Experimentelle Entwicklung einer Datenplattform zur sensorbasierten Bauwerksüberwachung

Description

Die Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg (HSU) hat am 11. August 2020 gemeinsam mit der Universität der Bundeswehr München das neue "Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr" (kurz dtec.bw) gegründet. In dem dtec.bw-Projekt UT 7019 „Digitalisierung von Infrastrukturbauwerken zur Bauwerksüberwachung: Structural Health Monitoring“ (SHM) forscht die HSU nach Methoden, die unter der Nutzung von Daten verschiedener Sensoren die zuverlässigkeitsbasierte Zustandsbewertung von bestehenden Infrastrukturbauwerken erlauben. Auftragsgegenstand ist die experimentelle Entwicklung einer Datenplattform zur sensorbasierten Überwachung von Bauwerken. Hierfür beabsichtigt die HSU, mit Wölfel Engineering GmbH & Co. KG (Wölfel) zu kooperieren, indem Wölfel die Datenplattform entwirft, experimentell entwickelt und schließlich demonstriert. Lot 1: Die Zustandserfassung von Infrastrukturbauwerken erfolgt aktuell durch zyklische, alle drei Jahre stattfindende Inspektionen. Neuere Entwicklungen oder die in anderen Industriezweigen etablierte kontinuierliche, sensorbasierte Zustandserfassung bleiben bislang für die Zustandsbewertung von Infrastrukturbauwerken ungenutzt. Im Projekt „Digitalisierung von Infrastrukturbauwerken zur Bauwerksüberwachung: Structural Health Monitoring“ sollen Daten aus dem Structural Health Management (SHM) und dem Building Information Modeling (BIM) in einer lückenlosen digitalen Prozesskette zusammengeführt und auf Basis aller zu Verfügung stehenden Daten eine kontinuierliche Zustandsbewertung realisiert werden. Es besteht ein Allgemeininteresse an der Erhaltung moderner Infrastrukturen und so fügen sich die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Rahmen des Projekts optimal in die Nationale Strategie zum Schutz Kritischer Infrastrukturen (KRITIS-Strategie) ein. Die HSU verfolgt mit ihren Kooperationspartnern das Forschungsziel, die Thematik hinsichtlich der Methodik systematisch und vollumfänglich für das Bauwesen zu erschließen und bestehende Forschungslücken zu schließen. Forschungslücken bestehen derzeit insbesondere bei der Suche nach und der Entwicklung von: - allgemeingültigen Konzepten und Methoden, die für eine Vielzahl von Bauwerken einsetzbar sind, - einer geeigneten skalenübergreifenden Modellbildung, - einer effizienten Sensoranzahl- und Platzierung, - einer funktionierenden Datenanalyse, - dem Einsatz von Grey-Box-Modellen zur Schadensanalyse, - Methoden zur Zuverlässigkeitsbewertung und Qualitätssicherung, - einer zielführenden Implementierung von SHM-Daten im Rahmen von BIM, - geeigneten Datenformaten und Schnittstellen. Kooperationspartner der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg (HSU) ist Wölfel. Das Ziel der Zusammenarbeit mit Wölfel ist die experimentelle Entwicklung einer übergeordneten Datenplattform, die für alle am Projekt beteiligten Forschungspartner eine IT- und Daten-Infrastruktur sowie Software und weitere datenbezogene Services bereitstellt und die eine Integration der verschiedenen im Projekt zu entwickelnden Analyse- und Modellierungswerkzeuge ermöglicht. Eine experimentelle Entwicklung der Datenplattform durch Wölfel ist nötig, weil für die Gesamtheit der Aufgabenstellungen im Rahmen des Projektes keine fertigen Lösungen am Markt existieren. Wölfel wird daher aktiv in das Forschungsvorhaben eingebunden und erbringt folgende Leistungen: - Im ersten Arbeitsschritt erforscht Wölfel neue Konzepte für die verteilte Erfassung großer Sensordatenmengen, die dezentrale Vorverarbeitung („Edge“), die Kommunikation mit der zentralen Datenmanagement-Komponente über schmalbandige (Mobilfunk-) Netze und die Verteilung hybrider FEM-/KI-Modelle an die dezentralen Edge-Knoten (Bauwerksrechner). - Im zweiten Arbeitsschritt entwirft Wölfel die Gesamtkonzeption eines Multi-Domain-Daten-Modells, das strukturelle Details aus verschiedenen Modellen und Bauwerken miteinander verbindet. Zudem konzipiert und entwickelt Wölfel ein Detaildatenmodell. - Im dritten Arbeitsschritt erweitert Wölfel die zuvor entwickelten Lösungen um die Detailkonzeption der Domänen und Integrationsmodelle für strukturelle BIM-, 3D-Geometrie-Modelle sowie FE-Modelle. - Im vierten Arbeitsschritt erweitert Wölfel das Multidomänenmodell um hybride Szenario- und Prognosemodelle zur Integration von Black-Box- und White-Box-Modellen. Hierfür erforscht es neue Daten- und Software-Ansätze und experimentiert mit diesen. - Im letzten Arbeitsschritt demonstriert Wölfel die entwickelte Datenplattform und das Monitoring-Konzept.