KI-Qualitätskontrollsystem für die Fertigung: Ein umfassender Leitfaden zur Implementierung von Edge-KI

Zusammenfassung

Die Implementierung einer KI-basierten Qualitätskontrolle in der Fertigung ist komplexer als das Trainieren eines Modells – sie erfordert maßgeschneiderte Datensätze, eine sorgfältige Hardwareauswahl und eine robuste Edge-Infrastruktur. Das ConnectCore 95 SOM v Digi ConnectCore , kombiniert mit den Cloud-Diensten v , bietet eine komplette Plattform für die maschinelle Bildverarbeitungsprüfung: von NPU-beschleunigter Inferenz und containerisierter Modellverpackung bis hin zu Over-the-Air-Updates, Fernüberwachung und einem kontinuierlichen Verbesserungskreislauf, der die Genauigkeit der Modelle auch bei sich ändernden realen Bedingungen gewährleistet.

Die Hersteller stehen unter dem Druck, Fehler schneller zu erkennen, Ausschuss zu reduzieren und den Produktionsbetrieb aufrechtzuerhalten, ohne zusätzliches Personal einzustellen. KI-basierte Qualitätskontrollsoftware für die Fertigung hat sich als die praktischste Lösung für diese Herausforderung herausgestellt. Es ist jedoch schwieriger, als die meisten Teams erwarten, diese Software in der Fertigung zuverlässig zum Laufen zu bringen.

Die Herausforderung besteht nicht darin, ein Modell zu entwickeln, das Fehler erkennt. Das gelingt den meisten Teams in einer kontrollierten Umgebung. Die Herausforderung besteht vielmehr darin, dieses Modell auf eingebetteter Hardware am Netzwerkrand einzusetzen, seine Genauigkeit auch bei sich ändernden Produktionsbedingungen aufrechtzuerhalten und es über eine ganze Flotte von Geräten an mehreren Standorten hinweg zu verwalten, ohne dass an jedem Standort ein Datenwissenschaftler vor Ort ist.

Ein kürzlich von Digi International veranstaltetes Webinar mit dem Titel„Closing the Edge AI Gap: From Model Training to Real-World Deployment“ befasste sich umfassend mit diesem Problem. Die gemeinsam mit RBZ Robot Design durchgeführte Veranstaltung nutzte ein automatisiertes Live-System zur visuellen Inspektion, das in einer Bäckerei in Valencia, Spanien, im Einsatz ist, um alle Phasen des Implementierungsprozesses zu veranschaulichen – von der Datenerfassung bis hin zu OTA-Modell-Updates im Feld. Dieser Beitrag beleuchtet die wichtigsten Erkenntnisse und wendet sie auf Implementierungen in der industriellen Qualitätskontrolle an.

Wichtigste Erkenntnisse:

  • Um die für die Qualitätskontrolle in der Fertigung erforderliche Genauigkeitsschwelle von über 95 % zu erreichen, ist ein maßgeschneiderter Datensatz erforderlich, der auf der Grundlage Ihrer tatsächlichen Produktionsumgebung erstellt wurde – und nicht auf der Grundlage generischer Open-Source-Bilder.
  • Die Wahl des Trainings-Frameworks sollte sich nach dem Accelerator richten, auf dem Sie die Inferenz ausführen möchten. Ein Wechsel des Frameworks während des Projekts ist mit hohem Aufwand verbunden.
  • Die Quantisierung reduziert die Modellgröße um etwa das Vierfache und beschleunigt die Inferenz erheblich, führt jedoch zu einem Genauigkeitsverlust von 5 bis 10 %. Ein quantisierungsorientiertes Training ist der effektivste Weg, um damit umzugehen.
  • Die Inferenzleistung variiert je nach Hardwareklasse erheblich. Die interne NPU des „ Digi ConnectCore “ 95 bietet eine etwa 27-mal schnellere Inferenz als die CPU, während der externe RBZ ARA240-Beschleuniger diese Zeit auf unter 2 Millisekunden verkürzt.
  • Durch die Containerisierung lassen sich Edge-AI-Bereitstellungen portieren, versionieren und aktualisieren, ohne dass die darüberliegende Anwendungsebene berührt wird.
  • Digi ConnectCore Cloud Services bietet OTA-Modell-Updates, Fernüberwachung und einen kontinuierlichen Verbesserungszyklus, der von einem Gerät bis zu Tausenden skalierbar ist.
  • Der „ Digi ConnectCore “ 95 ist so konzipiert, dass er einen integrierten Upgrade-Pfad bietet. Der Wechsel von der internen NPU zu einem externen Beschleuniger erfordert lediglich ein Container-Update und keinen Hardware-Austausch.

1. Datenerhebung und Annotation

Bei diesem Schritt wird der erforderliche Aufwand bei den meisten Projekten unterschätzt. Mit Open-Source-Bilddatensätzen lassen sich Modelle erstellen, die eine Genauigkeit von 75 bis 80 % erreichen, doch für die Qualitätskontrolle in der Fertigung sind in der Regel 95 % oder mehr erforderlich. Um diesen Schwellenwert zu erreichen, muss ein maßgeschneiderter Datensatz erstellt werden, der die tatsächliche Produktionsumgebung widerspiegelt: Ihre Produkte, Ihre Beleuchtungsverhältnisse, Ihre Fehlerarten.

Es dauerte mehrere Monate, bis im Rahmen des Bäckereiprojekts verwertbare Daten gesammelt werden konnten. Da die Bäckerei je nach Nachfrage an unterschiedlichen Tagen verschiedene Brotsorten herstellt, musste der Datensatz ein breites Spektrum an Produkten und Bedingungen abdecken. Dies erforderte wochenlange, kontinuierliche Videoaufnahmen vor Ort, gefolgt von der Extraktion einzelner Bilder und der manuellen Kennzeichnung in Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern der Bäckerei, die erkennen konnten, was tatsächlich einen Fehler darstellte.

Die praktische Erkenntnis: Die Datenerhebung sollte früher beginnen, als es zunächst notwendig erscheint, und die Teams sollten von Anfang an damit rechnen, dass sich der Datensatz weiterentwickelt, sobald die Geräte im Einsatz neue Randfälle aufdecken.

2. Auswahl des Schulungsrahmens

Das für das Training des Modells verwendete Framework sollte danach ausgewählt werden, wo es letztendlich ausgeführt werden soll. Wenn der Zielbeschleuniger TensorFlow Lite erfordert, lässt sich durch ein Training in TensorFlow von Beginn an eine spätere aufwendige Konvertierung vermeiden. Für Beschleuniger, die ONNX oder PyTorch unterstützen, stehen andere Optionen zur Verfügung.

Für das Inspektionssystem für Bäckereien entschied sich RBZ Robot Design für PyTorch und ONNX, da damit sowohl die CPU als auch der externe ARA240-Beschleuniger angesprochen werden konnten. Zur Validierung auf der internen NPU des „ Digi ConnectCore 95“ wurde ein separates TensorFlow-Modell erstellt. Die Entscheidung für das Framework prägte jeden nachfolgenden Schritt, und eine Umkehrung dieser Entscheidung mitten im Projekt wäre mit hohen Kosten verbunden gewesen.

3. Schulung zum Cloud-Modell

Das GPU-basierte Cloud-Training liefert in der Regel ein Gleitkomma-Modell. Dieser Schritt ist für die meisten KI-Teams der bekannteste Teil der Pipeline, doch ein Aspekt, der regelmäßig übersehen wird, ist die Registrierung von Checkpoints. Jeder Trainingsdurchlauf – einschließlich seiner Hyperparameter und Ergebnisse – sollte protokolliert und gespeichert werden. Wenn ein Modell sechs Monate nach der Bereitstellung in der Praxis Abweichungen zeigt, ist die Möglichkeit, das Problem auf einen bestimmten Trainingszustand zurückzuführen, von unschätzbarem Wert.

4. Modelloptimierung für die Inferenz am Netzwerkrand

Dies ist der Schritt, der Edge-KI von Cloud-KI unterscheidet. Modelle, die auf einer eingebetteten NPU ausgeführt werden, müssen von einer 32-Bit-Gleitkommadarstellung in eine 8-Bit-Ganzzahlendarstellung quantisiert werden. Der Nutzen ist erheblich: eine etwa vierfache Verringerung der Modellgröße, geringere Anforderungen an die Speicherbandbreite und eine schnellere Inferenz. Die Quantisierung führt jedoch zu einem Genauigkeitsverlust von 5 bis 10 % und manchmal sogar noch mehr.

Der effektivste Weg, diesen Verlust zu bewältigen, ist das quantisierungsorientierte Training, bei dem der Trainingsprozess selbst so angepasst wird, dass er die Präzisionsverringerung berücksichtigt, die bei der Inferenz auftritt. Für den NXP i.MX 95 und die Plattform „Digi ConnectCore 95“ bietet das eIQ-Software-Framework von NXP die komplette Toolkette: Quantisierung, Wiederherstellung der Genauigkeit und Bereitstellung der Inferenz über alle drei Rechenebenen hinweg.

Ein Architekturprinzip, das sich beim Bäckerei-Projekt bewährt hat: Kleinere Modelle lassen sich sauberer quantisieren als größere. Die Aufteilung einer komplexen Aufgabe in zwei einfachere Modelle – beispielsweise eines für die Lokalisierung und eines für die Klassifizierung – lässt sich unter Umständen leichter für den Edge-Einsatz optimieren als die Entwicklung eines einzigen Modells, das beide Aufgaben abdeckt.

5. Verpackung in Behältern

Sobald das Modell optimiert ist, wird es zusammen mit seiner Inferenz-Laufzeitumgebung, den Abhängigkeiten und der Konfiguration in einen Container gepackt. Die Containerisierung ist mittlerweile Standard bei Edge-KI in der Produktion. Der Container ist portabel, versioniert und reproduzierbar. Außerdem entkoppelt er die Anwendungsschicht von der Inferenzschicht: Wenn der Zielbeschleuniger von der internen NPU auf den ARA240 wechselt, sorgt ein Containerwechsel für den Übergang, ohne die darüber liegende Anwendung zu beeinträchtigen.

Digi ConnectCore Cloud Services unterstützt die Containerformate LXC, Docker und Podman. Der gepackte Container wird in das cloudbasierte Repository übertragen, wo er als Artefakt dient, das in der gesamten Geräteflotte im Feld bereitgestellt, überwacht und aktualisiert wird.

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