Forschungsergebnisse

Von Bits zu BIM, von ERP bis AR

Definierte Arbeitspakete untersuchten den Status quo, die Herausforderungen sowie die Potentiale neuer Technologien und Methoden. Die beiden letzten Arbeitspakete führen die Ergebnisse zusammen und zeigen die Lösungen praxisnah in Demonstratoren,

Durch Kombination neuer AR/VR-Technologien mit hochratigen Kommunikationsnetzwerken soll ein innovatives Assistenzsystem für das Arbeiten auf der Baustelle entstehen. Dabei sollen durch Einblenden von Planungsdaten komplexe Handlungsabläufe vereinfacht und effizienter werden. Im Gegensatz zu vielen existierenden AR-Anwendungen, die nur eine grobe Ausrichtung der Zusatzinformation in der Szene ermöglichen, soll bei DigitalTWIN durch eine präzise Registrierung der virtuellen Informationen mit der realen Szene erfolgen, um einzelne Werkstücke und Bauteile akkurat adressieren zu können.

Mit den für diese anspruchsvolle Vision erforderlichen Technologien soll gleichzeitig der Daten und Informationsaustausch entlang der Wertschöpfungskette und des Gebäudelebenszyklus vernetzen und einfach von alle Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette eingesetzt werden können, Von der Planung über die Fertigung bis in den Gebäudebetrieb sollen Informationen über Bauteile, Gebäude oder Vorkommnisse vernetzt vorliegen. Die jeweiligen Bedenken hinsichtlich Datenschutz und Knowhow-Schutz sowie IT Sicherheit sollen aber ebenfalls adressiert werden. Die einzelnen Arbeitspakete gliedern sich in folgende Teilaufgaben:

Planung Automatisierung von Routinen durch Algorithmen und vernetzte Cloud-Plattformen
Interaktion Vernetzte Inhalte in Echtzeit konsumieren und durch VR/AR-Brillen interagieren
Kommunikation Infrastruktur für Planung, Fertigung und Baustelle
IT-Sicherheit Strukturierung von Daten und Absicherung der Infrastruktur
Systemintegration Neue Standards zur Vernetzung von Hard- und Softwarelösungen sowie zur schnellen Softwareimplementierung
Demobauwerk Anwendung und Evaluierung entsprechend der Use Cases

Planung

Automatisierung von Routinen durch Algorithmen und vernetzte Cloud-Plattformen

Prozesse beim Planen, Bauen und Betreiben von Bauwerken sind von Abstimmungen, Bewertungen und Entscheidungen geprägt, bei denen nicht immer die relevanten Informationen situationsbezogen verfügbar sind. CAD-Programme etwa ermöglichen die exakte Planung komplexer Geometrien.

Bei den Zulieferern und Herstellern sind vielfältige Softwarelösungen zur Projektsteuerung und für eine automatisierte Fertigung von Bauteilen im Einsatz. Auch Montageabläufe und der Gebäudebetrieb werden an vielen Stellen schon digital unterstützt abgewickelt.

Trotzdem werden heute immer noch Informationen aufwendig über Systemgrenzen hinweg transferiert und abgeglichen. Die Schnittstellen zwischen den Akteuren, die unterschiedlichen Orte und langen Planungs-/Bau- und Betriebsphasen stellen wesentliche Herausforderungen für eine durchgängige Datenverarbeitung dar.

DigitalTWIN hat gezeigt, dass diese Schnittstellen und Implementierungsschwierigkeiten durch offene, hoch perfomante, in Clustern einsetzbare Cloud Technologien gelöst werden können. Die Technologien ermöglichen auch eine Trennung der IT-Infrastruktur unterschiedlicher Partner auf unterschiedlichen Ebenen, um Knowhow- und Datenschutz-Anforderungen zu genügen. Die eingesetzten Cloud-Technologien aus der mittelständisch geprägten Automatisierungsbranche wurden erweitert, um sie vernetzt und leistungsfähig bei großen Gebäudedatenmodellen und mit automatisiert vernetzten Prozessketten einsetzen zu können.

