Dezentrale digitale Zwillinge für das Bauwerksmonitoring

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kay Smarsly
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542312939

Einhergehend mit dem digitalen Wandel stützt sich das Bauwerksmonitoring zunehmend auf drahtlose Sensornetze, die Bauwerksdaten für Offline-Datenanalyse an Zentralrechner übertragen. Dieser Ansatz geht jedoch mit mehreren Problemen einher, da (1.) die steigenden Anforderungen an die Datenhaltung unter Umständen schwierig zu erfüllen sind, (2.) die Analyse großer Datenmengen leistungsstarke Datenbanksysteme und komplexe Algorithmen erfordert und (3.) die drahtlose Datenübertragung Probleme hinsichtlich Datensicherheit und Datenverlusts verursachen kann. Deshalb konzentrieren sich aktuelle Forschungsansätze zunehmend auf die Dezentralisierung der Datenanalysen durch die Einbettung datenbasierter Modelle direkt in die Mikrocontroller der Sensorknoten, sodass die Analysen unmittelbar in den Sensorknoten erfolgen können. Eingebettete datenbasierte Modelle liefern jedoch nur begrenzte Informationen über Bauwerkszustände, verglichen mit den Informationen, die durch die zentralisierten Offline-Datenanalysen gewonnen werden, die Messdaten mit physikalisch orientierten Modellen (wie Finite-Elemente-Modellen) kombinieren. Somit sind dezentrale Datenanalysestrategien erforderlich, die (a) die Probleme der zentralisierten Datenanalyse vermeiden, zugleich aber (b) reichhaltige Informationen über den Bauwerkszustand liefern. Dieses Projekt zielt darauf ab, eine Methodik für dezentrale Datenanalysen für drahtlose Bauwerksmonitoringsysteme unter Verwendung informationsreicher numerischer Modelle zu entwickeln, bei der miteinander kommunizierende digitale Zwillinge dezentral in die Mikrocontroller der drahtlosen Sensorknoten eingebettet werden. Ein digitaler Zwilling wird zunächst in „partielle digitale Zwillinge“ segmentiert, und jeder partielle digitale Zwilling wird für lokale, verteilt-kooperative Datenanalysen verwendet. Infolgedessen werden die partiellen digitalen Zwillinge im Wesentlichen als „partielle Finite-Elemente-Modelle“ formuliert, die in Teilstrukturen gegliedert und über Schnittstellen gekoppelt sind. Die partiellen digitalen Zwillinge werden hinsichtlich Geometrie, Netzverfeinerung und Rechenaufwand auf die Eigenschaften und Rechenkapazitäten der drahtlosen Sensorknoten zugeschnitten. Das erwartete Ergebnis ist eine Methodik zur Dezentralisierung digitaler Zwillinge für das Bauwerksmonitoring, die es ermöglicht, die Informationsdichte über die Bauwerkszustände im Vergleich zu den bisherigen eingebetteten datenbasierten Modellen zu erhöhen und Bauwerkszustände detaillierter als bisher zu beschreiben. Es wird deshalb ferner erwartet, dass die Effizienz und Robustheit des Bauwerksmonitorings verbessert wird und das moderne Bauwerksmonitoring damit den gestiegenen Anforderungen an eine zunehmend digitalisierte Bauwerkserhaltung im Kontext der Industrie 4.0 gerecht wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen