Data science on industrial data -- Today's challenges in brown field applications

Much research is done on data analytics and machine learning. In industrial processes large amounts of data are available and many researchers are trying to work with this data. In practical approaches one finds many pitfalls restraining the application of modern technologies especially in brown field applications. With this paper we want to show state of the art and what to expect when working with stock machines in the field. A major focus in this paper is on data collection which can be more cumbersome than most people might expect. Also data quality for machine learning applications is a challenge once leaving the laboratory. In this area one has to expect the lack of semantic description of the data as well as very little ground truth being available for training and verification of machine learning models. A last challenge is IT security and passing data through firewalls

Fablabs für die Forschung: Die Fusion von Makerspace und Bibliothek

Als „Gemeinschaft in Neuen Medien“ wird im Artikel die Community der sog. Makerspaces diskutiert – offene kreative Werkstätten, deren neues Medium die im Begriff „Fablab“ zusammengefassten neuen Design- und Herstellungstechnologien sind. Diese beruhen auf einer digitalen Durchgängigkeit von den frühen konzeptionellen Phasen bis hin zur Prototypen-Fertigung und haben inzwischen eine globale Vernetzung zwischen einzelnen Werkstätten und Akteuren hervor gebracht. Basierend auf der Einrichtung eines temporären Makerspaces durch die SLUB Dresden, die TU Dresden und die Dresdner Kreativszene im Frühsommer 2014, untersucht der Beitrag die Rolle von Makerspaces bzw. Fablabs im wissenschaftlichen Kontext. Konkret wird die Frage diskutiert, welchen Mehrwert Makerspaces vor allem der akademischen Forschung bieten: Sind Makerspaces „Science Fabs“ – also Werkstätten in denen belastbare neue Wissenschaft fabriziert wird? Und welche neue „Fab Science“ entsteht in solchen Werkstätten? Wie beeinflusst das Wissen um die Herstellbarkeit der Dinge die Entwicklung von Wissen und Wissensgesellschaft? Eine Reihe von „Begabungen“ machen die Fablabs relevant für die wissenschaftliche Arbeit: ihr praktisches Potential, Interdisziplinarität auf den verschiedensten Ebenen zu unterstützen („Synergieverstärker“); ihre Zugänglichkeit und Offenheit für ein breites Nutzerspektrum („Citizen Science“) sowie ihr Modellcharakter zur Beforschung produktiver Kooperation und Interaktion (“Living Lab”). Diese Annahmen wurden am Beispiel des Dresdner Makerspaces untersucht und bewertet

Selbstlernende Bedienerassistenzsysteme in Verarbeitungsmaschinen

Die Effizienz von Verarbeitungs- und Verpackungsmaschinen hängt ganz wesentlich vom Erfahrungs- und Prozesswissen der Bediener ab. Unerfahrenen Bedienern ist nur selten möglich, Störungen im Prozess mit einer fundierten Ursachenanalyse nachhaltig zu beseitigen. Die Folge sind sich häufig wiederholende Mikrostörungen und eine geringe Anlageneffizienz. Um den Bediener bei der Ursachenfindung zu unterstützten setzt das Fraunhofer IVV Dresden auf ein selbstlernendes Bedienerassistenzsystem. Dieses erfasst die aktuelle Situation aus vorhandener Sensorik, anhand kooperativer Dialoge mit dem Bediener und über Kamerasysteme. In Verbindung mit einer wachsenden Datenbank zu möglichen Störungen und Ursachen wird dem Bediener ein virtueller Kollege zur Seite gestellt, welcher mit Erfahrungswissen aller Mitarbeiter in der richtigen Situation unterstützen kann

Selbstlernende Assistenzsysteme für Maschinenbediener

Technische Entwicklungen sowie Elemente der Automatisierung führen im Maschinen- und Anlagenbau zu einer steigenden Komplexität, welche mit einem gesteigerten Gesamtwirkungsgrad (nach (DIN 8743:2014-01) der Endprodukte einhergeht. In der Bedienung kann jedoch, bspw. in der Lebensmittelverarbeitungs- und -verpackungsindustrie, eine Diskrepanz des technisch möglichen und real erzielten Wirkungsgrades im zweistelligen Prozentbereich festgestellt werden (Schult, Oehm, Klaeger & Carsch 2018). Mit den Ironies of automation wurde bereits in den 1980er Jahren eine Ursache dafür identifiziert. Die fehlende Erfahrung sowie fehlendes Prozessverständnis im Umgang mit komplexen Systemen auf Bedienenden-Seite führen zu Problemen im Umgang mit ebenjenen (Bainbridge 1983). Insbesondere bei biogenen Rohstoffen mit volatilen Eigenschaften können weit verzweigte Ursache-Wirkungs-Kausalitäten im Störungsfall weder verstanden noch nachhaltig behoben werden. Diese theoretische Annahme wird auch durch Analysen am Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Dresden bestätigt. Seit 1995 konnte in über 6.000 Stunden Maschineneffizienzanalysen in der Lebensmittelverarbeitung und -verpackung festgestellt werden, dass die Prozesse von so genannten Mikrostörungen, also Unterbrechungen kürzer als 2 Minuten, geprägt sind (Schult, Beck & Majschak 2015). Ein für die nachhaltige Problemlösung notwendiger Erfahrungsaustausch und -aufbau unter den Mitarbeitenden wird dabei häufig durch Personalfluktuation, Fachkräftemangel und Kommunikationsbarrieren behindert. [...aus der Einleitung

