Wenn Brücken altern, machen sie sie smarter

Außerhalb Münchens steht eine unscheinbare Brücke. Sie ist nur 20 Meter lang, überspannt die Isen in Schwindegg und ist beim Vorbeifahren kaum zu bemerken. Doch unter dieser in die Jahre gekommenen, zweispurigen Brücke verbirgt sich vielleicht die Zukunft des Infrastrukturmanagements: fast 150 Sensoren erfassen nahezu alles – Druck, Belastung, Neigung, Vibrationen und sogar die Temperatur des Bauwerks.

Warum? Weil es sich lohnt, zu wissen, welche Brücken anfällig für Schäden sein könnten, bevor es zu spät ist.

In einer Zeit, in der die meisten Länder mit der Instandhaltung ihrer Infrastruktur zu kämpfen haben, nutzt Deutschland revolutionäre Digital-Twin-Technologie, um kritische Bauwerke zu überwachen und instand zu halten.

Unter der Leitung von Dr. Stefan Küttenbaum und Johannes Wimmer ist das Projekt in Schwindegg eine Kooperation zwischen der Universität der Bundeswehr München und dem Landkreis Mühldorf am Inn. Küttenbaum ist Leiter der Arbeitsgruppe „Kritische Infrastrukturen“ unter der Professur für Massivbau und Wimmer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter. Prof. Thomas Braml leitet den Lehrstuhl für Massivbau. Die Initiative ist Teil des Next Generation EU-Programms, das darauf abzielt, die Resilienz und Nachhaltigkeit kritischer Infrastrukturen zu stärken.

Viele Brücken in Deutschland wurden vor über 60 Jahren gebaut, einige stehen sogar schon seit einem Jahrhundert oder länger. Aufgrund altersbedingter Abnutzung und jahrzehntelanger Nutzung sind Reparaturen und Verbesserungen dringend notwendig. Begrenzte Ressourcen — personell, finanziell und materiell — machen es jedoch kaum realisierbar, jede Brücke zu sanieren. Und doch ist es schwer, einen Preis für die öffentliche Sicherheit festzulegen. Bürger könnten sich beim Überqueren einer Brücke fragen: „Ist sie sicher?“

„Wir haben gerade Tausende von Brücken, die dringend saniert oder sogar ersetzt werden müssen“, sagt Braml. „Allerdings sind die Ressourcen zu begrenzt, um jede Brücke zu ersetzen, und längere Lebensdauern müssen berücksichtigt werden.“

Neben Fragen der Brückensicherheit bestehen Herausforderungen im Bereich Datenmanagement und Skalierbarkeit. Die Verwaltung und Analyse der enormen Datenmengen, die von Monitoring-Systemen an zahlreichen Brücken generiert werden, ist komplex. Die Herausforderung besteht darin, skalierbare Lösungen zu entwickeln, die auf mehrere Brücken angewendet werden können, sodass auch kleinere Bezirke mit begrenzter technischer Expertise von diesen Systemen profitieren können.

Auch die Cybersicherheit gibt Anlass zur Sorge. Angesichts der zunehmenden Bedeutung digitaler Infrastrukturen und der Sensibilität der damit verbundenen Daten ist die Gewährleistung von Cybersicherheit und Datenschutz entscheidend. Dies umfasst die Entwicklung von Systemen, die sicher in hybriden Umgebungen betrieben werden können, was Risiken mit sich bringen kann.

Die angestrebte Lösung liegt in der innovativen Nutzung der Digital-Twin-Technologie, unterstützt durch fortschrittliche Datenmanagementlösungen von NetApp. Mithilfe der Sensoren erfasst das Team eine Fülle von Daten, die anschließend über ein IoT-Gateway zur Analyse an einen universitären Data Lake übertragen werden.

Die Universität der Bundeswehr hat sich mit dem Fraunhofer Institute for Experimental Engineering (IESE) zusammengeschlossen, um mithilfe der Digital-Twin-Technologie die physische und die digitale Welt zu verknüpfen, indem unterschiedliche Datenquellen – ihre Herkunft, Workflows und Intelligence – integriert werden. Das Brückenprojekt ist die erste reale Anwendung der Digital-Twin-Technologie von Beginn ihres Lebenszyklus an.

