Martin Empelmann, Sara Javidmehr, Johannes Rathgen, Andreas Hellenbrand, Markus Ulbricht, Florian Wagner, Tanja Kessel, Julia Sietas

• Das deutsche Bundesfernstraßennetz umfasst knapp 40.000 Brückenbauwerke und deren regelmäßige Zustandsbewertung erfordert einen hohen Einsatz finanzieller und personeller Ressourcen. In festen Zeitintervallen erfolgt im Zuge der Bauwerksprüfung eine visuelle Inspektion jeder Brücke, die die Grundlage der Bewertung des Brückenzustands darstellt. Sowohl die Zustandserfassung als auch die -bewertung sind dabei jedoch personenabhängig und damit subjektiv. Bei Intelligenten Brücken kann durch die Verwendung von Sensoren und die kontinuierliche Überwachung die Zustandsbewertung verbessert und die Grundlage für ein prädiktives Erhaltungsmanagement gelegt werden. Um die Vorteile der Intelligenten Brücke umfänglich nutzbar zu machen, ist ein leistungsfähiges Datenmanagement erforderlich. Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Konzepte für das Datenmanagement der Intelligenten Brücke“ wurde dazu ein Konzept für die digitale Infrastruktur der Intelligenten Brücke erarbeitet. Im Forschungsvorhaben wurde zunächst der Status quo analysiert. Dabei wurde das aktuell übliche Vorgehen zur Bestimmung des Bauwerkszustands sowie das mögliche zukünftige Vorgehen bei Intelligenten Brücken thematisiert. Zudem wurden die relevanten beteiligten Akteure (Betreiber, Fachplaner und Bauwerksprüfer) identifiziert und ihre grundlegenden Anforderungen an die zu erfassenden Daten ermittelt. Für die Erarbeitung der Anforderungen der beteiligten Akteure an die digitale Infrastruktur wurden zwölf Interviews mit zentralen Akteuren aus den drei identifizierten Bereichen durchgeführt. Die Interviewpartner wurden zu den Aspekten Datenerfassung, Datenübertragung, Datenhaltung und Datenaufbereitung bis hin zu möglichen Visualisierungen befragt. Die Erkenntnisse der Interviews, die Informationen aus der Erhebung zum Status quo sowie die Erfahrungswerte der Projektbeteiligten dienten anschließend als Grundlage für die Formulierung der Anforderungen an die digitale Infrastruktur der Intelligenten Brücke. Das erstellte (Mindest-) Anforderungsportfolio bezieht sich auf die ermittelten Ebenen des Datenmanagements (Datenerfassung, Datenübertragung, Datenhaltung, Datenaufbereitung, Datenauswertung und Lebenszyklusmanagement) und bildet den Rahmen für das Konzept zur digitalen Infrastruktur. Der Bereich der Datenerfassung beinhaltet die Erhebung, die Erschließung, die Digitalisierung sowie die Umformatierung unterschiedlichster Daten sowie Datenformate. Im Rahmen des Konzepts wurden die Zielstellung, zu berücksichtigende Datencluster, die Sensorausstattung und Messintervalle sowie die Bauwerke thematisiert. Die Datenübertragung wird definiert als die Übermittlung der erfassten Messwerte vom Sensor zur verarbeitenden Einheit sowie von der verarbeitenden Einheit zum Datenspeicher und kann prinzipiell drahtlos oder drahtgebunden erfolgen. Für die Übertragung der Daten vom Sensor zum Messrechner an der Brücke wird eine überwiegend drahtlose Übertragung vorgesehen, die anschließende Übertragung der Daten vom Messrechner zum Datenspeicher hingegen erfolgt drahtlos über den 5G-Mobilfunkstandard. Die Datenhaltung umfasst die Speicherung der gewonnenen Daten in strukturierter Form in einer Datenbank sowie die mit der Datenspeicherung in direktem Zusammenhang stehenden Prozesse. Das Konzept sieht eine cloudbasierte Lösung vor, die sowohl als Public oder Private Cloud realisiert werden kann. Die Datenaufbereitung und die Datenauswertung behandeln die Weiterverarbeitung sowie die Erhöhung der Qualität der erfassten Daten und sollten grundsätzlich automatisch erfolgen. Die letzte Ebene des Konzepts stellt das Lebenszyklusmanagement dar, wobei die Objektebene und die Netzebene unterschieden werden. Die Betrachtung auf Objektebene erfolgt auf Grundlage der erfassten sowie der aufbereiteten Daten individuell für jede Brücke. Die Betrachtung auf Netzebene hingegen sieht die Betrachtung von großflächigen Brücken-Clustern von einer übergeordneten Perspektive aus vor. Für das entwickelte Konzept zur digitalen Infrastruktur wurden abschließend verschiedene Aspekte der Umsetzung behandelt. Dazu zählen notwendige Anpassungen der Prozesse im Betrieb, organisatorische Anpassungen, erforderliche personelle Qualifizierung, zu beschaffende Hard - und Softwareausstattung sowie eine exemplarische Abschätzung der Kosten. Die Intelligente Brücke liefert im Zusammenspiel mit einem adäquaten Datenmanagement durch die kontinuierliche Überwachung mit Sensoren umfangreiche Informationen zu den tatsächlich aufgetretenen Einwirkungen sowie den tatsächlich vorhandenen Widerständen einer Brücke. Hierdurch ergeben sich neue Möglichkeiten, wie etwa die Durchführung der Nachrechnung auf Grundlage der tatsächlichen Einwirkungen und Widerstände oder die kontinuierliche rechnerische Zustandsbewertung. Darüber hinaus können weitere zukunftsweisende Technologien, wie z. B. der Einsatz von Drohnen, Virtual Reality oder Augmented Reality, berücksichtigt werden.
