KI-gestützte Handwaschbewertung für eine sicherere Lebensmittelproduktion
Contec Co., Ltd., ein Mitglied der Daifuku Group, hat ein KI-basiertes Handwasch-Bewertungssystem für den Einsatz in Lebensmittelproduktionsanlagen und Restaurants entwickelt. Das System führt Benutzer durch die korrekten Handwaschvorgänge und dokumentiert die Einhaltung der Vorschriften. Wir sprachen mit Ryota Inoue und Takamichi Yuasa von der Technologieabteilung von Contec über die Entwicklung dieser innovativen Lösung.
Beginnen Sie mit den betrieblichen Anforderungen
Händewaschen ist für die öffentliche Gesundheit von entscheidender Bedeutung und ein wesentlicher Bestandteil der täglichen Abläufe im Gesundheitswesen, in der Krankenpflege und in der Gastronomie. In der Lebensmittelindustrie wurde mit der Überarbeitung des japanischen Lebensmittelhygienegesetzes vom Juni 2020 das Hygienemanagement nach HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point), wie von der Codex-Alimentarius-Kommission definiert, zusätzlich zu den bestehenden Praktiken gesetzlich vorgeschrieben. Um die Einhaltung zu unterstützen, veröffentlichte das Ministerium für Gesundheit, Arbeit und Soziales ein Handbuch mit korrekten Handwaschverfahren und empfohlenen Bewegungsabläufen. In der Praxis wird jedoch manchmal nicht vollständig abgespült, die Handgelenke werden möglicherweise übersehen und Mitarbeiter verlassen sich manchmal auf ihre eigenen improvisierten Methoden. Daher legen viele Unternehmen formelle Regeln zum Händewaschen fest und lassen die Einhaltung von Vorgesetzten überprüfen. Dieser Ansatz brachte jedoch auch Herausforderungen mit sich.
„Ein Unternehmen berichtete uns, dass die Mitarbeiter nach jedem Händewaschen Checklisten ausfüllten und die Vorgesetzten die Daten anschließend manuell in das System eingaben“, erinnert sich Yuasa. „Da der Prozess auf Selbstauskunft beruhte, gab es keine Möglichkeit zu überprüfen, ob das Händewaschen richtig durchgeführt wurde. Papierbasiertes Management führte zudem zu Versäumnissen und Ineffizienz. Vorgesetzte erwähnten zudem, dass die Dateneingabe eine große Belastung darstellte. Wir wollten die Qualitätskontrolle beim Händewaschen verbessern und diesen Aufwand reduzieren – und diese Idee wurde zum Ausgangspunkt für die Entwicklung.“
Das IVA-HW100 KI-basierte Handwasch-Bewertungssystem von Contec nutzt einen mit einer Kamera ausgestatteten Edge-Computer an der Waschstation, um das Händewaschen zu überwachen und mithilfe von KI-basierter Bilderkennung festzustellen, ob es korrekt durchgeführt wird. Der Monitor des Systems zeigt außerdem Echtzeitaufnahmen der Benutzer beim Händewaschen sowie Referenzbilder der korrekten Bewegungen. Bei korrekt ausgeführten Schritten weist das System die Benutzer darauf hin. Durch die Befolgung dieser Bildschirmanweisungen verinnerlichen die Mitarbeiter mit der Zeit die richtige Methode. Sobald die gesamte Sequenz abgeschlossen ist, werden die Ergebnisse automatisch aufgezeichnet, sodass Vorgesetzte problemlos auf Compliance-Daten zugreifen können, ohne diese manuell eingeben zu müssen.
AI Handwashing Assessment System-Monitor und Probenauswertungsergebnisse
Sicherstellung einer präzisen KI-Erkennung in verschiedenen Händen
Das Herzstück des Handwasch-Bewertungssystems ist die KI zur Bilderkennung. Das Team erwog zunächst, Fingermerkmale ähnlich wie bei der Bewegungserfassung zu extrahieren und zu modellieren und dabei eine 3D-Kamera zur Erkennung zu verwenden. Aufgrund der Seifenblasen und des fließenden Wassers während des Waschens war diese Methode jedoch unzuverlässig.
„Etwa zur gleichen Zeit gewann die KI-Forschung im Unternehmen an Dynamik“, erinnert sich Inoue. „Wir dachten, wenn die KI schon so weit fortgeschritten ist, könnte vielleicht eine Standard-2D-Kamera mit Bilderkennung effektiv sein. Das war der Anstoß, der die Entwicklung vorantrieb.“
Kamerabasierte Handwascherkennung
Für die Bilderkennungs-KI ist eine leistungsstarke GPU erforderlich, teure Komponenten waren jedoch aus Kostengründen nicht möglich. Das System musste außerdem kompakt genug für verschiedene Waschanlagenumgebungen sein, in denen der Installationsplatz oft begrenzt ist. Unter Berücksichtigung von Leistung, Preis und Größe entschied sich das Team für NVIDIA. Der Einsatz einer NVIDIA-GPU ermöglichte zudem einen reibungslosen Übergang vom serverbasierten KI-Training zur Ausführung auf dem Edge-Computer.
