TU Dresden INSTITUT FÜR MASSIVBAU

Teilprojekt D04

Qualitätsbewertung digitaler Zwillinge auf der Basis mathematischer Abstraktion und Tangle-basierten Blockchain-Architekturen

Das 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 Teilprojekt 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 (Abbildung 1).

Es wird die Struktur des Arbeitsprogrammes graphisch dargestellt
Abbildung 1: Struktur des Arbeitsprogramms |Grafrik: Kay Smarsly
Abbildung 2: Nibelungenbrücke in Worms
Abbildung 2: Nibelungenbrücke in Worms | Chongjie Kang

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.Validierungstests werden an der Nibelungenbrücke in Worms durchgeführt, die den Rhein überspannt und als Demonstratorbauwerk dient (Abbildung 2). Das Demonstratorbauwerk wird ein reales Szenario liefern, über das Sensordaten, Modelle, Algorithmen und die entsprechenden Simulationen einbezogen werden können, die für Zustandsdiagnosen und -prognosen sowie dem Bauwerksmonitoring von Infrastruktur-bauwerken relevant sind.

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.

Anprechpartner

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Kay Smarsly
Institut für Digitales und Autonomes Bauen, Technische Universität Hamburg
Projektleiter
M.Sc. Patricia Peralta
Technische Universität Hamburg
Projektmitarbeiterin

Publikationen

Peer-Reviewed Journal Paper

  1. Peralta, P., Ahmad, M. E., & Smarsly, K. (2023). Printing information modeling (PIM) for additive manufacturing of concrete structures. Applied Sciences, 13(23), 12664.
  2. Peralta, P., Ahmad, M. E., Al-Zuriqat, T., Chillón Geck, C., Al-Nasser, H., Dragos, K., Chmelnizkij, C., & Smarsly, K. (2025). Digital twins in civil engineering. Journal of Building Engineering (submitted).

Konferenz und andere VÖ

  1. Naser Eddin, N., Peralta, P., Al-Nasser, H., & Chillón Geck, C. (2023). A sustainable wireless sensor system for water quality monitoring. In Proceedings of the 34th Forum Bauinformatik, Bochum, Germany, 09/06/2023.
  2. Al-Zuriqat, T., Peralta, P., Chillón Geck, C., Dragos, K., & Smarsly, K. (2023). Implementation and validation of a low-cost IoT-enabled shake table system. In Proceedings of the 14th International Workshop on Structural Health Monitoring (IWSHM), Stanford, CA, USA, 09/12/2023.
  3. Vollmert, J., Peralta, P., & Tandon, A. (2024). Monitoring and simulation of robot kinematics for clay printing based on digital twins [Monitoring und Simulation von Roboterkinematik basierend auf digitalen Zwillingen für den Lehmdruck]. In Proceedings of the 35th Forum Bauinformatik, Hamburg, Germany, 09/18/2024.
  4. Vollmert, J., Peralta, P., Tandon, A., Harder, T. L., Al-Nasser, H., & Smarsly, K. (2024). Digital-twin-based monitoring and simulation of robot kinematics for clay printing. In Proceedings of the 15th European Conference on Product and Process Modeling (ECPPM), Dresden, Germany, 09/11/2024.
  5. Smarsly, K., Peralta, P., Dragos, K., Ahmad, M. E., Al-Zuriqat, T., Chillón Geck, C., & Al-Nasser, H. (2024). A multivocal literature review of digital twins, architectures, and elements in civil engineering. In Proceedings of the 11th European Workshop on Structural Health Monitoring (EWSHM), Potsdam, Germany, 06/10/2024.
  6. Smarsly, K., Ahmad, M. E., Peralta, P., Al-Zuriqat, T., Al-Nasser, H., Dragos, K., & Chillón Geck, C. (2024). Digital twins, architectures, and elements in civil engineering – A multivocal literature review. In Proceedings of the 20th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering (ICCCBE), Montréal, Canada, 08/25/2024.
  7. Hartmann, S., Al-Zuriqat, T., Peralta, P., Valles, R., Gölzhäuser, P., Al-Hakim, Y., Mackenbach, S., Klemt-Albert, K., & Smarsly, K. (2024). Digital twins for sewer systems maintenance: A systematic literature review. In Proceedings of the 24th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality (CONVR), Sydney, Australia, 11/04/2024.
  8. Al-Nasser, H., Ahmad, M. E., Peralta, P., Chillón Geck, C., Al-Zuriqat, T., Dragos, K., & Smarsly, K. (2024). Digital twin architectures in civil engineering: A systematic literature review. In Proceedings of the 15th Fachtagung Baustatik – Baupraxis, Hamburg, Germany, 03/04/2024.
  9. Al-Zuriqat, T., Noufal, M., Peralta, P., Dragos, K., & Smarsly, K. (2025). Automated defect detection in fused filament fabrication coupling deep learning and computer vision. In Proceedings of the 2025 European Conference on Computing in Construction (EC3), Porto, Portugal, 07/14/2025 (accepted).
  10. Peralta, P., Al-Zuriqat, T., Burse, B., Söbke, H., & Smarsly, K. (2025). Blockchain-based secure archiving of sensor malfunctions in structural health monitoring systems. In Proceedings of the 2025 European Conference on Computing in Construction (EC3), Porto, Portugal, 07/14/2025 (accepted).
  11. Peralta, P., Al-Zuriqat, T., Noufal, M., & Smarsly, K. (2025). Automated defect detection in clay printing. In Proceedings of the 42nd International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC), Montreal, Canada, 07/28/2025 (accepted).
  12. Smarsly, K., Chmelnizkij, A., Dragos, K., Peralta, P., Al-Zuriqat, T., Ahmad, M. E., Chillón Geck, C., Peralta, P., & Seitz, L. (2025). Decision making in structural health monitoring using large language models. In Proceedings of the 15th International Workshop on Structural Health Monitoring (IWSHM), Stanford, CA, USA, 09/11/2025 (submitted).
  13. Vollmert, J., Peralta, P., Alatassi, A., Chmelnizkij, A., & Smarsly, K. (2025). Towards structural health monitoring of clay-printed structures. In Proceedings of the 13th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure (SHMII), Graz, Austria, 09/01/2025 (submitted).