„Digitale Zwillinge ermöglichen die präzise Erfassung und Analyse von Brückendaten in Echtzeit“, sagt Braml. „Dies ermöglicht ein intelligentes, vorausschauendes Instandhaltungsmanagement. Das Ziel ist es, die verbleibende Nutzungsdauer zu verlängern und gleichzeitig den Ressourcenverbrauch zu reduzieren. Dies leistet einen wichtigen Beitrag zu mehr Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit im Infrastruktursektor.“

Die Sensoren in der Brücke speisen eine Datenbank, die ein digitales Bild erzeugt, das anschließend für Tests und Analysen verwendet wird; und die digitalen Informationen stehen parallel auch für andere Projekte oder Dienstleistungen zur Verfügung. NetApp Technologie wird auf vielfältige Weise eingesetzt:

• Datenspeicherung: NetApp® StorageGRID® bietet eine leistungsstarke, skalierbare Storage-Lösung. Sie gewährleistet, dass alle erfassten Daten sicher gespeichert und leicht zugänglich sind. StorageGRID ermöglicht die nahtlose Integration in die bestehende IT-Infrastruktur und stellt sicher, dass Daten von den Sensoren effizient verwaltet und abgerufen werden können.
• Datensicherheit: Angesichts der sensiblen Natur von Infrastrukturdaten hat Sicherheit höchste Priorität. NetApp bietet umfassende Datenschutzfunktionen, einschließlich Verschlüsselung und sicherer Zugriffskontrollen, um die Daten vor unbefugtem Zugriff zu schützen. Zusätzlich werden die Daten in einer sicheren, Private Cloud-Umgebung gespeichert, wodurch die Einhaltung strenger Datenschutzbestimmungen gewährleistet wird.
• Echtzeitüberwachung und prädiktive Wartung: NetApp Datenmanagementlösungen ermöglichen die Echtzeitüberwachung des Brückenzustands. Durch die Integration von Algorithmen für maschinelles Lernen kann das System Muster analysieren und potenzielle Probleme vorhersagen, bevor sie kritisch werden. Dieser proaktive Ansatz für die Instandhaltung trägt dazu bei, die Lebensdauer der Brücke zu verlängern und die Gesamtkosten für Reparaturen zu senken.

„Wir tun dies für die Brückenbetreiber, da diese oft nicht über die nötigen Ressourcen in Bezug auf Zeit, Budget und Personal verfügen, um alle Daten zur Brückenbewertung und -inspektion sowie die damit verbundenen Informationsflüsse zu verwalten“, sagt Küttenbaum. „Wir finden einen Weg, ihnen zu helfen und sie bei der Digitalisierung zu unterstützen. Die Technologie ermöglicht es uns, große Datenmengen effizient zu verwalten und zu analysieren und liefert uns die Erkenntnisse, die wir benötigen, um fundierte Entscheidungen zu treffen.“

• Skalierbarkeit und Übertragbarkeit: Einer der größten Vorteile dieses Projekts ist seine Skalierbarkeit. Das System ist so konzipiert, dass es für eine breite Palette von Brücken anwendbar ist, von kleinen Bezirksstraßen bis zu größeren Bauwerken. Diese Skalierbarkeit ist entscheidend, um das weit verbreitete Problem der alternden Infrastruktur anzugehen.
• Datenbasierte Erkenntnisse: Das Projekt liefert wertvolle Daten, die für fundierte Entscheidungen über die Brückeninstandhaltung und -sanierung genutzt werden können. Zum Beispiel hat die Datenerhebung gezeigt, dass temperaturbedingte Belastungen bei Brücken stärker sein können als die durch Verkehr verursachten. Diese Erkenntnis ermöglicht genauere Prognosen und bessere Instandhaltungsstrategien.
• Erhöhte Sicherheit: Aufgrund der sensiblen Natur der Infrastrukturdaten legt das Projekt auch besonderen Wert auf Cyber-Resilienz. Die Daten werden in einer sicheren, Private Cloud-Umgebung gespeichert, wodurch sie vor unbefugtem Zugriff geschützt sind.

Die Zukunft dieses Projekts ist vielversprechend, mit Plänen, die Technologie des digitalen Zwillings auf weitere Brücken in Deutschland und weltweit auszuweiten. Zu den anstehenden Projekten gehören die Installation von Sensoren an neuen Brücken und die Anwendung von Algorithmen des maschinellen Lernens zur Verbesserung der Datenanalyse.

„Wir bereiten alles mit den Daten vor, schauen auf die Sensoren und sehen, welche zuverlässig sind und welche nicht“, sagt Wimmer.

Das Team hat sich außerdem zum Ziel gesetzt, Daten aus verschiedenen Quellen, einschließlich Satellitenbeobachtungen, zu integrieren, um einen umfassenden Überblick über den Zustand und die Leistungsfähigkeit der Brücke zu bieten.

Fazit

Dieses Projekt demonstriert, wie die Technologie der digitalen Zwillinge, unterstützt durch fortschrittliche Datenlösungen von NetApp, das Brückenmanagement revolutionieren und skalierbare, datenbasierte Lösungen für die Herausforderungen alternder Infrastruktur bieten kann. Durch die Integration fortschrittlicher Monitoring-Systeme und die Gewährleistung von Datensicherheit setzt die Initiative einen neuen Standard für die Resilienz und Nachhaltigkeit von Infrastrukturen.