Development of a modular Knowledge-Discovery Framework based on Machine Learning for the interdisciplinary analysis of complex phenomena in the context of GDI combustion processes

Die physikalischen und chemischen Phänomene vor, während und nach der Verbrennung in Motoren mit Benzindirekteinspritzung (BDE) sind komplex und umfassen unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten, Gasen und der umgebenden Brennraumwand. In den letzten Jahren wurden verschiedene Simulationstools und Messtechniken entwickelt, um die an den Verbrennungsprozessen beteiligten Komponenten zu bewerten und zu optimieren. Die Möglichkeit, den gesamten Gestaltungsraum zu erkunden, ist jedoch durch den hohen Aufwand zur Generierung und zur Analyse der nichtlinearen und multidimensionalen Ergebnisse begrenzt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Validierung eines Datenanalysewerkzeugs zur Erkenntnisgewinnung. Im Rahmen dieser Arbeit wird der gesamte Prozess als auch das Werkzeug als "Knowledge-Discovery Framework" bezeichnet. Dieses Werkzeug soll in der Lage sein, die im BDE-Kontext erzeugten Daten durch Methoden des maschinellen Lernens zu analysieren. Anhand einer begrenzten Anzahl von Beobachtungen wird damit ermöglicht, die untersuchten Gestaltungsräume zu erkunden sowie Zusammenhänge in den Beobachtungen der komplexen Phänomene schneller zu entdecken. Damit können teure und zeitaufwendige Auswertungen durch schnelle und genaue Vorhersagen ersetzt werden. Nach der Einführung der wichtigsten Datenmerkmale im Bereich der BDE Anwendungen wird das Framework vorgestellt und seine modularen und interdisziplinären Eigenschaften dargestellt. Kern des Frameworks ist eine parameterfreie, schnelle und dynamische datenbasierte Modellauswahl für die BDE-typischen, heterogenen Datensätze. Das Potenzial dieses Ansatzes wird in der Analyse numerischer und experimenteller Untersuchungen an Düsen und Motoren gezeigt. Insbesondere werden die nichtlinearen Einflüsse der Auslegungsparameter auf Einström- und Sprayverhalten sowie auf Emissionen aus den Daten extrahiert. Darüber hinaus werden neue Designs, basierend auf Vorhersagen des maschinellen Lernens identifiziert, welche vordefinierte Ziele und Leistungen erfüllen können. Das extrahierte Wissen wird schließlich mit der Domänenexpertise validiert, wodurch das Potenzial und die Grenzen dieses neuartigen Ansatzes aufgezeigt werden

Automatic machine learning:methods, systems, challenges

This open access book presents the first comprehensive overview of general methods in Automatic Machine Learning (AutoML), collects descriptions of existing systems based on these methods, and discusses the first international challenge of AutoML systems. The book serves as a point of entry into this quickly-developing field for researchers and advanced students alike, as well as providing a reference for practitioners aiming to use AutoML in their work. The recent success of commercial ML applications and the rapid growth of the field has created a high demand for off-the-shelf ML methods that can be used easily and without expert knowledge. Many of the recent machine learning successes crucially rely on human experts, who select appropriate ML architectures (deep learning architectures or more traditional ML workflows) and their hyperparameters; however the field of AutoML targets a progressive automation of machine learning, based on principles from optimization and machine learning itself

Development of a modular Knowledge-Discovery Framework based on Machine Learning for the interdisciplinary analysis of complex phenomena in the context of GDI combustion processes

In this work, a novel knowledge discovery framework able to analyze data produced in the Gasoline Direct Injection (GDI) context through machine learning is presented and validated. This approach is able to explore and exploit the investigated design spaces based on a limited number of observations, discovering and visualizing connections and correlations in complex phenomena. The extracted knowledge is then validated with domain expertise, revealing potential and limitations of this method