Thema 8: Zukunft gestalten mit IT - Lösungen

(A) Beschreibe drei Vorteile von Smart Lighting. 

Smart Lighting bietet neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Straßenbeleuchtung. Am Beispiel von Ludwigsburg kann man sehen, dass ein Austausch des Leuchtmittels dazu führt, dass 60% der Energiekosten eingespart werden können, wenn man zu LED-Lampen wechselt. LEDs können gleichzeitig auch flexibler eingesetzt werden, um verschiedene Lichteffekte umzusetzen, zum Beispiel verschiedene Helligkeits-Modi zu verschiedenen Tageszeitpunkten oder stimmungsvolle Hintergrundbeleuchtung für Events.

Wenn die Beleuchtung so eingestellt wird, dass sie nur bei Bedarf angeht, kann sich dies positiv auf die Tiere im Umfeld auswirken, weil es ihnen einen gesünderen Schlaf-Wach-Rhythmus erlaubt. Auch Pflanzen profitieren davon, weil sie Phasen von Dunkelheit benötigen, um sich gesund entwickeln zu können. Für uns Menschen bedeutet eine dunklere Umgebung auch bessere Anpassung der Augen, da wir uns bei zu hoher Lichtverschmutzung an eine immer vorhandene Lichtmenge gewöhnen.

Man könnte die Straßenlaternen so ausstatten, dass sie als Ladestation für elektronische Geräte oder Pedelecs eingesetzt werden können. Außerdem wäre eine Anbindung an ein städtisches WLAN-Netz denkbar, sodass die Lampen aus der Ferne synchronisiert und gesteuert werden können. Vielleicht könnten sie auch als WLAN-Hotspot für Fußgänger dienen.

(B) Nenne mindestens einen Nachteil von Smart Lighting. 

Man muss bei Smart Lighting darauf achten, dass keine Hell-Dunkel-Felder entstehen, wodurch Teilnehmer im Straßenverkehr gefährdet werden. Die vielen Wechsel der Beleuchtung könnten dann die Unfallgefahr erhöhen. Außerdem würde ein auf digitale Infrastruktur angewiesenes System höhere Ausfallchancen haben, zum Beispiel bei einem Angriff auf das System. Ausfälle könnten ein erhöhtes Aufkommen von Kriminalität begünstigen. Deshalb müssen Entwickler solcher Systeme darauf achten, dass sie robust sind und auch bei einem Verlust der Verbindung weiterhin einsatzbereit bleiben.

(C) Meinungsbild zum Thema Smart Lighting in der eigenen Straße

Ich würde Smart Lighting in meiner Straße sehr begrüßen, wenn sich die Planer wirklich ausgiebig mit den wenigen Risiken, die es geben kann, auseinandersetzen. So sollte die Beleuchtung nicht bei Verbindungsproblemen mit dem Internet ausgehen oder unnatürliches Verhalten zeigen. Außerdem sollte die Beleuchtung wirklich immer reagieren, wenn Menschen die Straße nutzen, damit es zu keinen Hell-Dunkel Feldern kommt. Andererseits darf die Beleuchtung nicht bei Nachtfaltern angehen, da sie sonst sehr sporadisch plötzlich an- und wieder ausgeht.

Besonders in der Innenstadt würde ich mich unsicher fühlen, wenn die Beleuchtung nicht verlässlich ist. Da Autofahrer zum Teil mit erhöhter Geschwindigkeit fahren, muss das Licht zuverlässig früh genug anspringen.

Es würde mich freuen, wenn sich die Tiere in der Umgebung an weniger Lichtverschmutzung gewöhnen und mit einem gesunden Schlafrhythmus leben können.

(D) Recherchiere ein Smart City Projekt. 

