2024-07-232024-07-23https://hdl.handle.net/11420/48498Monitoring und Inspektionen sind wesentliche Instrumente zur Bewertung und Instandhaltung von Ingenieurbauwerken. Die manuelle Durchführung von Monitoring- und Inspektionsaufgaben kann jedoch zeitaufwändig, fehleranfällig und kostenintensiv sein. Deshalb ist der Einsatz von Robotern vielversprechend, erfordert jedoch robuste Konzepte zur zuverlässigen und effizienten Multi-Roboter-Kollaboration. Bisherige roboterbasierte Ansätze beschränken sich oft auf Roboter ähnlichen Typs und nutzen das semantische Potenzial digitaler Bauwerksmodelle nicht vollständig aus. Auch die Unwägbarkeiten auf Baustellen – im Gegensatz zum Einsatz von Robotern in anderen Disziplinen – stellen die bestehenden Ansätze vor Herausforderungen, die noch nicht zufriedenstellend gelöst wurden. Ziel dieses Teilprojekts ist es, eine wissenschaftlich fundierte Grundlage zur Verbesserung der Multi-Roboter-Kollaboration bereitzustellen, um Monitoring und Inspektionen von Ingenieurbauwerken durch kollaborativ arbeitende Roboter unterschiedlichen Typs zuverlässiger und effizienter als bisher zu gestalten. Hierzu soll die Semantik von bestehenden, digitalen Bauwerksmodellen genutzt werden. Beginnend bei einem gemeinsamen Ausgangspunkt, der alle Teilprojekte mit dem Information-Backbone der gesamten Forschungsgruppe abstimmt, wird ein semantisches Inspektionsmodell entwickelt, das auf einer semantischen Analyse von Ingenieurbauwerken und einer Formalisierung der Monitoring- und Inspektionsaufgaben beruht. Zusätzlich zum semantischen Inspektionsmodell wird ein semantisches Kollaborationsmodell entwickelt, das die Fähigkeiten von Robotern formalisiert. Die Wissensrepräsentation beider semantischer Modelle wird in Form von Ontologien umgesetzt und mit verhaltensbasierten Robotermodellen unter Verwendung von Zustandsautomaten verknüpft. Die Korrektheit der semantischen Modelle wird mittels Model-Checking überprüft. Die Modelle bilden die Säulen für die kollaborative Multi-Roboter-Inspektionsmethodologie, dem Kern dieses Teilprojekts. Die Methodologie ermöglicht auf generische Weise die Generierung und Optimierung von Aufgaben und Plänen für das Monitoring und Inspektionen, basierend auf digitalen Bauwerksmodellen. Die Methodologie integriert hierfür Schlussfolgerungsmechanismen, Beschreibungs- und Temporallogik sowie Multi-Agenten-Technologie. Zur Validierung der Methodologie werden sowohl virtuelle Experimente (d.h. Simulationen) als auch physische Experimente (d.h. Labor- und Feldtests) durchgeführt. Im Ergebnis dieses Teilprojekts wird erwartet, dass Monitoring und Inspektionen von Ingenieurbauwerken durch eine zuverlässige und effiziente Multi-Roboter-Kollaboration verbessert werden können, die für verschiedene Typen von Robotern gültig ist und hierfür die Semantik der im Bauwesen allgegenwärtigen, digitalen Bauwerksmodelle nutzbar macht.Monitoring and inspection, bolstered by the advancements in Internet-of-Things technologies, are vital tools for evaluating the performance of construction projects and, in turn, ensure structural safety, save time, and reduce costs. However, when conducted manually, monitoring and inspection tasks are time-consuming, error-prone, and costly. To overcome these drawbacks, deploying robotic systems to automatically execute monitoring and inspection tasks is a promising approach, which requires robust concepts that ensure reliable and efficient multi-robot collaboration. Although multi-robot collaboration is not new, existing approaches are commonly restricted to robotic systems of one robot type responsible for one task, the potential of the semantics inherent to digital building models has not been fully exploited, and the uncontrolled on-site environments place challenges to the existing approaches that have not yet sufficiently been solved, which, in total, renders multi-robot collaboration in on-site environments a complex engineering task that will be addressed in this subproject. The goal of this subproject is to advance multi-robot collaboration, aiming to support monitoring and inspection of civil engineering structures. Integrating different robot types for solving different tasks, this subproject will take advantage of the semantics provided by existing digital building models. Drawing from a common starting point that aligns all subprojects with the information backbone of the overall research unit, a semantic inspection model will be developed, based on a semantic analysis of civil engineering structures and a formalization of monitoring and inspection activities. In addition to the semantic inspection model, a semantic multi-robot collaboration model for monitoring and inspection of civil engineering structures will be developed by conceptualizing the behavior and capabilities of robots using state machines and class diagrams. The aforementioned semantic models will be formalized in the form of ontologies, and the correctness will be verified through model checking. The semantic models will then converge into a collaborative multi-robot inspection methodology, which represents the core of this sub project. The methodology allows, in a generic way, to generate and optimize tasks and plans for monitoring and inspection, based on digital building models. The methodology couples the aforementioned semantic models with reasoning techniques, description and temporal logic, and with multi-agent technology. For validating the proposed methodology, virtual experiments (i.e. simulations) as well as physical experiments (i.e., laboratory and field tests) will be conducted. As a result, it is expected that monitoring and inspection may be improved by reliable and efficient multi-robot collaboration valid for different types of robotic systems that make use of the semantics inherent to digital building models readily available in civil engineering.