2023-12-082023-12-08https://hdl.handle.net/11420/44539Die Baustellen der Zukunft, so genannte "smarte Baustellen", sind durch Digitalisierung, Automatisierung und Vernetzung geprägt. Subsumiert unter "Bauen 4.0" beschreiben diese Konzepte die vierte Revolution im Bauwesen, die mit einem vermehrten Einsatz von zum Teil sehr heterogenen Robotersystemen einhergeht. Eine bislang überwiegend von Menschen ausgeführte Aufgabe, die zunehmend von Robotersystemen übernommen wird, sind Inspektionen von Infrastrukturbauwerken, z.B. (1.) zur Kontrolle von Ist-Zuständen und zur Erfassung von Mängeln während der Bauphase oder (2.) zur gesetzlich vorgeschriebenen, regelmäßigen Dokumentation des Bauwerkszustandes während der Betriebsphase. Dafür ist es notwendig, Inspektionsrouten zu ermitteln und diese ggf. auf die an den Bauwerksinspektionen beteiligten Robotersystemen zu verteilen. Da sich digitale, standardkonforme Bauwerksmodelle in vielen Bereichen des Bauwesens bereits etabliert haben und teils gesetzlich vorgeschrieben sind, ist es naheliegend, digitale Bauwerksmodelle oder bestehende digitale Zwillinge als konzeptuelle Basis für Routenberechnungen heranzuziehen. Aktuell ist es jedoch nicht möglich, Roboterinformationen vollumfänglich mit Bauwerksinformationen zu koppeln und somit eine effiziente Ermittlung von Inspektionsrouten sowie eine reibungslose Kommunikation zwischen den Robotersystemen bzw. Roboterflotten zu gewährleisten. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Bereitstellung einer Methodik zur Automatisierung von roboterbasierten Bauwerksinspektionen auf der Basis von digitalen Bauwerksmodellen. Hierfür wird die Forschungshypothese aufgestellt, dass sich Inspektionsrouten für Roboterflotten auf Basis von (a) Roboterinformationen und (b) Bauwerksinformationen aus digitalen Bauwerksmodellen unter Berücksichtigung der jeweiligen Inspektionsaufgabe zuverlässig ermitteln lassen. Die Semantik der digitalen Bauwerksmodelle, in denen alle für die Routenberechnungen erforderlichen Informationen implizit vorhanden sind, dient als formale Grundlage, um Roboter- und Bauwerksinformationen zu koppeln. Die Kopplung erfolgt - unter Berücksichtigung bestehender Wissensquellen - über Framesemantik als Wissensrepräsentationsform, die als etablierte kognitionswissenschaftliche Methodik in der Semantikforschung linguistisch fundiert ist. Das Wissen wird in linguistische Metamodelle überführt, die als ingenieurverständliche Ontologien repräsentiert werden und eine Generierung von spezifischen Inspektionsmodellen erlauben. Schließlich werden standardkonforme Bauwerksinformationsmodelle eingesetzt, um die Methodik anhand eines Demonstratorbauwerks zu validieren. Im Ergebnis wird erwartet, dass das beantragte Forschungsvorhaben eine wissenschaftlich abgesicherte Basis für den zuverlässigen und effizienten Einsatz autonomer Robotersysteme zur Inspektion von Infrastrukturbauwerken bereitstellt, insbesondere, um fundiert beurteilen zu können, inwieweit Robotersysteme herkömmliche Bauwerksinspektionen verbessern können.Future construction sites, frequently referred to as "smart construction sites", will be characterized by digitalization, automation, and interconnection. Subsumed under "Construction 4.0", smart construction sites realize the fourth revolution in construction, taking advantage of the momentum gained from the progress in robotic systems research and development. Robotic systems are increasingly deployed to automate inspections of civil infrastructure both in the construction phase and in the operation phase. To conduct robot-based inspections, inspection routes must be calculated and, if necessary, the routes of robotic fleets, collaboratively conducting inspection tasks, must be minimized and efficiently distributed. Since using digital building models, i.e. building information models, is mandatory in many areas of public construction, it is reasonable to use building information models as a conceptual basis for calculating inspection routes. Currently, however, it is hardly possible to fully integrate robot information into digital building models, which would enable efficient communication and coordination among robotic systems. This research project aims to provide a methodology for automating robot-based inspections using digital building models as a conceptual basis. The research hypothesis, formulated to achieve this aim, can be reduced to the following simple statement: Once an inspection task is specified, the inspection routes for robot fleets can reliably be calculated, based on (i) robot information and (ii) building information derived from digital building models. In this project, the semantics inherent to digital building models, which implicitly contain the information relevant to route calculation, serve as a formal basis for coupling robot and building information. Taking into account existing knowledge sources, the coupling is performed through frame semantics as a formal means for knowledge representation, since frame semantics are linguistically founded in cognitive science and have proven to be a powerful tool in construction grammar and computational linguistics. The frame-based knowledge, as a cognitive representation of the real world, is then mapped into linguistic metamodels in the form of ontologies, easily comprehensible by engineers, which allow generating specific inspection models. Using a reference bridge, standard-compliant building information models will be applied to validate the methodology. As a result, the research project is expected to provide a formal approach for reliably and efficiently deploying robotic systems to inspect civil infrastructure. It is further expected to provide a robust scientific foundation for assessing the potential of robotic systems to enhance the current state of the art of civil infrastructure inspections.