Bei der Herstellung von Lebensmitteln wird eine strengeÜberwachung der Qualität und Hygiene des Produktionsprozesses und der Endprodukte gefordert. Dieses kann im Extremfall nur durch Experten gewährleistet werden, die z. B. mit Hilfe eines Fernberatungssystems eine Begutachtung von Proben durchführen können. In diesem Projekt wurde ein System zur Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie entwickelt, bei dem ISDN als Kommunikationsmedium genutzt wird. Es wurden verschiedene Anwendungsszenarien untersucht und die Konzepte des kooperativen Systems (z. B. das 3-Phasen Modell) prototypisch implementiert.

 

 

 

 

 

 

Einleitung

Rahmenbedingungen

Bei der Herstellungvon Lebensmitteln wird seit jeher eine strenge Überwachung der Qualität und Hygiene der Endprodukte gefordert. Mit dem Übergang zum gemeinsamen EU-Binnenmarkt stiegen jedoch die Anforderungen in erheblichem Maße. Die jetzt gültigen Vorschriften und Normen (z. B. DIN/ISO 9000 - 9004) fordern eine umfassende chemische und biologische Überwachung eines gesamten Produktionsprozesses und der eingesetzten Roh- und Halbprodukte. Dabei wird nicht mehr nur wie bisher das Endprodukt auf seine Eigenschaften hin untersucht, sondern es werden möglichst alle relevanten Einflußgrößen und deren Quellen herangezogen.

Die vom Gesetzgeber verlangten Kontrollmaßnahmen erstrecken sich über ein sehr viel größeres Gebiet als bisher. Dies führt zu einem erheblich gesteigerten Aufwand in den Bereichen Probennahme, Präparation und Analytik. Dieser Umstand fordert:

 

Investitionen für komplexe, automatischeÜberwachungseinrichtungen,

schnelle Verfügbarkeit von Ergebnissen

und hohe Kompetenz der Mitarbeiter.

 

Vielen mittelständischenUnternehmen fällt es schwer, dem gesteigerten Personal- und Kompetenzbedarf vollständig gerecht zu werden.

 

 

Lösungsansatz

Die elektronischen Medien zurInformationsübertragung (im besonderen ISDN) bieten die Möglichkeit der gleichzeitigen Übertragung von Sprache, Daten und (je nach Bandbreite bis zu einem gewissen Grade) bewegten Bildern. ISDN schafft einem Experten die Möglichkeit, aus der Ferne in Form computerunterstützter kooperativer Arbeit beratend tätig zu werden und in das Geschehen an einem entfernten Ort einzugreifen. Beim kooperativen Arbeiten erzeugen die Eingaben eines Benutzers eine Ausgabe bei anderen Benutzern. Dabei kann diese Ausgabe direkt nach der Eingabe (Konsultation) oder aber auch zeitverzögert (elektronische Post) entstehen. Kooperative Anwendungen sind in der Regel verteilt, so daß die Möglichkeit besteht, im Dialog zwischen einem Laboranten, der vor Ort bestimmte analytische Arbeiten durchführt, und einem Experten, der sich z. B. in der Firmenzentrale oder einer beratenden Institution befindet, analytische Probleme zu lösen. Dabei ist die

 

gemeinsame optische Begutachtung von präparativen Arbeiten und erhaltenenProben,

die schnelle Übermittlung von Meßdaten sowie deren

gemeinsame interaktive Auswertung

mit der vorhandenen Technik prinzipiellmöglich, wie bereits in anderen Anwendungsbereichen (z. B. Medizin) gezeigt werden konnte. Dieses Projekt wurde in Kooperation zwischen dem Oldenburger Forschungs- und Entwicklungsinstitut für Informatik-Werkzeuge und -Systeme (OFFIS) und dem Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik, Quakenbrück (DIL) mit Förderung der Stiftung Industrieforschung, Köln durchgeführt.

 

 

 

 

 

 

Szenarien

Prinzipielles Szenario

 

 

An einem Meßplatz wird von einem Laboranten eine Probe genommen, die nichtlokal analysiert werden kann. Die Probe muß digitalisiert und mit zusätzlichen Informationen (Text, Sprache) zu einem Dokument montiert werden. Nach dieser Vorbereitungsphase des Laboranten wird der Experte benachrichtigt und Terminabsprachen für den Versand und die darauffolgende Konsultation getroffen. Das erstellte Dokument wird dem Experten zugestellt. Zum verabredeten Zeitpunkt findet die Konsultation des Experten mit Hilfe des computerunterstützten kooperativen Arbeitens statt. Nach dem WYSIWIS-Prinzip (what you see is what I see) können sowohl der Experte als auch der Laborant gleichzeitig das präparierte Dokument bearbeiten. Nach der Konsultation sollte eine Nachbereitungsphase durchgeführt werden. Dabei notieren sich sowohl der Laborant als auch der Experte die Ergebnisse und eventuell weiter durchzuführende Untersuchungen. Außerdem müssen für administrative Zwecke (z. B. Abrechnung der Serviceleistungen) Daten gespeichert und verarbeitet werden. Dieses Szenario kann beliebig wiederholt werden, wenn z. B. der Laborant zusätzliche Untersuchungen durchführen muß und dadurch neues Material für eine weitere Konferenz bekommt. Die folgenden Abschnitte konkretisieren dieses generelle Szenario für spezielle Anwendungen im Bereich der Lebensmittelindustrie.

 

Einsatz in Reinraum-Bereichen

Mitarbeiter, die sich in speziellen geschützten Bereichen einer Produktionbefinden, können jederzeit den zuständigen Experten befragen, ohne den geschützten Bereich verlassen zu müssen. Dabei kann das Beratungssystem auch lokal verwendet werden, wobei mehrere nicht im Reinraum befindliche Personen zur Konsultation hinzugezogen werden können.

 

Beratung in Problem- und Notfällen

Treten während analytischer Untersuchungen Probleme auf, dieeine Hinzuziehung eines Experten erforderlich machen, so kann das mit Hilfe von ISDN auch über weite Entfernungen geschehen. Dabei können die Teilnehmer sowohl akustisch und optisch miteinander in Kontakt treten als auch Bilder von Proben (z. B. Kolonien von Mikroorganismen auf Nährböden) und Daten von Analysegeräten austauschen.

 

Überwachung automatischer Analyseneinrichtungen

In zunehmendem Umfang wird die Automatisierung vonÜberwachungsaufgaben angestrebt. Die Verbindung von hochentwickelter Analysentechnik (Chromatographie, Spektrometrie, Bildanalyse) mit leistungsfähigen Handhabungseinrichtungen bieten hier viele Möglichkeiten, die nur bei hinreichender Kompetenz genutzt werden können. Die dargestellte Technik würde es erlauben, über preisgünstige und schnelle Datenleitungen diese Geräte aus der Ferne zu kontrollieren und zu überprüfen (z. B. bei Störfällen) oder Daten zur weitergehenden rechnerischen Analyse abzurufen.

 

 

 

 

 

 

 

3-Phasen-Modell

Im Rahmen des Projektes wurde ein Prototyp für ein multimediales Kommunikationssystem zurkooperativen Konsultation entworfen, das auf einem Drei-Phasen-Modell aufbaut:

 

Dokumenterzeugung

Dokumentversand

Konsultation

Diese Komponenten werden in denfolgenden Abschnitten näher beschrieben.

Dokumenterzeugung

 

 

Vor der Konsultation muß ein vollständiger Datensatzerzeugt werden, der an den jeweiligen Konsultationspartner versendet und später bei der Kooperation benutzt wird. Dieser Datensatz ist ein hierarchisches, d. h. baumartig aufgebautes Dokument, dessen Knoten aus Textmodalitäten oder Bildmodalitäten mit Annotationen bestehen. Die Proben bei der Analyse der Lebensmittel werden digitalisiert und als Bildmodalitäten in die Dokumente eingefügt. Die Bildmodalitäten können bei der Dokumenterstellung annotiert werden. Folgende Arten von Annotationen sind möglich:

 

Texte sollen die Aufmerksamkeit auf einenspeziellen Sachverhalt im Bild richten, der von einem der Konsultationspartner diskutiert werden möchte.