Als Technologien kommen die automatisierte Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von Container-Anwendungen zum Einsatz. In Kombination mit einer agilen Softwareentwicklung und der resultierenden Bereitstellen von sogenannten Microservices sowie durch Einsatz von offenen Datenformaten, standardisierten Semantiken und Vorgehensweisen aus den Bereichen Building Information Modeling (BIM), XR und Industrie 4.0 ist man schnell in der Lage, die vielschichtigen Anforderungen an die Digitalisierung in der Planung, Fertigung und dem Gebäudebetrieb zu erfüllen.

Der // BIM Champions-Film zeigt Ihnen die Anwendung dieser Technologien, der Einsatz des JSON-Datenformats, um bspw. unterschiedliche CAD/CAM oder Planungssoftware an den DigitalTWIN-Plattformcluster anbinden zu können.

Die Demo zur Live-Interaktion // Clip verbindet den Einsatz der Infrastruktur bei Planer und Ausführer, in verteilten Clustern und auf der Baustelle mit dem Konsum großer Datenmodelle mittels Edge-Infrastrukturen und der Vernetzung mit unterschiedlichen Enterprise-Anwendungen.

DigitalTWIN konnte damit zeigen, dass die Standardisierungsbemühungen im Bereich BIM, XR und Industrie 4.0 konvergieren können. Allerdings sind neue IT-Architekturen dafür erforderlich. Diese müssen weitestgehend offen sein, um den wechselnden Anforderungen im Bauwesen gerecht zu werden.

Die Einsätze der Technologien und Methoden beim VR-Check von Schweißarbeiten hat gezeigt, dass man mit kleinen Anwendungen anfangen kann, diese dann zunehmend mit Diensten ergänzen kann und schlussendlich ein vernetzten und verteilten Modelldatenaustausch zwischen Planer, Ausführer und Betreiber sowie zwischen Büro, Baustelle und späterem Bauwerk erreichen kann.

Cloud-, Web- und Containertechnologien leisten einen wesentlichen Beitrag, um die projekt- und unternehmens-spezifische Integration der beschriebenen Werkzeuge zu beschleunigen oder überhaupt erst zu ermöglichen. Die projektspezifische, einfache und sichere Einbindung der unterschiedlichen Akteure, Geräte und Schnittstellen nutzt dabei bereits etablierte Standardformate und eineindeutige, globale IDs (GUID) bspw. für die Bauteile oder Sensoridentifizierung. Der Einsatz der JavaScript Object Notation (JSON) als Containerformat ermöglicht diese strukturierten Semantiken direkt zu nutzen oder flexibel erforderliche Erweiterungen zu definieren.

DigitalTWIN hat in diesem Arbeitspaket die Grundlage gelegt, um die heterogenen Anforderungen aus der Planung mit einer modernen IT-Infrastruktur und entsprechenden Methoden zusammen zu bringen und um effektive sowie projektindividuelle Lösungen Schritt für Schritt, aber immer mit dem Fokus einer zunehmenden Vernetzung und Datendurchgängigkeit, zu etablieren.

Zum Einsatz kamen PCs, Tabletts, Smartphones oder AR/VR-Brillen, Werkzeugmaschinen und Sensor-Aktor-Systeme sowie softwareseitig CAD-, Projektplanungs-, Projektmanagment- und 3D-Visualisierungs-Tools.

Interaktion

Vernetzte Inhalte in Echtzeit konsumieren und durch VR/AR-Brillen interagieren

Die Unterstützung von komplexen Arbeiten durch das Einblenden von Informationen in das Sichtfeld des Nutzers hat durch die Entwicklung neuartiger Brillensysteme und leistungsstarker Mobilgeräte deutlich an Bedeutung gewonnen und zu neuen AR-Anwendungen geführt. Wichtig für die Weiterentwicklung und den breiten Einsatz sind dabei die Verfügbarkeit und Verknüpfung der Technik. Gerade für die in der deutschen Bauwirtschaft existierenden, kleinteiligen Unternehmensstrukturen stellt die Verknüpfung der Planungsinformationen und die aufwendige Integration zwischen Projekt- und Unternehmensprozessen eine technische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Gleichzeitig sind mit den neuen Techniken auch Möglichkeiten verbunden, die Abläufe im Bauwesen und die Planungsergebnisse wesentlich zu verbessern.

Deshalb hat DigitalTWIN untersucht, wie die Integration und Interaktion solcher Techniken schneller, einfacher und ressourcenbewusst durchgeführt werden können. Durch die Art und Weise der eingesetzten Technologien sind hoch anspruchsvolle aber auch niederschwellige Dienste und Anwendungsszenarien abbildbar. Dabei wird die gleiche Pipeline der Datenverarbeitung für die Interaktion mit den Gebäudedatenmodellen genutzt, wie für die Interaktion bei Planung und Ausführung (Aufbereitung der Gebäudedatenmodelle durch einen Parser, Speicherung im Containerformat JSON mit eindeutiger GUID, Verwaltung in noSQL Datenbanken, Konsum der Daten über Middleware und WebSocket Protokolle.

Die Technologien wurden beispielsweise bei der Zugänglichkeitsprüfung von Schweißarbeiten // Clip , der AR-Montageunterstützung bei Gitterschalen // Clip und beim Fassadenmonitoring // Clip eingesetzt. Die Szenen und Bedienelemente wurden in unity und dort über sukzessiv erweiterte Bibliotheken erstellt, sodass ein Szene unabhängig vom jeweiligen konkreten Inhalt definiert ist.

Ergänzend wurde die Fragestellung der Handhabung, Benutzerführung und Akzeptanz beantwortet werden. Hierzu wurden Tests an Demos, in der Fertigung und auf Baustellen mit Videobrillen durchgeführt. Die Handhabung der Endgeräte erfordert noch Übung, die Erstellung und der situationsbezogene Konsum der richtigen Inhalte konnte über die entwickelten Workflows und die Architektur beschleunigt und automatisiert werden.

Da im Bauwesen mit großen Datenmodelle gearbeitet wird, war die schnelle Datenverarbeitung beispielsweise für Algorithmen der Datenanalyse relevant. Der Einsatz von Big Data-Technologien hilft dies zu beschleunigen. Ein zweiter Aspekt großer Datenmengen, die insbesondere bei hochauflösenden Videodiensten relevant ist, sind Kommunikationsinfrastrukturen mit Bandbreite und niedriger Latenz. Deshalb wurde der Einsatz von hochratigen Kommunikationsnetzen in der Fertigung und auf der Baustelle untersucht.

Kommunikationstechnik

Infrastruktur für Planung, Fertigung und Baustelle

Der Ausbau der Breitband-Kommunikationsinfrastruktur stellt die Grundlage einer zukunftsfähigen, erfolgreichen Wirtschaft dar. Die große Bedeutung innovativer Kommunikationstechnologien für Anwendungsfelder wie Industrie 4.0, Telemedizin und autonomes Fahren spiegelt sich bereits in zahlreichen Beispielprojekten. Dabei nimmt die Bedeutung zuverlässiger, verzögerungsfreier Mobilkommunikation stetig zu. Sie wird besonders in der Fertigung eine höhere Automatisierung und eine Beschleunigung von Vorbereitungen, Arbeiten und Kontrollmaßnahmen ermöglichen. Das erfordert die Einbindung von Planungs-, Fertigungs- und Montageprozessen in den Entwurf stationärer und mobiler Kommunikationsnetze. Eine besondere Herausforderung stellt die Anbindung der derzeit oft unerschlossenen Baustelle während der Bauphase an eine gemeinsame Kommunikationsinfrastruktur dar.

In DigitalTWIN wurden deshalb Szenarien für den Ausbau von IKT-Infrastruktur auf Baustellen entwickelt, unterschiedliche Technologien und Architekturen für diese Szenarien entworfen und deren Anwendung exemplarisch gezeigt und getestet.

Dabei waren die Erschließung des Baufelds mit kabelgebundener und drahtloser Technik sowie der einfachen Bedienung und Einrichtung im Fokus, um die Schwelle zum Einsatz breitbandiger Technologien zu senken. Um schließlich Dienste mit großen Datenmodellen und mit Echtzeitinteraktion auf Baufeldern einsetzen zu können, wurde die Störanfälligkeit, Auslastung und Automatisierung neuer hochratiger, latenzarmer Mesh-Technologien untersucht.

