{"id":19061,"date":"2021-06-15T11:07:00","date_gmt":"2021-06-15T09:07:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sysbus.eu\/?p=19061"},"modified":"2021-06-24T09:51:36","modified_gmt":"2021-06-24T07:51:36","slug":"intelligente-bruecke-mit-digitalem-zwilling-zur-datenbasierten-wartung-und-mehr","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sysbus.eu\/?p=19061","title":{"rendered":"Intelligente Br\u00fccke: Mit digitalem Zwilling zur datenbasierten Wartung und mehr"},"content":{"rendered":"\n

Autoren\/Redakteur: J\u00fcrgen Hamm, Solutions Architect SAP bei NetApp<\/a> und weitere\/gg<\/p>\n\n\n\n

Konventionelles Br\u00fccken-Monitoring umfasst turnusm\u00e4\u00dfige Instandhaltungen, f\u00fcr die es keinen konkreten Befund gibt. Die Technologie \u201eStructural Health Monitoring\u201c, die auf Sensordaten beruht, bewertet hingegen den aktuellen und prognostizierten Bauwerkzustand. Bisher scheiterte dieser Ansatz an der Datenbereitstellung. Ein aktuelles Projekt aus Forschung und Wirtschaft \u00e4ndert dies mit Hilfe digitaler Zwillinge.<\/p>\n\n\n\n

\"J\u00fcrgen<\/a>
J\u00fcrgen Hamm, Solutions Architect SAP bei NetApp – Foto: NetApp<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n\n\n\n\n

In Deutschland gibt es 67.000 Stra\u00dfenbr\u00fccken, um deren Betrieb sich die Kommunen k\u00fcmmern. F\u00fcr die 39.500 Br\u00fccken im Bundesfernstra\u00dfennetz<\/a> ist der Bund zust\u00e4ndig. Die Verantwortlichen m\u00fcssen in beiden F\u00e4llen daf\u00fcr sorgen, dass Bauwerkspr\u00fcfingenieure alle sechs Jahre die Hauptpr\u00fcfung nach DIN 1076 durchf\u00fchren. Die Spezialisten untersuchten hierbei alle Bauteile detailliert. Drei Jahre danach erfolgt jeweils eine einfache Pr\u00fcfung. Stra\u00dfen- und Autobahnmeistereien \u00fcbernehmen zwei Mal im Jahr die erforderlichen Besichtigungen. Dieses Pr\u00fcfprocedere soll etwaige Sch\u00e4den und M\u00e4ngel so fr\u00fch wie m\u00f6glich erkennen, um rechtzeitig reparieren und warten zu k\u00f6nnen. Marode Br\u00fccken, die den Belastungen durch den Verkehr nicht mehr standhalten w\u00fcrden, k\u00f6nnen die Sachverst\u00e4ndigen rechtzeitig sperren, bevor sie zur Gefahr werden. Dieses Vorgehen hat den Bauwerkszustand verbessert. Stellten die Pr\u00fcfingenieure 2008 noch bei 15 Prozent ein \u201enicht ausreichendes\u201c oder \u201eungen\u00fcgendes\u201c Zeugnis aus, lag dieser Anteil 2018 bei 12,1 Prozent, berichtet das Bundesministerium f\u00fcr Verkehr und digitale Infrastruktur<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Trotz dieses Erfolges hat die bisher praktizierte \u00dcberwachung und Wartung entscheidende Nachteile: Sie ist extrem aufwendig und teuer. Zudem finden neben der n\u00f6tigen M\u00e4ngelbeseitigung, ausgel\u00f6st durch die Pr\u00fcfungen, auch Instandhaltungsma\u00dfnahmen statt. Diese resultieren nicht aus dem individuellen Zustand einer Br\u00fccke, sondern sind unabh\u00e4ngig vom Ist-Zustand nach dem Erreichen einer bestimmten Betriebszeit vorgeschrieben. Au\u00dferdem ist in der Regel nicht vorgesehen, die genehmigte Betriebszeit zu verl\u00e4ngern. Bausubstanz wird abgerissen, obwohl das Bauwerk vielleicht doch noch alle Anforderungen erf\u00fcllten k\u00f6nnte. Jedoch wei\u00df man es nicht, weil Daten fehlen, um dieses zu belegen.<\/p>\n\n\n\n