Vorstellung Smart City Projekt: Autonome Minibusse in Tallinn

In Tallinn gibt es autonome elektrische Busse, die Teil des ÖPNV sind. Die Busse steuern sich selbst über Kameras und Sensoren und werden dabei immer überwacht. Da das Projekt zunächst seit 2017 als Pilotprojekt läuft, dürfen die Busse nur mit einer verringerten Geschwindigkeit fahren. Durch den Antrieb mit Strom wird die Umwelt geschont. Die Busse können bei Bedarf auch auf ihren Einsatz warten und selbstständig wieder zum Laden in ein Depot fahren.

(A) Überlege dir einen Algorithmus zu deinem Alltag

1: Solange bis es 17 Uhr ist: Arbeite am Computer.

2: Schaue aus dem Fenster.

3: Wenn das Wetter gut ist: Mache einen Spaziergang.

4: Wenn das Wetter nicht gut ist: Trinke einen Tee.

5: Für 30 Minuten: Lies ein Buch.

6: Koche Abendessen.

7: Iss das Abendessen.

8: Wenn Freitag ist: Nehme an einem Online-Spieleabend teil.

9: Wenn nicht Freitag ist: Lass den Abend ruhig ausklingen.

(B) Stelle drei verschiedene Arten von Algorithmen vor

Algorithmen begegnen uns im Alltag überall. Zum Beispiel beim Musikhören: Die Vorschläge in Apps wie Spotify werden über einen Algorithmus gefunden, der die bisher gehörten Stilrichtungen analysiert und passend dazu Songs heraussucht. Bei der Online-Suche über Google oder Bing wird der eingegebene Text von einem Suchmaschinen-Algorithmus analysiert, der anhand von einem Index über alle Webseiten und deren Inhalte die passenden Suchergebnisse liefert. In Online-Shops werden die bisher angesehenen Artikel analysiert und daraus eine Liste von Vorschlägen generiert. Ampelsysteme können von Algorithmen so gesteuert werden, dass an Stellen mit weniger Verkehr die Ampelphasen seltener wechseln und so für die Verkehrsteilnehmer ein besserer Verkehrsfluss hergestellt wird.

(A) Was für Informationen können aus einem Barcode abgeleitet werden? 

Der Markt, der das Produkt verkauft, kann verschiedene Informationen über die Zahlenkombination kodieren. Beispielsweise können das Herkunftsland, die Fabrik, die Produktbezeichnung und der Preis direkt über verschiedene Positionen im Barcode angegeben sein. Möglich wären auch eine Chargennummer oder ein Ablaufdatum. Außerdem kennzeichnet der Barcode das Produkt eindeutig im Lagersystem des Markts, sodass mitverfolgt werden kann, wie viele Einheiten noch vorhanden sind, oder welche Chargen verkauft werden. Jeder Barcode bietet außerdem eine Prüfnummer, mit der man das korrekte Einscannen überprüfen kann.

(B) Wie würde das Scannen und Untersuchen der Produktinformationen dein Kaufverhalten beeinflussen?

Ich habe als Beispiel die Produkte “Kneipp Körpermilch Aloe Vera” und “Krüger Chai Latte Classic India” mit der App “CodeCheck” eingescannt.

Kneipp Körpermilch: Es hat sich gezeigt, dass auch die vermeintlich unbedenkliche Naturkosmetik Mikroplastik in Form von “Acrylates/C10-30 Alkyl Acrylate Crosspolymer” enthält. Die App zeigt dies mit einem dunkelroten Kreis und der Information, dass es sich um ein schwer abbaubares Polymer handelt. Außerdem sind mit Tromethamine und Citral laut der App leicht bedenkliche Inhaltsstoffe enthalten.

Da es sich hier um ein Naturprodukt für die ganze Haut handelt, bin ich bisher davon ausgegangen, dass man das Produkt ohne Bedenken nutzen kann. Es ist einerseits besorgniserregend, dass die App sogar in solch einem Produkt Inhaltsstoffe findet, die sie als schädlich einordnet. Auf der Rückseite des Produkts steht: “Kneipp wirkt. Natürlich!”. Wenn man überlegt, dass das Produkt Mikroplastik enthält, möchte man beim nächsten Einkauf vielleicht lieber verschiedene Produkte mit einer Scanner-App vergleichen und ein solches auswählen, das kein Mikroplastik enthält.

