2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15970Befördert durch die rasanten Fortschritte in den Informations- und Kommunikationstechnologien sowie durch die zunehmende Informatisierung im Bauwesen (Industrie 4.0, Internet der Dinge, Digital Engineering) hat sich in den letzten Jahren das automatisierte Bauwerksmonitoring auf der Grundlage von Sensornetzen 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 das beantragte 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. 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.With the advances in information and communication technologies and the pervasive informatization in civil engineering (Industry 4.0, Internet of Things, Digital Engineering), structural health monitoring based on decentralized sensor networks is increasingly drawing research attention. For automated structural health monitoring, interacting (wireless or tethered) sensor nodes, equipped with embedded intelligence, are spatially distributed in civil infrastructure systems. Referred to as "smart structures" or "intelligent infrastructure", the sensor nodes are capable of autonomously collecting sensor data and, using embedded algorithms, of processing and analyzing sensor data on board in real time. Recent research projects have demonstrated that not only algorithms can be embedded into the sensor nodes; using appropriate decomposition strategies, also models can be embedded into the sensor nodes, such as hybrid, multi-coupled numerical models, which digitally represent the monitored structure in a fully decentralized manner. Thus, it can be expected that next-generation assessment of civil infrastructure is no longer either monitoring-based or model-based. Instead, a new multi-paradigm approach evolves, merging monitoring-based and model-based structural assessment. To precisely evaluate the quality of the structural assessment, which is not sufficiently possible using current state-of-the-art methods, the proposed research project aims at developing a metaization concept, resulting in a holistic metamodel architecture. The technological nucleus of the metamodel architecture - the metamodel - is a metalinguistic instrument to be used for holistic modeling and digital representation of structural health monitoring (SHM) systems, including all system components and relationships (also: "couplings", "relations" or, in a mathematical sense, "transfer functions") between the system components. As a result, it is expected that the well-defined formalism provided by the metamodel architecture enables a lifecycle-oriented documentation and a continuous updating of all monitoring-related information. In consequence, the monitoring quality, and thus the quality of structural assessment, can substantially be enhanced. The central question related to the principle of parsimony within SHM, commonly known as "Ockham's razors", is to be is to be answered: How complex and resource-consuming must the models be and how simple and resource-efficient can the models be in order to meet the requirements imposed on the quality of structural assessment? To validate the proposed metaization concept, different model classes relevant to typical SHM problems will be considered in a multi-stage validation strategy, using both laboratory tests as well as sensor data taken from civil infrastructure systems in operation.