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Quelle: Objective Partner<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Das Prinzip der \u201eIntelligenten Br\u00fccke\u201c in die Praxis \u00fcbertragen<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Umfangreiche, an einer Br\u00fccke installierte Sensoren k\u00f6nnen die n\u00f6tigen Daten im Rahmen eines \u201eStructural Health Monitoring\u201c (SHM) erheben. Diese Technologie verspricht, Sch\u00e4den und M\u00e4ngel an Bauteilen \u2013 wie Risse und Verformungen oder Effekte wie Karbonatisierung und Korrosion \u2013 fr\u00fchzeitig zu erkennen. Verarbeitung, Plausibilisierung und Bewertung der Sensordaten f\u00fchren zu detaillierten Aussagen \u00fcber den aktuellen Zustand. Zudem lassen sich Prognosen treffen. Der Ansatz funktioniert jedoch nur theoretisch, weil es sich in der Praxis als schwierig erweist, die \u00dcbermittlung und Speicherung der Sensordaten umzusetzen.<\/p>\n\n\n\n

An diesem Punkt setzt ein Gemeinschaftsprojekt an, an dem die Universit\u00e4t der Bundeswehr M\u00fcnchen, die Bundesanstalt f\u00fcr Materialforschung und -pr\u00fcfung (BAM), das Fraunhofer Institut f\u00fcr Experimentelles Software Engineering (IESE), die Objective Partner AG, NetApp und das Fraunhofer-Institut f\u00fcr Integrierte Schaltungen (IIS) zusammenarbeiten. Die Projektpartner konzipieren und realisieren seit 2020 eine Dateninfrastruktur f\u00fcr die Heinrichsbr\u00fccke in Bamberg, die damit zum Prototypen einer intelligenten Br\u00fccke wird. Bei einem solchen Bauwerk erfolgt die Wartung nach der tats\u00e4chlichen Notwendigkeit und nicht nach vorgegebenen Intervallen.<\/p>\n\n\n\n

Nur auf die Sensordaten zu setzen, w\u00fcrde jedoch den Blick ins Bauwerk stark verengen. Aus dem Grund erfasst das Projekt s\u00e4mtliche verf\u00fcgbaren Daten, die in unterschiedlichen Formaten vorliegen oder nur analog bereitstehen. Dieses un\u00fcbersichtliche Reservoir speist sich aus den Best\u00e4nden der Beteiligten. Bauingenieure, Bautr\u00e4ger, Forscher und weitere Organisationen, die an der Br\u00fccke arbeiten, sammeln alle ihre eigenen Daten. Eine zentrale Verwaltung dieser Daten fand bis dato nicht statt.  <\/p>\n\n\n\n

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Quelle: BAM\/Universit\u00e4t der Bundeswehr<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Viele Sensoren, ein Datenformat<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Als Blaupause f\u00fcr das Br\u00fcckenprojekt dient das Industrie-4.0-Umfeld. In diesem werden Maschinen vernetzt, um miteinander zu kommunizieren. Dahinter steht das Prinzip des digitalen Zwillings, der die reale Produktionsumgebung virtuell abbildet. Diesen Part \u00fcbernimmt in der Fertigung die Software BaSys 4.0<\/a> sowie die Open-Source-Version Eclipse BaSyx<\/a>, die unter Federf\u00fchrung des IESE f\u00fcr Smart Manufacturing entwickelt wurden. Implementiert von der Objective Partner AG, liest bei der Heinrichsbr\u00fccke der digitale Zwilling, erzeugt von Eclipse BaSyx<\/a>, automatisiert die Sensordaten ein.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n\n

Das virtuelle Abbild der Br\u00fccke l\u00e4uft in einem Container, der in einer hyperkonvergenten Infrastruktur aufgesetzt und von Kubernetes orchestriert wird. Diese Dateninfrastruktur folgt dem bew\u00e4hrten Shopfloor-4.0-Konzept von NetApp und wird durch StorageGrid komplettiert. In diesem Objektspeicher des globalen Cloud- und Daten-orientierten Softwareanbieters werden die Messwerte gespeichert und gelabelt, bevor sie der digitale Zwilling l\u00e4dt. Der Objektspeicher h\u00e4lt die erfassten Parameter wie die anderen Bestandsdaten f\u00fcr Analysen hochverf\u00fcgbar. In die Berechnungen und Auswertungen flie\u00dfen alle relevanten Daten in einem einheitlichen Format ein, die eine standardisierte Schnittstelle bereitstellt. Auf diese Weise k\u00f6nnen die Rechner an der Universit\u00e4t der Bundeswehr ein aussagekr\u00e4ftiges und belastbares Verkehrslastmodell f\u00fcr die Heinrichsbr\u00fccke produzieren. Die Projektmacher rechnen derzeit damit, dass der digitale Zwilling im zweiten Quartal 2021 betriebsbereit ist. <\/p>\n\n\n\n

