2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/15977Das Konzept des digitalen Zwillings, das sich seit Ende des letzten Jahrhunderts zu einem Eckpfeiler vieler Ingenieurdisziplinen entwickelt hat, ist inzwischen auch im Bauingenieurwesen fest verankert. Beim Betrieb und Monitoring von Infrastrukturbauwerken mangelt es jedoch oft an Interoperabilität und objektiv überprüfbaren Qualitätsmerkmalen, was den Spezifika des Bauwesens geschuldet ist, u.a. dem Unikatcharakter der Bauwerke, den komplexen Kommunikationsgeflechten und der Heterogenität der Schnittstellen und Modelle. Um die Qualität digitaler Zwillinge im Bauwesen zu verbessern und das Potential voll auszuschöpfen, ist zunächst ein klares mathematisches Verständnis der semantischen Struktur von digitalen Zwillingen erforderlich, was wiederum ein allgemeingültiges Beschreibungskalkül und mathematisch abgesicherte Konzepte zur Qualitätsbewertung (einschließlich Konsistenzprüfung, Verifikation und Validierung) erfordert. Das beantragte Forschungsvorhaben zielt darauf ab, ein bauinformatisch-mathematisches Theoriengebäude bereitzustellen, das eine zuverlässige Qualitätsbewertung digitaler Zwillinge in allen Entwurfsphasen und auf allen Abstraktionsebenen ermöglicht. Im beantragten Forschungsvorhaben wird der Fokus auf digitale Zwillinge für Infrastrukturbauwerke gelegt, obschon alle Ansätze allgemeingültig ausgelegt sind. Zunächst wird eine Domänenanalyse zur taxonomischen Repräsentation digitaler Zwillinge durchgeführt. Das weitere Arbeitsprogramm widmet sich sodann drei Abstraktionsebenen, auf denen jeweils (i) Modellierungskonzepte und (ii) Ansätze zur Qualitätsbewertung ebendieser Konzepte vorgeschlagen werden. Die Modellierungskonzepte koppeln abstrakte mathematische Ansätze auf Basis relationaler Algebra, kategorialen Ontologieprotokollen und Typentheorie ("Meta-Metamodellierung"), ingenieurverständliche, diagrammatische Semantik ("Metamodellierung") sowie etablierte Ingenieurmodelle aus der Numerik und dem Building Information Modeling ("Modellierung"). Die Ansätze zur Qualitätsbewertung basieren im Wesentlichen auf einem abstrakten mathematischen Beschreibungskalkül, auf Modellnutzwert-basierten Metriken sowie auf einer Tangle-basierten Blockchain-Architektur, die eingeführt wird, um die digitalen Zwillinge lebensdauerbegleitend zu validieren. Es wird erwartet, dass ein mathematisches Verständnis der semantischen Struktur von digitalen Zwillingen formalisiert werden kann und – darauf aufbauend – objektiv überprüfbare, allgemeingültige semantische Modellierungskonzepte für digitale Zwillinge im Bauwesen bereitgestellt werden können. Modellierungsfehler können bereits in frühen Entwurfsphasen vermieden, die Implementierung unabhängig von den verwendeten Technologien zielgerichtet durchgeführt und letztlich eine tragfähige Basis zur Qualitätssteigerung von digitalen Zwillingen im Bauwesen bereitgestellt werden.The digital twin concept has matured into a crucial cornerstone of many engineering disciplines since the end of the last century. Digital twins in civil engineering, however, are usually tailored to specific use cases, due to the unique character of civil engineering structures, or to specific subsystems of structures (e.g. structural subsystem, mechanical subsystem). The uniqueness of digital twins in civil engineering, the complex communication networks, and the heterogeneity of interfaces and models comprising the digital twins result in a lack of interoperability and objective quality assurance strategies. To improve quality and fully exploit the potential of digital twins in civil engineering, a clear mathematical understanding of the semantic structure of digital twins is required, which will provide formal concepts for quality assurance (including consistency checks, verification, and validation) of digital twins. The proposed project aims to provide a methodology to enable reliable quality assurance of digital twins in all design phases and at all levels of abstraction from which the design phases will pass – from creating abstract, conceptual models to implementing specific, practical applications. In the proposed project, the focus is placed on digital twins for infrastructure, although all approaches proposed in this project will be generally applicable. First, a domain analysis for taxonomic representation of digital twins will be performed to appropriately describe concepts and entities relevant to digital twins. Next, the work program is devoted to three levels of abstraction. On each level, (i) modeling concepts and (ii) approaches towards quality assurance of these modeling concepts will be proposed. The modeling concepts will couple abstract mathematical approaches based on relational algebra, categorical ontology protocols, and type theory ("meta-metamodeling"), diagrammatic semantics that are easily comprehensible by engineers ("metamodeling"), and engineering models established in numerical analysis and building information modeling ("modeling"). The approaches towards quality assurance are essentially based on an abstract mathematical description, utility-based metrics, and a tangle-based blockchain architecture, introduced to validate the digital twins during their lifetime. It is expected that a mathematical understanding of the semantic structure of digital twins will be formalized. On this basis, it is further expected that objectively verifiable and generally applicable semantic modeling concepts for digital twins in civil engineering will be provided, serving as a basis for quality assurance at all levels of abstraction. Modeling errors will be avoided in early design phases, the digital twin implementation will be efficient and technology-independent, entailing a viable basis for increasing the quality of digital twins for civil infrastructure.