Metaisierungskonzept für das automatisierte Bauwerksmonitoring

Kurzfassung
Das automatisierte Bauwerksmonitoring auf der Grundlage von Sensornetzen hat sich als besonders effizient erwiesen. Technologische Basis sind kommunizierende und mit eingebetteter Intelligenz ausgestattete (drahtlose oder kabelgebundene) Sensorknoten, die räumlich verteilt im Bauwerk installiert sind. Die Sensorknoten sind in der Lage, Messdaten nicht nur zu erfassen, sondern diese unter Nutzung von eingebetteten Algorithmen – im Sinne eines so genannten „intelligenten Bauwerks“ – direkt vor Ort bedarfsgerecht zu verarbeiten und verteilt-kooperativ zu analysieren. Aktuelle Forschungsergebnisse belegen eindrucksvoll, dass nicht nur Algorithmen in die Sensorknoten eingebettet werden können, sondern dass es auch möglich ist, komplexe Modelle unterschiedlichster Ausprägungen über geeignete Dekompositionsstrategien in Form von hybriden, mehrfach gekoppelten Partialmodellen in die Sensorknoten zu implementieren. Zukünftige Zustandsanalysen von Ingenieurbauwerken sind somit nicht mehr ausschließlich Monitoring-basiert oder ausschließlich Modell-basiert, sondern es entsteht ein neuartiger multi-paradigmaler Problemlösungsansatz, der die bislang separat eingesetzten Monitoring- und Modell-basierte Zustandsanalysen ineinander verschränkt.

Um die Qualität der Zustandsanalysen zutreffend bewerten zu können, was gegenwärtig nicht zufriedenstellend möglich ist, zielt dieses Forschungsvorhaben darauf ab, ein fundiertes, mathematisch abgesichertes Metaisierungskonzept zu entwickeln und zu erproben. Das Resultat ist eine ganzheitliche Metamodellarchitektur, deren Kern – das Metamodell – ein metasprachliches Beschreibungskalkül zur vollständigen Modellierung von automatisierten Bauwerksmonitoringsystemen bereitstellt (Abbildung 1). Eine ganzheitlich ausgelegte, semantisch korrekte Modellierung ermöglicht eine digitale, Lebenszyklus-begleitende Archivierung und Aktualisierung von allen Monitoring-relevanten Informationen und eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Optimierung von Bauwerksmonitoringsystemen schon in der Entwurfsphase. Es wird erwartet, dass die Monitoringqualität und damit die Qualität der Zustandsanalysen gezielt gesteigert und die zentrale Frage des gemeinhin als "Ockham‘s Razor" bekannten Sparsamkeitsprinzips beantwortet werden kann: Wie komplex und rechenintensiv müssen die Modelle im automatisierten Bauwerksmonitoring sein (und wie simpel dürfen sie sein), um eine definierte Mindestqualität der Zustandsanalysen zu erfüllen? Die Validierung des entwickelten Ansatzes erfolgt anhand verschiedener, für das Bauwerksmonitoring relevanter Modellklassen innerhalb einer mehrstufigen Validierungsstrategie sowohl in Laborversuchen als auch über Messdaten von realen Infrastrukturbauwerken.

Abbildung 1: Metaisierungsprinzip mit hierarchischen Abstraktionsebenen.

Projektart
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): Sachbeihilfe
Antragsteller: Prof. Smarsly

Förderdauer
2017 - 2020

Projekt-bezogene Publikationen (Auszug)

  • Theiler, M. & Smarsly, K., 2018. IFC Monitor – An IFC extension for modeling structural health monitoring systems. Advanced Engineering Informatics, 37(2018), S. 54-65.
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  • Theiler, M., Dragos, K. & Smarsly, K., 2018. Semantic description of structural health monitoring algorithms using building information modeling. In: The 25th International Workshop on Intelligent Computing in Engineering (EG-ICE). Lausanne, Schweiz, 10.06.2018.
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  • Theiler, M. & Smarsly, K., 2018. Parametric Information Modeling of Cyber-Physical Systems based on Industry Foundation Classes. In: The 16th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering (ICCCBE). Tampere, Finnland, 05.06.2018.
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  • Smarsly, K., Theiler, M & Dragos, K., 2017. IFC-based modeling of cyber-physical systems in civil engineering. In: Proceedings of the 24th International Workshop on Intelligent Computing in Engineering (EG-ICE). Nottingham, Vereinigtes Königreich, 10.07.2017 (eingereicht).
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  • Legatiuk, D., Theiler, M., Dragos, K. & Smarsly, K., 2017. A categorical approach towards metamodeling cyber-physical systems. In: Proceedings of the 11th International Workshop on Structural Health Monitoring (IWSHM). Stanford, CA, USA, 12.09.2017.
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Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Kay Smarsly
Bauhaus-Universität Weimar
Informatik im Bauwesen
Coudraystraße 7, Raum 518
99423 Weimar
E-Mail: kay.smarsly[at]uni-weimar.de