Ovale und Rechtecke kennzeichnen einenbestimmten für die Beratung interessanten Bereich, auf dem z. B. Bildverarbeitungsoperationen ausgeführt werden können.

Linienwerden meistens als Pfeile verwendet und sollen dem Kooperationspartner eine genaue Lokalisierung des erkannten Problembereiches erleichtern. Bei der Kommunikation entfallen die bei Telefonkonferenzen bekannten Probleme der Art "Betrachten sie bitte die Farbabstufung oben rechts" und daraus resultierende Mißverständnisse.

 

SpezielleAnnotationen (Rechtecke und Ovale) bauen Regionen auf den Bildern auf, die zur Ausführung von Bildverarbeitungsoperationen benutzt werden können.

 

Für den Benutzer bestehen die Dokumente aus einer Liste von lokalen undeiner Liste von globalen Modalitätenobjekten. Knoten in der Hierarchie sind entweder lokal oder kooperativ. Auf lokalen Knoten kann nicht kooperativ gearbeitet werden, und sie werden auch nicht an den jeweiligen Konsultationspartner gesendet. Das Wurzelobjekt (Dokument) ist immer global, kann aber lokale Unterobjekte haben. Globale Objekte können versendet werden und sind in einer Konsultation kooperativ.

 

Dokumentenversand

 

 

Dokumentekönnen nach ihrer Erzeugung und vor der Konsultation offline (asynchron) übertragen werden. Als Kommunikationsmedium wurde ISDN gewählt, da es allgemein verfügbar und kostengünstig ist. Dabei ist der Übertragungszeitpunkt beliebig und kann bei ISDN in die Abendstunden verlegt werden, um beispielsweise preiswerte Tarife in Anspruch zu nehmen. Eine Verbindung mit bestehenden lokalen Netzen ist heute durch Produkte verschiedenster Hersteller möglich. Durch die Verwendung von standardisierten Routing-fähigen Protokollen kann das System sowohl in lokalen als auch Weitverkehrs-Netzwerken arbeiten. Das System besitzt keine eigene Möglichkeit zum asynchronen Senden von Dokumenten. Je nach vorhandenen Netzwerkanwendungen existieren dafür mehrere Möglichkeiten:

 

Austausch über Speichermedien (z. B. Diskette)

Elektronische Post

Gemeinsame Ressourcen (z. B. Festplatten, auf die beidePartner Zugriff haben)

 

Während einer Konsultation werden keine Dokumentobjekte sondern nurOperationen übertragen. Falls zusätzliche Daten (z. B. neue Proben) während der Konsultation versendet werden müssen, kann dieses mit obigen Methoden ohne große Probleme geschehen. Dazu müssen die Daten allerdings als globale Objekte in ein neues Dokument integriert werden.

Kooperative Konsultation

 

 

Im Anschluß an den Dokumentenversand kann nach dem3-Phasen-Modell eine kooperative Konsultation durchgeführt werden. Zunächst muß ein Termin für diese Konsultation festgelegt werden, der beiden Partnern genügend Zeit zur Vorbereitung läßt. Für das synchrone kooperative Arbeiten ist es sehr wichtig, daß die in der Konsultation verwendeten Daten nach dem Dokumentenversand nicht mehr verändert werden, da sonst ein Abgleich notwendig ist. Dieser ist nur mit großem Aufwand zu realisieren, da Veränderungen auf beiden Seiten berücksichtigt werden müssen. Im Endeffekt kann das sogar bedeuten, daß die Übertragungsphase wiederholt werden muß.

 

Am vereinbartenTermin muß zunächst eine Verbindung zum Partner hergestellt werden. Da im Normalfall der Laborant um den Termin gebeten hat, sollte er die Verbindung herstellen. Zusätzlich zur rechnergestützten Kommunikation kann eine Sprachverbindung über Telefon oder eine Videoverbindung durch ein ISDN-Bildtelefon genutzt werden.