• The German federal road network comprises almost 40.000 bridge structures and their regular condition assessment requires a high commitment of financial and human resources. A visual inspection of each bridge is carried out at fixed intervals as part of the structural inspection, which defines the basis for assessing the condition of the bridge. However, both the condition assessment and the evaluation are dependent on human factors and are therefore subjective. Through the use of sensors and continuous monitoring of Smart Bridges, the condition assessment can be improved and the basis for a predictive maintenance management can be established. In order to make the advantages of the Smart Bridge comprehensively usable, an efficient data management is required. Therefore, a concept for the digital infrastructure of the Smart Bridge was developed within the framework of the research project “Concepts for Smart Bridge Data Management”. First, the research project analysed the status quo. The current procedure for the condition assessment as well as the possible future procedure for Smart Bridges were discussed. In addition, the relevant actors involved (operators, technical planners and structure inspectors) were identified and their basic requirements for the data to be collected were determined. Twelve interviews were conducted with key actors from the three identified areas in order to develop the requirements of the actors for the digital infrastructure. The interviewees were asked about the aspects of data acquisition, data transmission, data storage and data processing, up to possible visualisations. The results of the interviews, the information from the survey on the status quo and the experiences of the project participants then served as the base for setting the requirements for the digital infrastructure of the Smart Bridge. The created (minimum) requirements portfolio refers to the identified levels of data management (data acquisition, data transmission, data storage, data processing, data evaluation and life cycle management) and forms the framework for the digital infrastructure concept. The area of data acquisition includes the collection, indexing, digitalisation and reformatting of a wide variety of data and data formats. Within the framework of the project concept, the objective, data clusters, sensor equipment and measurement intervals are taken into account. Data transmission is defined as the transmission of the recorded measured values from the sensor to the processing unit as well as from the processing unit to the data storage, which can in principle be wireless or wired. For the transmission of the data from the sensor to the measuring computer at the bridge, a predominantly wireless transmission is provided. The subsequent transmission of the data from the measuring computer to the data memory is to be wireless via 5G mobile standard. The data storage includes the storage of the acquired data in structured form in a database as well as the processes directly related to the data storage. The concept envisions a cloud-based solution that can be implemented as a public or private cloud. Data processing and data evaluation deals with the further processing as well as increasing the quality of the collected data and should basically be carried out automatically. The last level of the concept is life cycle management, considering the object level and the network level. The consideration at object level is carried out individually for each bridge on the basis of the collected and processed data. The consideration at network level, on the other hand, provides for the consideration of large-scale bridge clusters from a superordinate perspective. Finally, various aspects of implementation were dealt with for the developed concept for the digital infrastructure. These include the necessary adaptation of the processes in operation, organisational adaptations, necessary personnel qualification, hardware and software equipment to be procured, as well as an exemplary estimate of the costs. In combination with adequate data management, the Smart Bridge provides comprehensive information on the actual impacts and resistances of the bridge through continuous monitoring by sensors. This opens up new possibilities, such as carrying out the recalculation based on the actual impacts and resistances or the continuous computational condition assessment. In addition, other future-oriented technologies, such as the use of drones, virtual reality or augmented reality, can be taken into account.