IFC-basierte Modellierung von Cyber-physischen Systemen im Bauingenieurwesen

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1 29. Forum Bauinformatik Dresden, September 2017 Michael Theiler IFC-basierte Modellierung von Cyber-physischen Systemen im Bauingenieurwesen Informatik im Bauwesen Coudraystraße Weimar michael.theiler@uni-weimar.de

2 Einleitung Cyber-physische Systeme (CPS) Neue Generation von Ingenieursystemen Integration von physischen Prozessen, softwaretechnischen Komponenten und Vernetzung: Intelligente Bauwerke CPS im Bauingenieurwesen: Computergestützte Verfahren zum Monitoring und zur Steuerung von Bauwerken Quasi-automatische, sich selbst regulierende Bauwerke Strukturelles System Monitoring- und Steuerungssystem Formalismus zur Beschreibung Cyberphysischer Systeme erforderlich Schwingungstilger und aktive Dämpfer im Taipeh 101 (Taipeh, Taiwan) [1-3] 29. Forum Bauinformatik Dresden September

3 Building Information Modeling (BIM) Industry Foundation Classes (IFC) Schwerpunkt Hochbau: Geometrie Material Kosten IFC-Erweiterungen zur Beschreibung von Infrastruktur-Bauwerken Interpretation und Analyse von buildingsmart: IFC4 Dokumentation [4] Monitoring-bezogenen Informationen: Monitoring- und Kontrollsystem im Kontext des Bauwerksinformationsmodells IFC (Version 4): Begrenzte Abbildungsmöglichkeiten von Sensorsystemen BIM-basierte ganzheitliche Beschreibung von CPS: IFC Monitor-Erweiterung 29. Forum Bauinformatik Dresden September

4 IFC-basierte CPS-Modellierung Konzeptueller Ansatz Entwicklung eines Referenzmodells Definition eines Monitoring-bezogenen Modells Abbildung von beiden Modellen in ein sogenanntes semantisches Modell und schließlich in eine Erweiterung des IFC4-Standards: IFC Monitor Konzeptueller Ansatz zur IFC-basierten Beschreibung von Monitoring-bezogenen Informationen [5] 29. Forum Bauinformatik Dresden September

5 Ein semantisches Modell für CPS Schwerpunkt dieser Arbeit Aggregation von Komponenten eines Sensorknotens zu Sensorknoten, z.b. Sensoren Aktuatoren Kommunikationseinheit Aggregat zur Energieversorgung Gruppierung von (Sensor-) Knoten zu einem Sensornetzwerk Zusammensetzung von Sensornetzwerken und Computersystemen zu einem SHM- und Steuerungssystem 29. Forum Bauinformatik Dresden September

6 Ein semantisches Modell für CPS Schwerpunkt dieser Arbeit Aggregation von Komponenten eines Sensorknotens zu Sensorknoten, z.b. Sensoren Aktuatoren Kommunikationseinheit Aggregat zur Energieversorgung Gruppierung von (Sensor-) Knoten zu einem Sensornetzwerk Zusammensetzung von Sensornetzwerken und Computersystemen zu einem SHM- und Steuerungssystem IFC4 IFC4 IFC4 IFC4 29. Forum Bauinformatik Dresden September

7 IFC: Abbildung Monitoring-bez. Informationen Bestehende Möglichkeiten zur Beschreibung von Informationen außerhalb des Umfangs des IFC-Schemas Proxy-Elemente Benutzerdefinierte Objekttypen Benutzerdefinierte Merkmalslisten Semantische Informationsverluste möglich IFC-Modell 1 sn:ifcproxy Name = Node 0001 ObjectType = Sensor Node p:ifcpropertysinglevalue Name = Interaction Protocols NominalValue = WiFi Proxy = Platzhalter, keine vordefinierte semantische Bedeutung Benutzerdefinierter Objekttyp, sprach-/nutzerspezifisch Data Dictionaries (IFD/bSDD) Prozessdefinitionen (IDM) Nicht standardisierte Objekte? Benutzerdefiniertes Merkmal, nicht standardisierte Key-Value-Paare Menschenlesbar: Ja Maschinenlesbar: Herausfordernd IFC-Modell 2 sn:ifcproxy Name = Knoten 0001 ObjectType = Sensorknoten p:ifcpropertysinglevalue Name = Interaktionsprotokolle NominalValue = WLAN 29. Forum Bauinformatik Dresden September