 

Die rechnergestützte synchrone Konsultationwird für die Bearbeitung der im voraus versandten Dokumente verwendet. Die Qualität der Darstellung der Modalitätenobjekte steht dabei im Vordergrund. Die globalen Objekte der Dokumente sind in dieser Phase kooperativ, d. h. sie können nach dem WYSIWIS-Prinzip bearbeitet werden. Wenn z. B. der Laborant ein Bild eines aufgenommenen Bakterienstammes auf dem Bildschirm darstellt, wird dieses Bild auch unmittelbar auf dem Rechner des Experten an derselben Position dargestellt. Während der Konsultation können die Probenbilder sowohl vom Laboranten als auch vom Experten mit Linien, geschlossenen Regionen und Texten annotiert werden. Auf den Regionen können Bildverarbeitungsoperationen ausgeführt werden, die für eine differenzierte Analyse der betrachteten Proben benötigt werden. Zusätzlich existiert zur Orientierung ein Telepointer, der die jeweilige Mausposition des entfernten Partners angibt und somit eine einfache "Gestikunterstützung" realisiert.

 

Zur Synchronisation wird einkooperatives Modell verwendet. Dabei besitzt jeder am kooperativen Arbeiten beteiligte Rechner ein Kopie aller kooperativen Daten. Änderungen an diesen Daten werden ohne Synchronisation an alle Rechner der kooperativen Konsultation versendet. Hierbei sind Inkonsistenzen möglich. Im den allermeisten Fällen ist eine Synchronisation nicht notwendig, da die Benutzer

 

vom Telefonieren her gewohnt sind, daß nur eine Person gleichzeitig aktiv sein (sprechen) sollte,

viele Operationen gleichzeitig ausführenkönnen, ohne daß trotz der falschen Reihenfolge ein inkonsistenter Zustand entsteht, da sich die Operationen nicht beeinflussen.

Bei restriktiverenSynchronisationsmethoden (z. B. Floor-Passing) kann immer nur ein Benutzer eine Operation durchführen. Das Rederecht muß häufig sogar explizit angefordert oder abgegeben werden.

 

 

 

 

 

 

 

Anwendungsbeispiel

Analyse von Eiprodukten

Das Anwendungsbeispiel wurde mit einemmittelständischen Hersteller von Eiprodukten durchgeführt. Die Produktpalette erstreckt sich von Volleiprodukten über Eiweiß bis hin zu getrocknetem Eipulver. Da vor allem die Flüssigprodukte nicht intensiv thermisch behandelt werden können, sind Fragen der Lebensmittelhygiene von grundlegender Bedeutung.

 

 

Die beteiligteFirma führt in einem mikrobiologischen Labor eigene Untersuchungen zum Zustand der Anlagen und Produkte durch. Gemeinsam mit dem Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik wurden anhand einiger Beispiele eine Beratungssitzung durchgeführt. Dabei sollte unter anderem geprüft werden, ob das entwickelte Konzept in einer typischen Laborumgebung einer mittelständischen Firma eingesetzt werden kann. Bei den verwendeten Proben handelte es sich um Flüssigei-Proben. Die Vorgehensweise bei der Klassifikation von Mikroorganismen sowie die Beratung bei mikrobiologisch analytischen Problemfällen ist häufig mehrstufig. Liegt ein Verdacht auf mikrobielle Kontamination mit noch nicht identifizierten Keimen vor, so muß zunächst geklärt werden, um welchen Zellwand-Typ (Gram-Typ) es sich handelt. Dies kann anhand von mikroskopischen Aufnahmen von Zellformen und durch morphologische Analysen von Kolonien geschehen. Anschließend können z. B. biochemische Tests auf der Basis von Test-Kits durchgeführt werden, die eine weitere Eingrenzung erlauben.

 

Der Schwerpunktdes kooperativen Arbeitens liegt auf der gemeinsamen Analyse morphologischer, farbiger Merkmale von Kolonien. Die obige Abbildung zeigt beispielhaft eine Momentaufnahme während einer solchen Analyse. Es bestand dabei der Verdacht, daß ein Eiprodukt durch Enterobakterien kontaminiert sei. Dieser Verdacht konnte durch die kooperative Analyse der Koloniestruktur erhärtet werden, so daß weitere gezielte Tests möglich waren.

