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Chao Zhang, M.Sc.

Chao Zhang
Contact
+49 531/391-7179
chao.zhang(at)tu-braunschweig.de

Institute of Machine Tools and Production Technology
Langer Kamp 19b
38106 Braunschweig 
Germany

Office: 1. OG, Room 115

Fields of research

  • Digitalization of battery production
  • In-line measurement methods to characterize battery performance
  • Data-driven modeling in battery production
  • Analysis of the eco-efficiency of battery production

 

Current research projects

  • NanoBat - GHz nanoscale electrical and dielectric measurements of the solid-electrolyte interphase and applications in the battery manufacturing line
  • NEWBIE - Next gEneration poWer BatterIEs

  • GIGABAT - Sustainable and digitalized GIGAfactory for BATtery production with made-in-Europe machinery

  • VorWeg - Vorausschauende Wartung mittels elektrischer Leistungsmessung in der Galvanotechnik

 

 

Teaching

  • Supervision of student projects

 

Student theses

Deep reinforcement learning-based dynamic scheduling for different manufacturing shop floor types

The economic and ecological added value for manufacturing companies crucially depends on how efficiently they handle dynamic events in production and conduct real-time scheduling. Individual customer orders present a significant challenge for overall planning. Therefore, both reactive and proactive planning strategies are necessary to increase the agility and robustness of the production system. Rule-based heuristics and metaheuristic algorithms are often used in complex planning tasks. While heuristics provide quick solutions, their rigidity often affects quality. Metaheuristic algorithms iterate various approaches to improve optimization but reach their limits with increasing complexity and often get trapped in local optima, reducing efficiency. Reinforcement Learning (RL) offers a promising alternative here. RL continuously learns from the environment and adapts its strategies, enabling production systems to respond to unexpected events and improve their performance. This leads to more robust and agile planning that is better aligned with the challenges of modern production paradigms.

 In this context, the following research topics are offered as part of the work:

  • Literature review on relevant fundamentals and suitable methodological approaches, including:
      • Fundamentals of (Deep) Reinforcement Learning (DRL)
      • Fundamentals of agent-based process chain simulation
      • AI-based dynamic production scheduling
      • Types of shop-floor production systems (e.g., flow shop, job shop, etc.) relevant to industries like battery manufacturing, surface technology, semiconductor production, and their respective process chains
  • Modeling and simulating production process chains as DRL training environments using open-source tools such as AnyLogic, SimPy, OpenAI Gym etc.
  • Defining appropriate state space, action space, and reward function for DRL-based dynamic scheduling (e.g., make-span, machine utilization, energy consumption, total tardiness, etc.)
  • Connection and Interaction between production chain simulation models and DRL training algorithms
  • Selection of suitable DRL algorithms for training and validation (e.g., DQN, policy-based algorithms, etc.)
  • Evaluation of productivity, economic, and ecological outcomes based on the defined reward function
  • Critical evaluation and outlook

Depending on the scope of the work, only some of the above points may be covered. Experience with programming languages such as Python and Java is advantageous but not mandatory. If you are interested in these topics, I would be pleased to receive your email with the corresponding documents at chao.zhang@tu-braunschweig.de.


Type:
  • Bachelorarbeit
  • Studienarbeit(Master)
  • Masterarbeit

Subjects: Computer science, mechanical engineering, industrial engineering, electromobility, etc.
Start of thesis: Sofort
Last change: 4/3/2025
Entwicklung von KI-Ansatz zur Geräteidentifikation und -klassifizierung in der Galvanotechnik

Wie viele andere Industriezweige sieht sich die Galvanotechnik mit der Notwendigkeit einer umfassenden Digitalisierung ihrer Prozesse konfrontiert, um Resilienz, Flexibilität und Nachhaltigkeit im Sinne von Industrie 4.0 zu erreichen. Die damit verbundenen Aufgabenstellungen sind jedoch deutlich komplexer als in rein mechanischen Fertigungsprozessen, da sie das Zusammenspiel mechanischer Anlagen-komponenten mit elektrochemischer Prozesstechnik erfordern. Aufgrund dieser Interdependenzen zählt die Galvanotechnik zu den anspruchsvollsten Fertigungsverfahren der Metallverarbeitung. Im Vergleich zu hochautomatisierten, rein mechanischen Fertigungsprozessen weist die Galvanotechnik einen signifikanten Rückstand in der Produktionsautomatisierung auf. Dieser Umstand offenbart gleichzeitig ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Prozesseffizienz – insbesondere durch die Implementierung von Industrie 4.0-Digitalisierungskonzepten.

Vor diesem Hintergrund ist ein vorausschauendes Wartungskonzept (Predictive Maintenance) für die Galvanotechnik zu entwickeln, das auf hochaufgelöster Leistungsmessung und der Integration von Manufacturing Execution System (MES)-Daten basiert. Um präventive Wartung zu ermöglichen, muss der Zustand aller zentralen Anlagenkomponenten kontinuierlich überwacht werden. Hierfür sollen relevante Informationen durch breitbandige Strommessung gewonnen werden, indem das aggregierte Leistungssignal systematisch analysiert wird. Der erste Schritt umfasst die eindeutige Identifikation einzelner Geräte im gemessenen Gesamtsignal. Anschließend erfolgt die Trennung und Rekonstruktion der individuellen Gerätesignale mittels Methoden der Signalverarbeitung wie inverser Fourier-Transformation oder Wavelet-Transformation im Frequenzbereich. Abschließend wird der Zustand der einzelnen Gerätesignale durch Deep-Learning-Methoden modelliert, insbesondere unter Verwendung von Transformer-basierten Algorithmen (Large Language Models). Dieser Ansatz ermöglicht die Vorhersage von Anomalien und erlaubt damit eine vorausschauende Wartung noch vor dem Auftreten kritischer Zustände.

Im Rahmen der Arbeit werden folgende Aufgaben ausgeführt:

  • Literaturrecherche zu Themen 
    • Galvanotechnik und die Prozesskette allgemein
    • Ansätze zur Signalzerlegung
    • KI-Ansätze zur Klassifizierung
  • Vorverarbeitung der zeitlich hochaufgelösten Leistungssignaldaten
  • Implementierung eines Algorithmus zur Trennung überlagerter Leistungssignale
  • Training eines KI-Modells (z. B. CNN, LSTM oder Transformer) zur Geräteklassifizierung
  • Optimierung der Hyperparameter und Validierung anhand realer Daten
  • Bewertung der Vorhersagegenauigkeit anhand definierter Metriken
  • Kritische Würdigung und Ausblick
  • Schriftliche Dokumentation, Abgabe einer elektronischen Version (inklusive Codes) und Präsentation der Ergebnisse 

Type:
  • Projektarbeit (Master Wirtsch.-Ing.)
  • Projektarbeit (Bachelor Maschinenbau)
  • Bachelorarbeit
  • Studienarbeit(Master)
  • Masterarbeit

Subjects: Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen, Informatik o.ä.
Start of thesis: Sofort
Last change: 4/25/2025
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