Entwicklungsassistenz zum Entwurf Innermaschineller Verfahren für Verarbeitungsmaschinen

Zur Herstellung und Verpackung von Konsumgütern wie Lebensmitteln, Getränken und Pharmazeutika werden hochautomatisierte Verarbeitungsmaschinen eingesetzt. Die Entwicklung dieser Maschinen erfordert die Anwendung und Zusammenführung spezieller Kenntnisse aus unterschiedlichen Wissensdomänen, wie bspw. Maschinenbau, Lebensmittel-, Kunststoff- und Automatisierungstechnik, sowie den Umgang mit volatilen, oft unbekannten und nur begrenzt bestimmbaren Eigenschaften von Naturstoffen. Aufgrund dieser branchenspezifischen Besonderheiten stellt insbesondere die Definition des Innermaschinellen Verfahrens (IMV) als Funktions- und Prinzipstruktur im Funktionsbereich Stoff in einer frühen Phase der Maschinenentwicklung eine besondere Herausforderung dar. Die Arbeit in dieser Entwicklungsphase ist vor allem durch ein heterogenes Informationsumfeld geprägt, welches die Anwendung des Erfahrungswissens von einzelnen Entwickelnden unabdingbar macht (Hacker 1992). So wird insbesondere bei der im Mittelpunkt stehenden Lösungssuche für das IMV, neben dem vorhandenen Fachwissen, dieses Erfahrungswissen genutzt, um den Zeit- und Kostenzielen der Entwicklung gerecht zu werden und rasch zu geeigneten Lösungen für die vorliegende Entwicklungsaufgabe zu gelangen (Turki 2014). Dabei bleiben jedoch oftmals potentielle Lösungsmöglichkeiten durch das stereotypische Vorgehen unberücksichtigt und mögliche Alternativen, die etwaige Vorzüge mit sich bringen, werden nicht betrachtet (Badke-Schaub & Frankenberger 2004). Erfahrungen einer Person können zudem nur dann einfließen, wenn diese in der aktuellen Problemlösesituation verfügbar ist und sie diese Erfahrungen auch mit dieser Situation assoziiert. Die demografische Entwicklung und die zunehmende Fluktuation der Mitarbeitenden erschweren die bedarfsgerechte Verteilung des Erfahrungswissens und fordern die Unternehmen somit heraus, das Erfahrungswissen der Mitarbeitenden aus der frühen Entwicklungsarbeit, aber auch aus anderen Bereichen der Produktentwicklung und -entstehung sowie aus dem Einsatz des fertigen Produktes selbst, als Wettbewerbsvorteil dauerhaft zu sichern (Schley et al. 2008). Werden durch den Mangel an Erfahrungswissen bei der Definition des IMV Entscheidungen ohne fundierte Kenntnis der jeweils zusammengestellten Prinziplösungen getroffen, kann dies bei der weiteren Entwicklungsarbeit zu neuen Herausforderungen und somit zu kosten- und zeitintensiven Iterationsschleifen führen. Der Arbeitsanteil in der Konzeptphase ist, gemessen am gesamten Entwicklungsaufwand im Verarbeitungsmaschinenbau, besonders hoch. Dies wird bedingt durch wechselnde Randbedingungen für gleiche oder ähnliche Verarbeitungsaufgaben und durch hohe Innovationsraten in der Konsumgüterentwicklung, insbesondere bei der Konsumgüterverpackung. Vor allem durch Marketing getriebene, neue Lösungen und Details erfordern nicht selten eine Anpassung „bewährter“ IMV. Gerade hier werden aber wesentliche Voraussetzungen für einen effizienten und sicheren Betrieb der zu entwickelnden Systeme gelegt. Demzufolge tragen die Entwickelnden besonders in der Konzeptphase erhöhte Verantwortung für Entwicklungs- sowie Herstell- und Betriebskosten der geplanten Maschine (Majschak 1997). Unterstützungsmöglichkeiten in Form softwarebasierter Assistenzsysteme für die Definition des IMV und die damit verbundene Suche nach verarbeitungstechnischen Prinziplösungen unter Einbeziehung von Erfahrungswissen sind für diesen frühen Entwicklungsschritt bisher nicht verfügbar, aber im Zuge fortschreitender Modularisierung umso wünschenswerter. Im Folgenden wird daher die Konzeption eines solchen softwarebasierten Assistenzsystems im Rahmen des Forschungsprojekts „Smarte Werkbank - Grafisches Assistenzsystem für die interdisziplinäre Entwicklung von produktionstechnischen Systemen“ vorgestellt