8 Erweiterung des IFC-Schemas für Cyber-physische Systeme 8

9 Beispiel: Aggregation von Sensorknoten zu einem SHMC-System 9

10 Beispiel: Aggregation von Komponenten zu einem Sensorknoten 10

11 Amplitude [g/hz] Validierung IFC-basierte Modellierung eines Cyber-physischen Systems #1= IFCMONITORINGCONTROLSYSTEM('1QHMgI_M12r9AplcdxU9tb',$,'SHMC System 01',$,$); #2= IFCCOMMUNICATIONSAPPLIANCE('3RakcWQ3b2b9TI4EnXPcog',$,'Computer System 01',$,$,$,$,$,.COMPUTER.); #3= IFCSENSORNETWORK('2oy9dVNkjARuAz3bENenCs',$,'Sensor Network 01',$,$); #4= IFCSENSORNODE('1_h0i6eK14cw$KeJ9eRkSh',$,'Sensor Node 01',$,$,$,$,$); #5= IFCSENSORNODE('36_APT0dTDDvMxBhpaCPNa',$,'Sensor Node 02',$,$,$,$,$); #6= IFCSENSOR('1oRCowEOL46Obm$YsdtiTD',$,'Sensor 01',$,$,$,$,$,.ACCELERATIONSENSOR.); #7= IFCSENSOR('0YklADAmj0Zx_iM$q1Azpe',$,'Sensor 02',$,$,$,$,$,.TEMPERATURESENSOR.); #8= IFCELECTRICFLOWSTORAGEDEVICE('2318fHr11EeQp0Kp$ynPho',$,'Power Unit 01',$,$,$,$,$,.BATTERY.); #9= IFCCOMMUNICATIONSAPPLIANCE('2uOj72k7HDFB6iQKeqU7CL',$,'Communication Unit 01',$,$,$,$,$,.ANTENNA.); #10= IFCRELASSIGNSTOGROUP('3g9jll7sLEifK6ijcdHt$0',$,'Grouping SHMC System 01',$,(#2,#3),$,#1); #11= IFCRELASSIGNSTOGROUP('3TbjU7NazBLhE4_B8woLVg',$,'Grouping Sensor Network 01',$,(#4,#5),$,#3); #12= IFCRELAGGREGATES('0TTAOB7E9ClPsOi3qNQqnH',$,'Aggregation Sensor Node 01',$,#4,(#6,#7,#8,#9)); Frequenzspektrum (3. Ebene) Initiales System Geschädigtes System Frequenz [Hz] 29. Forum Bauinformatik Dresden September

12 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Formalismus zur Beschreibung Cyber-physischer Systeme ist notwendig BIM-basierter Ansatz: Beschreibung von Bauwerksinformationen zur Abbildung des durch das Monitoring überwachten Bauwerks ist mit BIM bereits etabliert IFC: Unzureichende Modellierungsmöglichkeiten von Monitoring-bezogenen Informationen Konzeptueller Ansatz und Implementierung einer Monitoring-bezogenen IFC- Erweiterung basierend auf bestehenden Sensor-Richtlinien und Ontologien Prototyp-basierte Validierung der fortwährenden Entwicklung Ausblick und künftige Tätigkeiten Vervollständigung der Monitoring-bezogenen Erweiterung des IFC-Schemas zur Beschreibung von Cyber-physischen Systemen Weitere Tests zur Validierung an realen Bauwerken 29. Forum Bauinformatik Dresden September

13 29. Forum Bauinformatik Dresden, September 2017 Michael Theiler IFC-basierte Modellierung von Cyber-physischen Systemen im Bauingenieurwesen Informatik im Bauwesen Coudraystraße Weimar michael.theiler@uni-weimar.de

14 Referenzen [1] AngMoKio, Taipei 101 as seen from Sun Yat Sen Memorial Hall. Online: last viewed: [2] Guillom, Weltgrößtes Tilgerpendel zur Dämpfung von Gebäudeschwingungen des Taipei 101. Online: _Wikimania_2007_0224.jpg, last viewed: [3] Toshiba, The World s Fastest Elevator - The Technology of Providing Riding Comfort to Passengers - Car System. Online: fastest/tec02.html, last viewed: [4] BuildingSMART, IFC4 documentation. Online: ifc/ifc4/final/html/index.htm, last viewed: [5] Smarsly, K. & Tauscher, E., Monitoring information modeling for semantic mapping of structural health monitoring systems. In: Proc. of the 16th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering. Osaka, Japan, Forum Bauinformatik Dresden September

IFC-basierte Modellierung von Cyber-physischen Systemen im Bauingenieurwesen

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