Sensorintegrierte Digitale Zwillinge für das automatisierte Monitoring von Infrastrukturbauwerken

Das automatisierte Bauwerksmonitoring auf Basis Digitaler Zwillinge hat sich als eine zeit- und kostengünstige Ergänzung zu manuellen Inspektionen bewährt, um ein vorausschauendes, prädiktives Instandhaltungsmanagement von Infrastrukturbauwerken zu gewährleisten. Digitale Zwillinge verknüpfen Sensordaten mit digitalen Modellen und Algorithmen, sodass Zustands- und Bestandsinformationen generiert und den Entscheidungsträgern in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden können. Üblicherweise ist ein Digitaler Zwilling jedoch als sogenannte Single Source of Truth in Form zentraler Modelle auf einem zentralen Server situiert, sodass sehr große Datenmengen von den Sensoren vor Ort zum zentralen Server gesendet werden und der Server bei einem Ausfall das gesamte Monitoring zum Erliegen bringen würde. Im vorliegenden Beitrag werden die Ergebnisse einer Machbarkeitsstudie vorgestellt, in der Digitale Zwillinge nicht mehr nur als Zentralmodell realisiert, sondern als digitale Modelle mit Algorithmen direkt in die Sensoren eingebettet werden. Jeder Sensor enthält damit einen partiellen Digitalen Zwilling seiner Umgebung, der mit den Digitalen Zwillingen weiterer Sensoren kommuniziert, sodass sich durch die Summe der einzelnen Modelle ein vollwertiger Digitaler Zwilling des gesamten Bauwerks ergibt. Die Machbarkeitsstudie wird beispielhaft anhand eines drahtlosen Bauwerksmonitoringsystems umgesetzt und dessen Praktikabilität am Monitoring einer Fußgängerbrücke aufgezeigt.

Sensor-integrated digital twins for wireless structural health monitoring of civil infrastructure
Digital twins constitute a promising technology that lies at the core of emerging trends within Industry 4.0, such as cyber-physical systems and the Internet-of-Everything. The civil engineering community has been showing increasing interest in adopting digital twins for operation and management purposes, e. g. within the framework of structural health monitoring (SHM). In particular, SHM stands to benefit from the enhanced predictive capabilities of digital twins, which yield richer information on structural conditions than conventional models. However, adapting state-of-the-art digital twins to modern SHM strategies, which rely on wireless technologies, is hardly straightforward. Specifically, digital twins that model a physical process are usually centralized and updated using large amounts of data collected from the physical process. By contrast, wireless SHM systems are distributed, and wireless SHM strategies typically focus on minimizing wireless communication, which is unreliable and power-consuming. In this context, this paper presents the results of a feasibility study that discusses the practical considerations of embedding digital twins in wireless SHM systems. Through field tests on a pedestrian bridge, instrumented with a wireless SHM system, the decentralized embedment of a digital twin - in the form of partial digital twins - into the wireless sensor nodes is reported. The field test results indicate that decentralized digital twins can advantageously be used for advancing wireless SHM.