IT-Sicherheit

Strukturierung von Daten und schneller Absicherung der Infrastruktur

Damit integrale Prozess- und Objektdatenmodelle heutige Abläufe im Bauwesen verbessern oder ablösen können, müssen diese Techniken aktuellen Erkenntnissen zur intuitiven Bedienung und Datensicherheit genügen.

In DigitalTWIN stand deshalb die Informationsstrukturierung und -klassifizierung im Fokus. Welche Modelle zur digitalen Prozessbeschreibung können aus dem Maschinenbau und der Konstruktionstechnik übernommen werden? Wo kommen diese detailgenauen Beschreibungen bei Bauprojekten an Grenzen und welche Möglichkeiten gibt es, flexibel auf Prozessänderungen mit digitalen Werkzeugen zu reagieren. Entstanden ist ein EventTracker, der niederschwellig Zielinformation, Vorkommnisse und Dokumente aus dezentral vernetzten Daten- und Dienste-Pools erfasst und sämtliche Verbindungen verwaltet. Damit lässt sich die Vielfalt an Daten zu einem Thema, deren sinnhafte Verknüpfungen und der jeweils erforderliche Informationsgrades durchgängig administrieren.

Neben der Informationsstrukturierung ist eine sichere und dokumentierte Übertragung und Speicherung sowie die Echtheit, Überprüfbarkeit und Vertrauenswürdigkeit der Daten sowie der eingesetzten IT-Systeme relevant.

Hierzu wurden in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer AISEC die 3 Use Cases einer exemplarischen Risikoanalyse unterzogen, die – wie die Use Cases selbst – auf konkrete Anwendungsfälle übertragen werden kann.

Ergänzend wurde die weiterentwickelte scaleIT-Infrastruktur auf typische IT-Security Themen hin evaluiert und Empfehlungen für die weitere Absicherung gegeben.

Systemintegration

Neue Standards zur Vernetzung von Hard- und Softwarelösungen sowie zur schnellen Softwareimplementierung

Die Integration von IT-System und damit von Hardware, Software, Kommunikationsinfrastruktur sowie Daten und Diensten ist eine wesentliche Herausforderung in Firmen, Organisationen und auch in Projekten. Durch Inkompatibilität, unüberschaubare Funktionsumfänge und technischen wie wirtschaftlichen Reglementierungen auf der einen und durch die Verkettung von Prozessen, die Dominanz unterschiedlicher IT-Lösungen bei den jeweiligen Akteuren und durch die vielen Schnittstellen auf der anderen Seite, stellt sich die Frage, auf welcher Ebene die Vernetzung stattfindet, wie diese Automatisiert werden kann und wie trotzdem Anforderungen an Datenhoheit, flexible Anpassung oder langfristiger Datenzugang gewährleistet werden kann.

Die Fragen einer effektiven und effizienten, anwenderorientierten Systemintegration stand zum einen ganz praktisch im Forschungsprojekt als Aufgabe im Raum, da die entwickelten Demos sukzessive eine kompatible, erweiterbare Gesamtsystemlandschaft bilden sollten, die in einzelnen Aspekten oder komplett von den Forschungspartnern weitergeführt werden kann.

Ein zweiter Aspekt war die Charakteristik von IT-Systemen in modernen Organisationen und Projekten. Hier haben die Plattformtechnologien die Voraussetzung geschaffen, dass Cloud Computing und Webtechnologien relevant sind. Da die Bedenken hinsichtlich der Datenhoheit und bezüglich von Cloud Lösungen in Teilen der fertigenden Industrie groß sind, wurde der scaleIT-Ansatz (Offline Lösungen, die sich komplett in die Welt der Container-Orchestrierung und das Continuous Integration, Continuous Delivery und Continuous Deployment einbetten) weiterentwickelt. DigitalTWIN konnte zeigen, dass Microservices vom ARM-Microrechner (docker/docker-compose) über Enterprise-Infrastrukturen (docker-hub/docker-swarm) bis zu vernetzten Clustern in DatenCentern (kubernetes) austauschen, betreiben und projektspezifisch anpassen lassen. Dies gibt einen Impuls in Richtung IT-Infrasturktur im Mittelstand, der auf Basis offener Frameworks und Technologien eine automatisierte Bereitstellung, Skalierung und Verwaltung von Container-Anwendungen ermöglicht.

