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Teilprojekt D1: Beschreibungskalkül und informatischer Unterbau für Systemintegration sowie Prozessinteroperabilität – Interaktionsmodell Maschineller Tunnelbau

Problemstellung und Motivation

Eine transparente, ganzheitliche und detaillierte Planung und Bewertung einzelner Systeme und Prozesse im maschinellen Tunnelvortrieb ist für eine risikoarme Erstellung eines Tunnelbauwerks wesentlich. Die Wechselwirkungen zwischen Boden, Maschine, Tunnelbauwerk, überirdische Bebauung und Materialfluss spielen dabei eine entscheidende Rolle. Im Rahmen der ersten Phase wurden grundlegende Konzepte zur datentechnischen Modellierung der wesentlichen Systemelemente, Prozesse und Interaktionen entwickelt. Die Informationen zu den einzelnen Systemelementen müssen dazu in einem erweiterbaren Produktmodell abgebildet werden. Informatorische Interaktionskonzepte sind erforderlich, um das Zusammenwirken einzelner Systemelemente und Prozesse für bestimmte Fragestellungen im maschinellen Tunnelvortrieb untersuchen zu können.

Ergebnisse der 1. phase

Die Ausführung einer Interaktion bzw. einer gesamten Interaktionskette erfordert die Bereitstellung von relevanten Informationen. Diese Informationen basieren zum einen auf vorhandenen Produktdaten und zum anderen auf temporären Berechnungsergebnissen, die direkt ausgetauscht werden. Zur Verwaltung und Speicherung von grundlegenden Daten wurde ein 4D-Informations­modell für den maschinellen Tunnelvortrieb entwickelt. Informationen zu einem Tunnelbauprojekt liegen in der Regel zeitabhängig, verteilt auf verschiedenen Systemen und in Form von unterschiedlichen Datenformaten vor. Für einen einheitlichen Datenzugriff wurden alle zur Planung und Ausführung von Tunnelprojekten relevante Informationen gesammelt, klassifiziert, strukturiert und verknüpft in einem ganzheitlichen, objektorientierten Tunnelinformationsmodell (TIM) abgelegt. Dieses Informationsmodell bildet die Basis für die Umsetzung von Interaktionen im maschinellen Tunnelbau. Im Rahmen der ersten Phase dieses Teilprojektes wurden vier wesentliche Teilmodelle im maschinellen Tunnelbau spezifiziert und verknüpft.

 

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Hierbei handelt es sich um ein hybrides Baugrunddatenmodell, ein Vortriebsmaschinenmodell, ein Tunnelbauwerksmodell und ein Bebauungsmodell. Diese Modelle wurden aufgrund ihres maßgeblichen Einflusses auf den Tunnelbauprozess gewählt. Der Baugrund beeinflusst beispielsweise die Vortriebsgeschwindigkeit, die Setzungen oder die Ringspaltverpressung. Die Modellierung von Interaktionsketten basiert auf dem Systems Engineering Konzept, welches formal durch die Systems Modeling Language (SysML) umgesetzt wurde. Die Basis bildet dabei ein Metamodell zur Definition von Interaktionsketten. Eine Interaktionskette besteht aus eine Menge von Produktdaten, Analyseverfahren und Interaktionselementen. Ein Interaktionselement basiert auf dem Austausch von relevanten Informationen zwischen zwei Analyseverfahren. Die Steuerung einer Interaktionskette, bestehend aus mehreren verbundenen Interaktionen, erfolgt über definierte Interaktionsworkflows. Für einzelne Fragestellungen wurden spezialisierte Analyseverfahren und Interaktionen abgeleitet. Hierzu gehören Analyseverfahren zur numerischen Simulation des Vortriebs (DrivSim, TP C1), der Ringspaltverpressung (GroutSim, TP B4) und der maschinellen Logistik- und Prozesskette (LogSim, TP C3). Für den Aufbau von konkreten Interaktionsketten wurde eine domänenspezifische Modellierungssprache entwickelt. 

 

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Zielsetzung 2. phase

Im Rahmen der zweiten Phase des Teilprojekts werden Methoden zur Bewertung von problemspezifischen Interaktionsketten im maschinellen Tunnelbau entwickelt. Dabei müssen zum einen die vorhandenen Unschärfen als auch die transienten Daten und Modelle berücksichtigt werden. Besonderer Fokus liegt dabei auf der adäquaten Berücksichtigung von aktuellen Boden-, Setzungs- und Maschinendaten. Diese Daten müssen konsistent und transparent im Rahmen der Interaktionsketten integriert werden können. Hierzu wird die Interaktionsplattform systematisch um weitere Methoden ergänzt. Die entwickelten Methoden sollen anschließend anhand von konkreten Problemstellungen verifiziert werden. Eine wesentliche wissenschaftliche Zielstellung liegt in der Bewertung der Ergebnisqualität durch die Berücksichtigung von Interaktionsketten, um den Mehrwert der Interaktionsmodellierung auf Basis einer geeigneten kontext-sensitiven Metrik beurteilen zu können. Die Bewertung einer Interaktionskette sollte jedoch nicht ausschließlich analytisch erfolgen. Daher müssen geeignete Methoden zur Navigation in und Visualisierung von komplexen Interaktionsketten entwickelt werden.

 

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Die Navigation und Visualisierungen basieren dabei im Wesentlichen auf den in der ersten Phase entwickelten Produkt- und Interaktionsmodellen. Nach einer erfolgreichen Bewertung der vorhandenen Interaktionsketten stellt sich häufig die Frage, ob durch bestimmte Anpassungen eine höhere Ergebnisqualität erzielt werden kann. Hierzu sollen Konzepte entwickelt werden, die Informationen über den Aufwand der Anpassungen und der dadurch erzielten Ergebnisqualität geben können. Ein weiteres Ziel ist Entwicklung von Konzept zur Speicherung und Wiederverwendung von Erfahrungen im Rahmen der Modellierung, Verwendung und Anpassung von Interaktionsketten im maschinellen Tunnelvortrieb. Hierzu werden Methoden zum Aufbau einer Wissensbasis entwickelt.

Projektdaten

Titel: Beschreibungskalkül und informatischer Unterbau für Systemintegration sowie Prozessinteroperabilität – Interaktionsmodell Maschineller Tunnelbau

Art: Teilprojekt, SFB 837

Antragsteller: Prof. Dr.-Ing. Markus König, Dr.-Ing. Christian Koch

Bearbeiter: M.Sc. Puviyarrasan Manickam, Dipl.-Ing. Felix Hegemann

 Kontakt:
Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen
Gebäude IC, Raum 6-59  
Universitätsstraße 150 
44780 Bochum

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