Metaisierungskonzept für das automatisierte Bauwerksmonitoring
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nicht zuletzt aufgrund alternder Infrastruktur, erhöhten Verkehrsaufkommen und steigenden Umwelteinflüssen gewinnt das automatisierte Bauwerksmonitoring (engl. Structural Health Monitoring, SHM) nach wie vor stetig an Bedeutung, um Bauwerke hinsichtlich ihres Zustands zu überwachen und die prädiktive Instandhaltung zu stützen. Durch die Verfügbarkeit von drahtlosen Monitoringsystemen tritt zudem eine kostengünstige Alternative zu den bislang mehrheitlich eingesetzten kabelgebundenen Systemen zunehmend in den Vordergrund des Interesses. Komplexe Modelle – zum Teil auch mehrfach gekoppelte Partialmodelle – die, ebenso wie Algorithmen, in die drahtlosen Sensorknoten eingebettet sind, ermöglichen es, dass sich Monitoringsysteme mit einer gewissen Intelligenz ausstatten lassen, sodass hocheffiziente Systeme bereitgestellt werden, die zum Teil selbständig, aber auch verteilt-kooperativ arbeiten und flexibel auf Änderungen der überwachungstechnischen Randbedingungen reagieren können. Um die Monitoringqualität und die Qualität der Zustandsanalysen zuverlässig bewerten und Monitoringsysteme schon in der Entwurfsphase optimieren zu können, müssen die Monitoringsysteme semantisch korrekt beschrieben werden. Grundsätzlich eignen sich hierfür auf formaler Mathematik basierende Metamodellarchitekturen, wobei bestehende Ansätze jedoch nicht auf die Spezifika des automatisierten Bauwerksmonitorings angewendet werden können, da das zu formalisierende Wissen oft sehr informell und unstrukturiert ist und aus heterogenen Quellen stammt, die wiederum auf verschiedenen Skalen sowie in verschiedenen Subdomänen und teilweise sogar domänenübergreifend situiert sind. In diesem Projekt wurde ein Metaisierungskonzept entwickelt und erprobt, das als ganzheitliche Metamodellarchitektur eine formal abgesicherte, semantische Beschreibung von automatisierten Bauwerksmonitoringsystemen ermöglicht. Das Metamodell gibt Auskunft darüber, wie Modelle des automatisierten Bauwerksmonitorings aufgebaut sein müssen und welche Modellelemente und Beziehungen definiert werden müssen. Insbesondere enthält das Metamodell eindeutige Aussagen darüber, in welcher Form die Daten (bzw. die entsprechenden Informationen oder auch das Wissen) und die Systemkomponenten sowie deren Beziehungen untereinander dargestellt werden. Als Spezialfälle von Systemkomponenten schließt dies insbesondere sensorseitige physikalisch orientierte, datenbasierte und hybride Partialmodelle ein, die wiederum in serverseitigen Gesamtmodellen synthetisiert werden können. Dabei wurden im Speziellen auch Modellierungsfehler untersucht. Während Fehler bei der Instanzmodellierung relativ gut erkannt werden können, werden abstrakte Modellierungsfehler von heutigen Modellierungsmethoden noch nicht angemessen erfasst. Deshalb wurde ein auf der Typentheorie basierender Ansatz vorgeschlagen, um Fehler bereits in frühen Phasen der Modellierung zu detektieren. Hierbei wurde eine zentrale Forschungshypothese bestätigt, wonach die Komplexität der Modelle kein Garant für qualitativ hochwertige Zustandsanalysen ist. Die Eignung des Metaisierungskonzepts wurde anhand von Laborversuchen und anhand von realen Messdaten belegt. Hierzu wurden die zuvor noch abstrakt-mathematischen und allgemeingültigen Metamodelle als konkrete Modellinstanzen von Bauwerksmonitoringsystemen prototypisch implementiert. Bei der Implementierung nahm die BIM-basierte Modellierung einen großen Raum ein und der Industry Foundation Classes (IFC)-Standard wurde so erweitert, dass neben Gebäuden und Infrastrukturbauwerken auch automatisierte Bauwerksmonitoringsysteme standardkonform beschrieben werden können. Ferner wurden parametrische Modellierungskonzepte umgesetzt, um semi-automatisierte Modellanpassungen beim Entwurf von Bauwerksmonitoringsystemen und eine einfache Optimierung der Modellparameter hinsichtlich Zuverlässigkeit und Robustheit zu gewährleisten. Schließlich konnte die angestrebte Allgemeingültigkeit des Metaisierungskonzepts anhand der Übertragbarkeit auf andere Problemfelder nachgewiesen werden, wie die sensorbasierte Modellierung von cyber-physischen Systemen, kognitiven Bauwerken, additiven Fertigungsprozessen und Kläranlagen. In die Ingenieurpraxis übertragen, kann mit diesem Metaisierungskonzept die Monitoringqualität und damit die Qualität der Zustandsanalysen gezielt gesteigert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
2017. A categorical approach towards metamodeling cyber-physical systems. In: Proceedings of the 11th International Workshop on Structural Health Monitoring (IWSHM). Stanford, CA, USA, 09/12/2017
Legatiuk, D., Theiler, M., Dragos, K. & Smarsly, K.
-
2017. BIM-based design of structural health monitoring systems. In: Proceedings of the 11th International Workshop on Structural Health Monitoring (IWSHM). Stanford, CA, USA, 09/12/2017
Theiler, M., Dragos, K. & Smarsly, K.
-
2018. IFC Monitor – An IFC extension for modeling structural health monitoring systems. Advanced Engineering Informatics, 37(2018), pp. 54-65
Theiler, M. & Smarsly, K.
-
2018. Parametric Information Modeling of Cyber-Physical Systems based on Industry Foundation Classes. In: Proceedings of the 16th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering (ICCCBE). Tampere, Finland, 06/05/2018
Theiler, M. & Smarsly, K.
-
2019. A metamodel for cyber-physical systems. Advanced Engineering Informatics, 41(2019), 100930
Fitz, T., Theiler, M. & Smarsly, K.
-
2019. A semantic model for wireless sensor networks in cognitive buildings. In: Proceedings of the ASCE International Conference on Computing in Civil Engineering. Atlanta, GA, USA, 06/17/2019
Ibanez, S., Fitz, T. & Smarsly., K.
-
2019. Metamodeling wireless communication in cyber-physical systems. In: Proceedings of the 26th International Workshop on Intelligent Computing in Engineering (EG-ICE). Leuven, Belgium, 06/30/2019
Smarsly, K., Fitz, T. & Legatiuk, D.
-
2020. BIM-based concrete printing. In: Proceedings of the International ICCCBE and CIB W78 Joint Conference on Computing in Civil and Building Engineering 2020. Sao Paolo, Brazil, 08/18/2020
Smarsly, K., Peralta, P., Luckey, D., Heine, S., & Ludwig, H.-M.
-
2020. Metaization concepts for monitoring-related information. Advanced Engineering Informatics, 46(2020), 1011158
Theiler, M., Legatiuk, D., Ibanez, S. & Smarsly, K.
-
2021. An IFC schema extension for BIM-based description of wastewater treatment plants. Automation in Construction, 129 (2021), 103777
Söbke, H., Peralta, P., Smarsly, K., & Armbruster, M.