Ein weiterer Aspekt war die Frage der schlanken Service-Entwicklung. Schon bei der Demo Fassadenmonitoring konnten die Leistungen der einzelnen Forschungspartner in einzelne Module gepackt individuell entwickelt werden. Die Schnittstellen wurden gemeinsam definiert und bei der Integration, der Nachbesserung und Weiterentwicklung der einzelnen Container konnten die Vorteile der Microserice-Architektur und es Container-Deployments gleich genutzt werden.

Die Vorteile eines solchen Vorgehens konnten auch für Anwendungen im Bauwesen und für die Baustelle durch kleine Teams aus Softwareentwickler und Anwender, kurzen Entwicklungs- und Implementierungszeiten gezeigt werden. So konnte beispielsweise die Montageunterstützung für das Vorspannen von einer Seilfassade in 6 Wochen komplett umgesetzt werden.

Für die Anwendung in Planungsbüros, bei ausführenden Firmen oder bei Gebäudebetreibern ergibt sich somit die Möglichkeit, auf Basis dieser Technologien die eigenen Dienste und IT-Lösungen selbst oder mit Unterstützung eines IT-Dienstleisters zu transformieren. Die Vorteile und der eigenbestimmte Einsatz von virtualisierten IT-Infrastruktur und durch die Automatisierung konnten insbesondere für kleinteilig strukturierte Märkte wie dem Bauwesen und für schnelllebiges Projektgeschäft gezeigt werden. Wichtige Voraussetzung ist die Beschäftigung mit offenen Microservice-Technologien wie scaleIT.

Demos

Anwendung und Evaluierung entsprechend der Use Cases

Es wurden 3 Use Cases zum Monitoring im Gebäudebetrieb, zur Qualitätssicherung von Schweißarbeiten sowie zur Live-Interaktion mit der Baustelle entwickelt, die die gleichen, modularen Plattformtechnologien, die Anbindung von anderen Softwarelö-sungen über Plug-Ins, offenen Datenformate und offenen Kommunikationsprotokolle verwenden, um vor Ort mit großen Modellen, vielen Daten in Echtzeit interagieren zu können und sofort beispielsweise Auswertungen vom Abgleich eines Laserscans mit dem Modell zu erhalten.

Die Use Cases adressieren unterschiedliche Phasen des Lebenszyklus und zeigen, wie Daten und Dienste von unterschiedlichen Endgeräten, wie Workstations, Tablets, Smartglases abgerufen und genutzt werden können.

Dabei steht der zielgerichtete Modelldatenaustausch sowie die Verknüpfung mit jeweils relevanten Fachinformationen in der Planung beispielsweise von Architekten und Fachplanern oder in der Fertigung beispielsweise zu Daten von Zulieferern, der Intralogistik oder der Materialverfügbarkeit im Fokus.

Die insgesamt 10 Demos zeigen einzelne, funktionale Aspekte und werden sukzessive miteinander vernetzt. Dadurch konnten einzelne Forschungsfragestellungen direkt je Use Case adressiert werden und gleichzeitig über das gesamte Forschungsprojekt vielversprechende Methoden zur Implementierung, Anwendung, Erweiterung und Skalierung evaluiert werden.

Neben den Demos werden die Lösungen an 3 Demobauwerken eingesetzt. Die Fassaden-Demo wird weiter im Accelerator genutzt und für das Glass Competence Center der TU Darmstadt weiterentwickelt. Plattform, modulare Softwarekomponenten und agile Softwareentwicklung konnte auch für das Monitoring der Seilnetzfassade des Atelier Albert Oehlen adaptiert und bei 33rd Penn Station auch eingesetzt werden.