 

Bei dieserKonsultation zeigte sich, daß die bisherige Funktionalität für die Bewertung von Kolonien weitgehend ausreichend ist. Allerdings wurden auch die momentanen Grenzen der Leistungsfähigkeit des ISDN deutlich. Gerade bei komplexen Koloniestrukturen wäre die Begutachtung unter verschiedenen Seh- und Beleuchtungswinkeln von großer Bedeutung. Erst dadurch können z. B. Glanz und Tiefe entsprechend erfaßt werden. Dazu müßten online jedoch bewegte Bilder in der entsprechend hohen Qualität mit einer Bildfrequenz von etwa 5-10 Bildern pro Sekunde übertragen werden. Dies ist jedoch nur bei Einsatz von verlustbehafteten Kompressionstechniken möglich, die dann zu einer Veränderung des Bildes führen, die für eine Beurteilung der Einzelbilder nicht mehr akzeptabel ist.

 

Das System wurdeaußerdem einem weiten Interessenkreis aus der Lebensmittelbranche vorgeführt. Dabei zeigte sich, daß die Möglichkeiten dieser Technik vor allem bei Herstellern von Frischprodukten mit Erfolge eingesetzt werden konnten. Besonderes Interesse fand das System bei der Milchindustrie.

 

 

 

 

 

 

 

 

Ergebnisse und Erweiterungen

Kooperatives Arbeiten im Bereich der Lebensmittelindustrie ist eine sinnvolle Ergänzung zu vorhandenen Qualitätssicherungsmaßnahmen. Insbesondere bei mikrobiologischen Analysen gelten enge zeitliche Randbedingungen. Aufgrund von Veränderungen in mikrobiologischen Proben (Wachstum oder Absterben von Mikroorganismen, enzymatischer Abbau usw.) kommt häufig ein Transport über weite Strecken nicht in Frage. Die notwendigen präparativen Tätigkeiten und Anzuchtarbeiten können von Betriebslabors durchgeführt werden. Die anschließende Beratung mit Hilfe des Systems durch einen entsprechend ausgebildeten Mikrobiologen auf der Basis annotierter Bilder erlaubt in vielen Fällen die schnelle Identifikation der relevanten Keime-Typen.

Durch das Drei-Phasen-Modell des kooperativen Arbeitens kann mit schmalbandigen Netzwerken befriedigend gearbeitet werden, da zeitaufwendige Datenübertragungen im voraus durchgeführt werden. Als Erweiterung ist eine Übertragung während einer Konsultation sinnvoll, da dann auch aktuelle Informationen (z. B. veränderte Proben) in die Konsultation mit aufgenommen werden können.

 

Das Drei-Phasen-Modell ist auch in anderen Anwendungsgebieten des kooperativen Arbeitens verwendet worden. Die Konzepte wurden insbesondere auch bei dem Prototypen TeCo im Bereich der Medizin implementiert. Im Zentrum für graphische Datenverarbeitung (ZGDV) wurde unabhängig ein ähnlicher Ansatz entwickelt, der in dem System KAMEDIN der Deutschen Telekom verwendet wird.

 

Durchverschiedene Tests mit dem hier beschriebenen System und TeCo wurde festgestellt, daß Konflikte zwischen parallel ausgelösten Operationen relativ selten auftreten. Deshalb wurde für die relativ wenigen Konfliktfälle ein "optimistischer Synchronisationsalgorithmus" entwickelt. Die Benutzer können uneingeschränkt Operationen initiieren; in einer Validierungsphase wird anschließend geprüft, ob Konflikte aufgetreten sind. Erkannte Konflikte werden behoben, in dem für parallel ausgelöste konfliktbehaftete Operationen eine Reihenfolge bestimmt wird. Diese Reihenfolge wird meistens durch die Rücknahme von Operationen und Wiederausführen in anderer Reihenfolge implementiert.