„Der nächste Schritt bestand darin, einen Datensatz für das Training vorzubereiten“, erklärt Inoue. „Zuerst benutzten wir unsere eigenen Hände, variierten die Menge an Seife und Wasser und filmten aus verschiedenen Winkeln. So konnten wir ein grundlegendes KI-Modell erstellen. Da sich Handformen jedoch stark unterscheiden können, mussten wir den Datensatz noch weiter erweitern.“
„Vielfalt geht über die Form hinaus – auch der Hautton variiert“, ergänzt Yuasa. „Durch Anpassung von Helligkeit, Kontrast, Sättigung und Farbton haben wir den Datensatz um ein Vielfaches vergrößert. Um sicherzustellen, dass das System sowohl mit frontal als auch mit seitlich platzierten Kameras funktioniert, haben wir die KI mit rund 100.000 Bildern für jede Position trainiert. Das Ergebnis ist ein robustes Modell, das Handwaschbewegungen bei einer Vielzahl von Menschen erkennen kann, ohne auf teure 3D-Kameras angewiesen zu sein.“
Um einen reibungslosen Betrieb der KI zu gewährleisten, optimierte das Team auch das System selbst. Die hohe Verarbeitungslast der Echtzeit-Anzeige des Händewaschens führte zu Beginn zu Verzögerungen und Unterbrechungen im Video-Feed.
„Bei einem Standard-PC wird die Desktop-Umgebung beim Start gestartet“, erklärt Inoue. „Wir haben stattdessen eine Befehlszeilenschnittstelle (CUI) eingeführt, die den Ressourcenverbrauch deutlich reduziert. Dadurch funktioniert das Handwaschsystem deutlich reibungsloser.“
Tuning für den Einsatz in der realen Welt
Neben den KI-basierten Bewertungs- und automatischen Aufzeichnungsfunktionen bietet das System auch anpassbare Funktionen. Während das Handbuch des Ministeriums für Gesundheit, Arbeit und Soziales als Standardreferenz für Handwaschbewegungen und -schritte dient, variieren die tatsächlichen Praktiken je nach Branche. Viele Unternehmen haben eigene Richtlinien, und mit dem IVA-HW100 können Benutzer die Abfolge der Schritte, die erforderlichen Posen und die Dauer jedes Schritts anpassen. Auch Umweltfaktoren wurden berücksichtigt. Da die Licht- und Waschbedingungen variieren, verfügt das System über Kameraeinstellungen, um Fehlalarme und Fehlerkennungen zu minimieren.
Zoomen Sie hinein, um es genauer zu betrachten.
„Wir können zwar den Weißabgleich automatisch korrigieren, Helligkeit und Reflexionen erfordern jedoch eine präzisere Abstimmung“, erklärt Yuasa. „Deshalb haben wir eine App für die Kameraeinstellungen entwickelt, mit der Nutzer Helligkeit und Farbe nach Bedarf anpassen können. Der Live-Video-Feed hebt den Erkennungsbereich zudem mit einem roten Rahmen hervor, und die Rahmengröße lässt sich ebenfalls anpassen.“
Für zukünftige Updates sind außerdem neue Funktionen geplant, darunter die Benutzerauthentifizierung.
„Viele Kunden haben nach einer präzisen Methode gefragt, um zu protokollieren, wer sich wann die Hände gewaschen hat“, so Yuasa. „Da die Kameras des Systems auf die Hände gerichtet sind, ist eine Gesichtserkennung nicht möglich. Wir haben die Authentifizierung per IC-Karte in Betracht gezogen, aber an manchen Arbeitsplätzen verbieten Hygienevorschriften die Mitnahme von Karten. Stattdessen entwickeln wir ein kontaktloses Authentifizierungssystem mit Handvenenerkennung. Wir planen, das System kontinuierlich zu erweitern und zu verfeinern und dabei unsere Erkenntnisse in die zukünftige Produktentwicklung einfließen zu lassen.“
Bisher wurde der IVA-HW100 vor allem für Tiefkühlkostfabriken, Fertiggerichtfabriken und Restaurantketten entwickelt. Zukünftig plant Contec die Expansion in Branchen, in denen Hygienemanagement ebenso wichtig ist, wie etwa in der Pharma- und Kosmetikindustrie. Contec expandiert auch ins Ausland, und es liegen bereits Anfragen aus Regionen vor, in denen Hygienemanagement eine große Herausforderung darstellt.
Durch die Anwendung schnell fortschreitender KI-Technologie auf etwas so Alltägliches wie Händewaschen hat dieses Projekt einen neuen gesellschaftlichen Wert in Form eines verbesserten Hygienemanagements geschaffen. Contec und die Daifuku-Gruppe sind weiterhin bestrebt, neue Wege zu beschreiten und diesen Mehrwert in der gesamten Gesellschaft zu schaffen.
Contec Co., Ltd.
Ryota Inoue, Technologieabteilung, IoT-Technologieabteilung, Kommunikationsentwicklungsgruppe
Takamichi Yuasa, Technologieabteilung, Gruppe für angewandte Entwicklung