisch überwacht und Pilot:innen über Bewegungen informiert werden können.
«Bewegungen könnten auf verschiedene Arten erkannt werden, zum Beispiel mit Kameras, Radar, Lidar oder Eventkameras. Jede Methode hat aber Vor- und Nachteile», erklärt Felix Saaro vom Centre for Artificial Intelligence. «Bei Kameras ist die Datenmenge enorm. Eventkameras detektieren nur Veränderungen. Sie zeichnen auf, wenn sich an der Szene, die sie beobachten, etwas verändert. Dadurch ist die Datenmenge viel kleiner. Ob es sich dabei um ein Flugzeug in grosser Entfernung oder ein Vogel in kurzer Entfernung handelt, kann man jedoch nicht unterscheiden. In Kombination mit einem Lidar-Sensor lässt sich die Entfernung ermitteln.
«Als Teil des LINA-Projektes erforschen wir, welche Sensortypen sich wofür am besten eignen und entwickeln eine Methodik, um diese miteinander zu kombinieren.» Ist das System einst funktional, könnte es für jeglichen sicherheitskritischen Infrastrukturen als kostengünstige Überwachungsmethode interessant sein.
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