Naheliegende Ergebnisse und greifbare Optionen<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Der digitale Zwilling f\u00fcr die \u201eintelligente Bamberger Br\u00fccke\u201c verkn\u00fcpft Sensordaten mit Bestandsdaten, die sich k\u00fcnftig f\u00fcr Planungs- (Building Information Modeling) und Rechenmodelle nutzen lassen. Im n\u00e4chsten Schritt besteht die M\u00f6glichkeit die Messwerte heranzuziehen, um bestehende Modellierungen zu validieren. Dadurch zeichnen sich Verbesserungen f\u00fcr die Finite-Element-Berechnung ab. Insgesamt wird die Modellierung viel exakter, weil sie auf der tats\u00e4chlichen Belastung der Br\u00fccke beruht. Demzufolge spiegelt die errechnete Prognose plausibel den Zustand wider, an dem sich das Erhaltungsmanagement ausrichtet. Damit wird der Weg f\u00fcr eine gezielte, schnelle, bedarfsgerechte und damit auch wirtschaftliche Wartung frei. Das kann auch die Option einschlie\u00dfen, ein Bauwerk sicher \u00fcber das urspr\u00fcnglich festgelegte Betriebsende weiter zu nutzen.<\/p>\n\n\n\n

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Quelle: Universit\u00e4t der Bundeswehr<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Bei der intelligenten Heinrichsbr\u00fccke in Bamberg muss und darf es nicht bleiben, sondern es gilt den Anwendungsfall f\u00fcr weitere Br\u00fccken zu adaptieren. Infolgedessen lie\u00dfe sich das Modell weiter verbessern und die Aussagen sch\u00e4rfen, inwieweit Verkehr, Wetter und andere Faktoren eine Bausubstanz belasten und sch\u00e4digen. Dar\u00fcber hinaus erscheinen noch weitere Optionen in Zukunft realistisch. In Frage kommen etwa:<\/p>\n\n\n\n

  • Das Anwenden von Wissen und des SHM-Modells mittels digitalen Zwillings f\u00fcr andere Bauwerke.<\/li>
  • Das Entwickeln neuer Baustoffe aus den Erkenntnissen aus der Modellierung.<\/li>
  • 4D-Simulationen eines Bauwerkes, um w\u00e4hrend des Baus Fehler zu erkennen und zu korrigieren.<\/li>
  • Planen und Ausstatten neuer Bauwerke mit Sensoren bereits w\u00e4hrend des Baus.<\/li>
  • Das Entwickeln von KI-Algorithmen, um bisher unbekannte Muster in den Daten zu erkennen.<\/li><\/ul>\n\n\n\n

    Das Zukunftsversprechen<\/strong><\/p>\n\n\n\n

    Mit dem Anwenden eines digitalen Zwillings f\u00fcr Br\u00fccken l\u00e4sst sich eine solide Datenbasis schaffen, die eine exakte Berechnung erm\u00f6glicht. Die darauf aufbauende Modellierung wird die Belastung und den Zustand des Bauwerks so abbilden, das ein v\u00f6llig anderes Erhaltungsmanagement m\u00f6glich ist. Dieses l\u00e4sst eine datenbasierte Aussage zu, ob und welche Wartungen wann tats\u00e4chlich n\u00f6tig sind. Das Potenzial des \u201eStructural Health Monitorings\u201c ist deshalb enorm, da dieser Ansatz nicht auf Br\u00fccken beschr\u00e4nkt bleiben muss, sondern auch auf andere Bauwerke angewandt werden kann.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Konventionelles Br\u00fcckenmonitoring umfasst turnusm\u00e4\u00dfige Instandhaltungen, f\u00fcr die es keinen konkreten Befund gibt. Die Technologie \u201eStructural Health Monitoring\u201c, die auf Sensordaten beruht, bewertet hingegen den aktuellen und prognostizierten Bauwerkzustand. Bisher scheiterte dieser Ansatz an der Datenbereitstellung. Ein aktuelles Projekt aus Forschung und Wirtschaft \u00e4ndert dies mit Hilfe digitaler Zwillinge.<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":19120,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"colormag_page_container_layout":"default_layout","colormag_page_sidebar_layout":"default_layout","footnotes":""},"categories":[8,14917],"tags":[979,14937,14939,4695,3414,14940,14938],"class_list":["post-19061","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-artikel","category-digitalisierung","tag-bam","tag-bruecken-monitoring","tag-iese","tag-iis","tag-netapp","tag-objective-partner","tag-structural-health-monitoring"],"amp_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/19061","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=19061"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/19061\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":19192,"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/19061\/revisions\/19192"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/19120"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=19061"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=19061"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sysbus.eu\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=19061"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}