Comparative Pathway Analyzer—a web server for comparative analysis, clustering and visualization of metabolic networks in multiple organisms

In order to understand the phenotype of any living system, it is essential to not only investigate its genes, but also the specific metabolic pathway variant of the organism of interest, ideally in comparison with other organisms. The Comparative Pathway Analyzer, CPA, calculates and displays the differences in metabolic reaction content between two sets of organisms. Because results are highly dependent on the distribution of organisms into these two sets and the appropriate definition of these sets often is not easy, we provide hierarchical clustering methods for the identification of significant groupings. CPA also visualizes the reaction content of several organisms simultaneously allowing easy comparison. Reaction annotation data and maps for visualizing the results are taken from the KEGG database. Additionally, users can upload their own annotation data. This website is free and open to all users and there is no login requirement. It is available at https://www.cebitec.uni-bielefeld.de/groups/brf/software/cpa/index.html

CoryneCenter – An online resource for the integrated analysis of corynebacterial genome and transcriptome data

Neuweger H, Baumbach J, Albaum S, et al. CoryneCenter: an online resource for the integrated analysis of corynebacterial genome and transcriptome data. BMC Systems Biology. 2007;1(1): 55.Background: The introduction of high-throughput genome sequencing and post-genome analysis technologies, e.g. DNA microarray approaches, has created the potential to unravel and scrutinize complex gene-regulatory networks on a large scale. The discovery of transcriptional regulatory interactions has become a major topic in modern functional genomics. Results: To facilitate the analysis of gene-regulatory networks, we have developed CoryneCenter, a web-based resource for the systematic integration and analysis of genome, transcriptome, and gene regulatory information for prokaryotes, especially corynebacteria. For this purpose, we extended and combined the following systems into a common platform: (1) GenDB, an open source genome annotation system, (2) EMMA, a MAGE compliant application for high-throughput transcriptome data storage and analysis, and (3) CoryneRegNet, an ontology-based data warehouse designed to facilitate the reconstruction and analysis of gene regulatory interactions. We demonstrate the potential of CoryneCenter by means of an application example. Using microarray hybridization data, we compare the gene expression of Corynebacterium glutamicum under acetate and glucose feeding conditions: Known regulatory networks are confirmed, but moreover CoryneCenter points out additional regulatory interactions. Conclusion: CoryneCenter provides more than the sum of its parts. Its novel analysis and visualization features significantly simplify the process of obtaining new biological insights into complex regulatory systems. Although the platform currently focusses on corynebacteria, the integrated tools are by no means restricted to these species, and the presented approach offers a general strategy for the analysis and verification of gene regulatory networks. CoryneCenter provides freely accessible projects with the underlying genome annotation, gene expression, and gene regulation data. The system is publicly available at http://www.CoryneCenter.d

Comparative genomics and transcriptomics of lineages I, II, and III strains of Listeria monocytogenes

BACKGROUND: Listeria monocytogenes is a food-borne pathogen that causes infections with a high-mortality rate and has served as an invaluable model for intracellular parasitism. Here, we report complete genome sequences for two L. monocytogenes strains belonging to serotype 4a (L99) and 4b (CLIP80459), and transcriptomes of representative strains from lineages I, II, and III, thereby permitting in-depth comparison of genome- and transcriptome -based data from three lineages of L. monocytogenes. Lineage III, represented by the 4a L99 genome is known to contain strains less virulent for humans. RESULTS: The genome analysis of the weakly pathogenic L99 serotype 4a provides extensive evidence of virulence gene decay, including loss of several important surface proteins. The 4b CLIP80459 genome, unlike the previously sequenced 4b F2365 genome harbours an intact inlB invasion gene. These lineage I strains are characterized by the lack of prophage genes, as they share only a single prophage locus with other L. monocytogenes genomes 1/2a EGD-e and 4a L99. Comparative transcriptome analysis during intracellular growth uncovered adaptive expression level differences in lineages I, II and III of Listeria, notable amongst which was a strong intracellular induction of flagellar genes in strain 4a L99 compared to the other lineages. Furthermore, extensive differences between strains are manifest at levels of metabolic flux control and phosphorylated sugar uptake. Intriguingly, prophage gene expression was found to be a hallmark of intracellular gene expression. Deletion mutants in the single shared prophage locus of lineage II strain EGD-e 1/2a, the lma operon, revealed severe attenuation of virulence in a murine infection model. CONCLUSION: Comparative genomics and transcriptome analysis of L. monocytogenes strains from three lineages implicate prophage genes in intracellular adaptation and indicate that gene loss and decay may have led to the emergence of attenuated lineages

Understanding the effectiveness of government interventions against the resurgence of COVID-19 in Europe.

Funder: European and Developing Countries Clinical Trials Partnership (EDCTP); doi: https://doi.org/10.13039/501100001713Funder: MRC Centre for Global Infectious Disease Analysis (MR/R015600/1), jointly funded by the U.K. Medical Research Council (MRC) and the U.K. Foreign, Commonwealth and Development Office (FCDO), under the MRC/FCDO Concordat agreement. Community Jameel. The UK Research and Innovation (MR/V038109/1), the Academy of Medical Sciences Springboard Award (SBF004/1080), The MRC (MR/R015600/1), The BMGF (OPP1197730), Imperial College Healthcare NHS Trust- BRC Funding (RDA02), The Novo Nordisk Young Investigator Award (NNF20OC0059309) and The NIHR Health Protection Research Unit in Modelling Methodology. S. Bhatt thanks Microsoft AI for Health and Amazon AWS for computational credits.Funder: EA FundsFunder: University of Oxford (Oxford University); doi: https://doi.org/10.13039/501100000769Funder: DeepMindFunder: OpenPhilanthropyFunder: UKRI Centre for Doctoral Training in Interactive Artificial Intelligence (EP/S022937/1)Funder: Augustinus Fonden (Augustinus Foundation); doi: https://doi.org/10.13039/501100004954Funder: Knud Højgaards Fond (Knud Højgaard Fund); doi: https://doi.org/10.13039/501100009938Funder: Kai Lange og Gunhild Kai Langes Fond (Kai Lange and Gunhild Kai Lange Foundation); doi: https://doi.org/10.13039/501100008206Funder: Aage og Johanne Louis-Hansens Fond (Aage and Johanne Louis-Hansen Foundation); doi: https://doi.org/10.13039/501100010344Funder: William Demant FoundationFunder: Boehringer Ingelheim Fonds (Stiftung für medizinische Grundlagenforschung); doi: https://doi.org/10.13039/501100001645Funder: Imperial College COVID-19 Research FundFunder: Cancer Research UK (CRUK); doi: https://doi.org/10.13039/501100000289European governments use non-pharmaceutical interventions (NPIs) to control resurging waves of COVID-19. However, they only have outdated estimates for how effective individual NPIs were in the first wave. We estimate the effectiveness of 17 NPIs in Europe's second wave from subnational case and death data by introducing a flexible hierarchical Bayesian transmission model and collecting the largest dataset of NPI implementation dates across Europe. Business closures, educational institution closures, and gathering bans reduced transmission, but reduced it less than they did in the first wave. This difference is likely due to organisational safety measures and individual protective behaviours-such as distancing-which made various areas of public life safer and thereby reduced the effect of closing them. Specifically, we find smaller effects for closing educational institutions, suggesting that stringent safety measures made schools safer compared to the first wave. Second-wave estimates outperform previous estimates at predicting transmission in Europe's third wave

Comparing organisms on the level of metabolism

Oehm S. Comparing organisms on the level of metabolism. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2009.With the accumulation of gene and protein sequence data in publicly available databases and the development of computational methods for their comparison, sequence analysis has become an extremely powerful tool to uncover functional properties of these molecules. In general, however, the biological function is a result of many interacting molecules forming large interaction networks such as regulatory networks or metabolic pathways. To improve our understanding of the phenotype of organisms it is of great value to analyze not only individual genes, but also these interaction networks. In particular the growing amount of publicly available data on metabolic pathways as well as of functional annotation data for sequenced organisms enables the comparison of organisms based on their metabolic reaction networks on a large scale. In this thesis a fully automated approach for comparative analysis of organisms on the functional level of metabolism is developed that yields a classification of the analyzed organisms according to their individual metabolic pathway variants. In contrast to gene sequence-based comparison techniques, this approach is based on the functional annotation of genes, namely metabolic reactions. Moreover, instead of comparing individual reactions one at a time, metabolic pathways are compared, which are sets of reactions that are jointly involved in the same cellular process. As an application example, five Corynebacteria are compared against each other using the newly developed approach and the results are discussed in light of their biological relevance. This example demonstrates the benefit of the developed approach for improving knowledge on habitat and lifestyle of organisms and the respective metabolic prerequisites, for detecting potential drug targets, as well as for improving the functional annotation of the respective genomes. A web frontend called CPA (Comparative Pathway Analyzer), which is available at http://cpa.cebitec.uni-bielefeld.de, can be used free of charge to apply the developed approach on genome and pathway data from the KEGG database or on data provided by the user