Krüger Chai Latte Classic India: Direkt beim Einscannen werden sehr viele rote Kreise angezeigt, die App signalisiert, dass es sich hier um ein sehr ungesundes Getränk handelt. Laut der App soll man bei einem der Inhaltsstoffe “Natriumphosphate” den Verzehr einschränken. Zusätzlich zu dieser Anzeige bietet CodeCheck noch eine Zusammenfassung über diesen Inhaltsstoff und wofür er alles eingesetzt wird.

Die Nährwert-Ampel ist für dieses Lebensmittel durchgehend rot, da es jeweils zu viele Gramm Fett, Gesättigte Fette, Zucker und Salz pro 100g/ml enthält.

Nach einem solchen Scan hat man nicht mehr wirklich Lust, sich damit einen Chai Latte zuzubereiten. Aber die App bietet auch Alternativen an, deren Inhaltsstoffe man auch direkt vergleichen kann.

Ich würde beim Einkaufen öfter eine solche App nutzen, aber mit der Einschränkung, dass man bei jedem Check auch einordnen muss, wie dramatisch die als rot markierten Inhaltsstoffe wirklich sind. Wenn man sich vornimmt, ausschließlich Produkte mit grünen Bewertungen zu kaufen, wird man es mit dem heutigen Angebot sehr schwer haben. Und auch einmal einen Chai Latte zu trinken macht noch keine ungesunde Lebensweise. Trotzdem möchte man vielleicht den Verzehr solcher Lebensmittel einschränken, nachdem man auf die weniger gesunden Inhaltsstoffe aufmerksam gemacht wurde.

(A) Warum ist die Suche nach invasiven Pflanzenarten mit Hilfe von künstlicher Intelligenz so effektiv?

Künstliche Intelligenz bietet gleich mehrere Vorteile, die ihren Nutzen weit über den von den herkömmlichen Methoden stellt. So müssen Biologen nicht mehr selbst im Feld vor Ort sein, um dort nach den invasiven Pflanzenarten zu suchen, sondern können eine Suche zentralisiert mitorganisieren. Wenn man Drohnen zur Aufnahme des Bewuchses nutzt, kann schnell eine große Sammlung von Aufnahmen erstellt werden, die alle durch KI durchsucht werden können. Dies spart Zeit, sodass die invasiven Arten möglichst kurz Zeit haben, um Fuß zu fassen. Je schneller eine solche Pflanze erkannt wird, desto weniger kann sie sich weiter verbreiten.

Die Menschen, die sonst wie beim Riesenbärenklau vor Ort wären, können nicht durch die Pflanzen direkt gefährdet werden. Es gab bereits Fälle, in denen Personen direkten Schaden genommen haben, als sie durch die Pflanzen auf der Suche nach dem Riesenbärenklau waren und diesen vernichten wollten.

Durch die sehr schnell mögliche Analyse der Bilddaten (eventuell sogar schon durch die aufnehmende Drohne selbst) können die entstandenen Standortdaten der Pflanzen noch im gleichen Moment an die zuständigen Behörden gemeldet werden, die dann die Entfernung veranlassen können und müssen. Es wäre auch möglich, dass die Position der Pflanze in einer App eingetragen wird, sodass sich Wanderer oder Anwohner nicht nähern, bis die Pflanze entfernt werden konnte.

Allgemein kann man auch von geringeren Kosten ausgehen, wenn ein großflächiges Gebiet gefilmt wurde und ohne menschlichen Einfluss analysiert werden kann, wodurch die beteiligten Fachkräfte mehr Zeit für andere Aufgaben haben und nicht ihre Arbeitszeit für die Suche nach Riesenbärenklau einsetzen müssen.

(B) Ist die KI für die Suche nach dem Riesenbärenklau eine starke oder schwache KI? Erkläre deine Antwort!

