An ontology-based approach for developing digital process twins in construction

Kirner, Lukas Tobias; Beetz, Jakob; Brell-Cokcan, Sigrid

doi:HT030892382

An ontology-based approach for developing digital process twins in construction = Ein ontologie-basierter Ansatz für die Entwicklung digitaler Prozesszwillinge im Bauwesen

Kirner, Lukas Tobias^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von: Lukas Kirner

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak02

Hauptberichter/Gutachter
Brell-Cokcan, Sigrid (Thesis advisor)^RWTH* ; Beetz, Jakob (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-10076
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/995696/files/995696.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Individualisierte Bauproduktion (211510)

Projekte

BMBF 02P17D081 - Verbundprojekt: Informationsnetzwerke zur unternehmensübergreifenden Kollaboration in den Fertigungsketten des Bauwesens (IoC - Internet of Construction); Teilprojekt: Wirtschaftlichkeitsanalyse unternehmensübergreifender Kollaboration in den Fertigungsketten des Bauwesens (BMBF-02P17D081) (BMBF-02P17D081)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
building information modeling (frei) ; construction (frei) ; digital process twins (frei) ; digital twin (frei) ; linked data (frei) ; ontology (frei) ; robotics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 720

Kurzfassung
Die Bauindustrie steht vor einem radikalen Wandel, wenn sie den heutigen sozialen und ökologischen Herausforderungen gerecht werden will. Dieser Wandel erfordert erhebliche Effizienz- und Produktivitätssteigerungen. Derzeit werden diese Steigerungen durch einen Mangel an Digitalisierung und eine unzureichende, Lebenszyklus übergreifende Nutzung digitaler Informationen im Bauwesen behindert. Ein Konzept, das in anderen Sektoren bereits erfolgreich zur Digitalisierung und Automatisierung eingesetzt wird, ist der digitale Zwilling. Um diese vielversprechende Ansatz in der Bauindustrie umzusetzen und zu einem "digitalen Prozesszwilling" weiterzuentwickeln, wird ein innovativer Ansatz vorgeschlagen, der die Darstellung und Verknüpfung von Prozessinformationen und -wissen für Bauprozesse ermöglicht. Der vorgeschlagene Ansatz verfolgt ein offenes, unabhängiges und dynamisch erweiterbares Informationssystem, das auf Linked-Data-Prinzipien und Semantic-Web-Technologien basiert. Es ermöglicht ein dynamisches Bauprozessmodell, das Informationsrückmeldungen aufnehmen, den Echtzeitzustand der zugrundeliegenden Prozesse genau wiedergeben und automatisierte Baumaschinen steuern kann. Dadurch kann das Informationssystem als robuste Grundlage für den digitalen Prozesszwilling dienen. Im Mittelpunkt dieses Ansatzes steht die Entwicklung einer umfassenden Bauprozess-Ontologie, die als Top-Level-Ontologie positioniert ist. Sie fungiert als zentrales Element, das Konstruktionsinformationen, übergreifende Prozesslogiken, Randbedingungen und domänenspezifische Prozessinformationen und -wissen harmonisiert. Der Wissensgraph, der als Ergebnis modelliert werden kann, dient als vereinheitlichende Datenbank und Informationsaustauschschicht für alle Beteiligten. Er hat daher das Potenzial, zukünftige technologische Fortschritte in der Automatisierung und künstlichen Intelligenz im Bauwesen zu unterstützen. Diese Arbeit befasst sich praxisnah mit den Herausforderungen der Digitalisierung und des Informationsaustauschs im Bauwesen und des ontologiebasierten Ansatzes für die Entwicklung digitaler Prozesszwillinge. Um die Wirkung und Nützlichkeit des Konzepts zu erhöhen, basiert es auf Anwendungen und Schnittstellen, die in praktischen Umgebungen und unter realen Bedingungen mit Hilfe von Demonstratoren entwickelt und evaluiert werden. Diese Demonstratoren sollen Implementierungsbeispiele liefern und die Machbarkeit des Ansatzes in verschiedenen Szenarien beweisen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zu einer modernen Bauindustrie zu leisten, um Produktivität, Sicherheit, Nachhaltigkeit und Flexibilität angesichts der zunehmenden sozialen Verantwortung und des technologischen Fortschritts zu gewährleisten.

The construction industry faces a radical transformation if it is to meet today's social and environmental challenges. This transformation requires significant efficiency and productivity gains. Currently, these gains are hampered by a lack of digitalization and underutilization of digital information throughout the building lifecycle across the construction value chain. One concept that has been observed to address these shortcomings in other sectors is the digital twin. In order to implement this promising solution in the construction industry and to further develop it into a "digital process twin", an innovative approach is proposed that enables the representation and linking of process information and knowledge for construction processes. The proposed approach advocates an open, independent and dynamically extensible information system based on Linked Data principles and Semantic Web technologies. It enables a dynamic construction process model that can accommodate information feedback, accurately reflect the real-time state of the underlying processes and control automated construction machinery. As a result, the information system can serve as a robust foundation for the digital process twin. Central to this approach is the development of a comprehensive construction process ontology, positioned as a top-level ontology. It acts as a central element that harmonizes construction information, overarching process logics, constraints, and domain-specific process information and knowledge. The knowledge graph that can be modeled as a result serves as a unifying database and information exchange layer for all stakeholders. Hence, it has the potential to underpin future technological advances in automation and artificial intelligence within the construction domain. This thesis addresses the challenges of digitalization and information exchange in construction in a practical manner, culminating in the proposal of an ontology-based approach for the development of digital process twins. In order to increase the impact and usefulness of the concept, it is based on applications and interfaces that are developed and evaluated in practical environments and real-world conditions with the help of demonstrators. These demonstrators are intended to provide implementation examples and prove the feasibility of the approach in different scenarios. The intended outcome of this thesis is to contribute to an improved future construction industry focused on productivity, safety, sustainability and responsiveness in the face of increasing social responsibility and significant technological advances.

OpenAccess:
PDF
(additional files)