Es handelt sich um eine schwache KI, da sie nur auf eine Weise eingesetzt werden kann und nicht allgemeine Problemlösung beherrscht. Damit reiht sie sich ein in eine große Menge von schwachen KI, wie Amazons Alexa oder Stockfish, eine künstliche Intelligenz, die meisterhaft Schach spielen kann. Eine starke KI könnte von selbst andere Disziplinen erlernen und logisch denken. Aktuell gibt es keine starken KIs, und das wird wohl noch lange so bleiben. Bekannte starke fiktive künstliche Intelligenzen sind zum Beispiel Ultron aus der Marvel-Avengers-Filmreihe oder HAL aus 2001: Odyssee im Weltraum.

(C) Recherchiere nach mindestens drei anderen Dingen, die mit Hilfe von solchen trainierten KI gezielt gesucht und untersucht werden können.

Künstliche Intelligenz kann zur Suche nach Krebszellen eingesetzt werden, indem sie auf Testdaten trainiert wird und dann auf Aufnahmen von Zellgruppen nach den ihr bekannten Markern für Krebszellen sucht. Dabei können sehr viele Daten hintereinander untersucht werden, was beim Einsatz von Menschen schwierig ist.

Es gibt neuronale Netze zur allgemeinen Pflanzenbestimmung, die man beispielsweise über eine App nutzen kann. Dabei werden Fotos der Pflanze von der App an einen Server geschickt, der mit Hilfe von einer trainierten KI nach ihm bekannten Pflanzen mit den gleichen Eigenschaften (Blüten, Blattform, Farbe, Größe) sucht und mit hoher Trefferquote die richtige Information zurück an die App sendet. Dann kann man sich den Namen und weiter Informationen über die Pflanze anzeigen lassen.

KI kann auch eingesetzt werden, um auf Satellitenaufnahmen Muster in der Bepflanzung zu erkennen und so möglicherweise auf archäologische Artefakte aufmerksam zu machen. Auf diese Weise kann man die Ruinen von alten Zivilisationen entdecken, die sonst vielleicht nie gefunden werden würden, da sie zu weit ab von aktuellen Städten im Dschungel liegen.

Ein Beispielprogramm “Beispielprogramm.sb3” kann über den Menüpunkt “Datei” -> “Hochladen von deinem Computer” in Scratch übernommen werden:

Dieses Programm wird ausgeführt, wenn man auf das grüne Flaggen-Symbol über der Visualisierung klickt:

Dabei werden nacheinander einzeln die angegebenen Schritte ausgeführt:

1: Die Katze bewegt sich 10 Schritte nach rechts 
2: Es erscheint für 2 Sekunden eine Sprechblase mit dem Inhalt “Hallo!”
3: Es erscheint für 2 Sekunden eine Denkblase mit dem Inhalt “Hmm…”
4: Die Katze verändert ihr “Costume”, indem sich die Stellung der Beine verändert
5: Es wird ein “Miau”-Geräusch abgespielt
6: Es werden alle Sounds gestoppt.
7: Es passiert eine Sekunde nichts
8: Die Farbe der Katze verändert sich zu grün
9: Die Katze wird an eine zufällige Position verschoben

Dieses Programm besteht aus verschiedenen Bauteilen, die alle durch eine Farbe gekennzeichnet sind:

Dabei kann man mischen, was für ein Bauteil man hinter das vorherige setzen will. Man kann mit einem “Ereignis”-Bauteil angeben, wie man das Programm starten möchte. Im Beispiel ist das der Klick auf die grüne Fahne. Man könnte aber auch wählen, dass das Programm mit einem Klick auf die Leertaste gestartet wird oder wenn die Figur angeklickt wird:

Über das Menü links können noch viele andere Bausteine genutzt werden, um einen Programmablauf darzustellen. Es kann auch ein anderes Bild als die Katze genutzt werden, in dem es über das Figur-Menü hochgeladen und ausgewählt wird. Außerdem kann man die “Bühne”, also das Hintergrundbild wählen: