Mit Sensorik zum eigenen Nervensystem
Diese Messmethode, das sogenannte Structural Health Monitoring (SHM), kommt weltweit zum Einsatz – vor allem bei Brücken, Offshore-Windkraftanlagen oder Tunneln. SHM fungiert wie ein Nervensystem für Bauwerke. Die Funktionsweise basiert auf strategisch platzierten Sensoren, die kontinuierlich Schwingungen, Temperatur oder Materialdehnungen erfassen. Diese Rohdaten werden an zentrale Recheneinheiten übermittelt, wo spezialisierte Algorithmen selbst kleinste, für das menschliche Auge unsichtbare Abweichungen vom normalen Strukturverhalten analysieren.
Der entscheidende Vorteil dieser Methode liegt auf der Hand: Schäden und Materialermüdungen können frühzeitig erkannt werden, bevor sie sich zu kritischen Beeinträchtigungen entwickeln – das spart erhebliche Instandhaltungskosten. „Unsere Daten liefern dem Eigentümer wichtige Informationen darüber, wie flexibel und sicher der Sprungturm bei Belastung reagiert“, erklärt Dragos. Der Doktorand hat Bauingenieurwesen an der Aristotle University of Thessaloniki studiert. Heute leitet er die Arbeitsgruppe für Smart Monitoring am IDAC und teilt seine Arbeitszeit zwischen Hamburg und seiner Heimatstadt Thessaloniki auf. „Durch die Messungen geben wir Hinweise auf mögliche Schäden und zeigen, welche Bereiche näher untersucht werden sollten.“
Das Schwimmbad wird derzeit saniert, die Hamburger Messdaten fließen somit direkt in die offizielle statische Bewertung ein. Dass Systeme wie das SHM trotz ihres Nutzens im Alltag – etwa bei Wohnhäusern – noch selten zu finden sind, hat laut Dragos pragmatische Gründe: „Letztlich ist der Einsatz immer das Ergebnis einer Kosten-Nutzen-Analyse der Eigentümer. Momentan wird diese Technologie ganz gezielt für Infrastrukturen priorisiert, die für die Öffentlichkeit sicherheitskritisch sind, wie Brücken oder Pipelines.“
Diese Ausstattung sicherheitskritischer Strukturen mit Monitoringsystemen birgt aber auch Gefahren, warnt Professor Kay Smarsly. Er ist Leiter des Instituts für Digitales und Autonomes Bauen (IDAC) der TUHH. „Zukünftig sind Bauwerke immer mehr mit Sensorik ausgestattet, die wiederum online verfügbar ist. Dies öffnet Tür und Tor für Cyber-Attacken“, so Smarsly. „Ein Bauwerk kann also intakt sein, während sein online vernetztes Monitoringsystem fehlerhaft oder kompromittiert ist – und umgekehrt.“ Die umfassende digitale Vernetzung der Infrastruktur macht Bauwerke somit nicht nur intelligenter, sondern auch verwundbarer.
Kritische Infrastruktur im Visier
„Bei einer modernen Brücke oder einem Tunnel dürfen wir nicht mehr nur die physische Struktur betrachten“, sagt Smarsly. „Das Bauwerk, seine Sensoren, die Kommunikationsnetze, die Datenverarbeitung und die darauf aufbauenden Entscheidungen bilden gemeinsam ein cyber-physisches System.“ Ein solches Gesamtsystem kann laut Smarsly auf drei Arten beeinträchtigt werden: durch Schäden am Bauwerk selbst, durch Fehler im Monitoringsystem – beispielsweise einen defekten Sensor – und durch Cyberangriffe.
Das realistischste Szenario sei gegenwärtig nicht der viel zitierte „Brückeneinsturz per Mausklick“, so Smarsly, sondern Angriffe auf die digitalen Augen und Nerven der Infrastruktur. Messdaten könnten manipuliert werden, Monitoringdienste außer Betrieb gesetzt, Warnungen unterdrückt oder falsche Alarme ausgelöst. Als Konsequenz könnte entweder eine lebenswichtige Wartung ausbleiben oder teure Fehlsperrungen drohen. Besonders kritisch wird es, wenn auch die Aktorik – also die steuerbaren Elemente von Drehbrücken oder Tunnellüftungen – manipuliert wird.
Vom Immunsystem lernen
An diese neue Bedrohungslage setzt das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Kooperationsprojekt „Digital Immunization of Civil Infrastructure“ an. Dazu kooperiert das IDAC mit dem Laboratory of Experimental Strength of Materials and Structures der Aristotle University of Thessaloniki. Der besondere Kniff hinter dem Projekt: Das Forschungsteam überträgt die Funktionslogik des biologischen Immunsystems auf Bauwerke. Der menschliche Körper schützt sich durch eine schnelle, angeborene Abwehr und bildet über die adaptive Immunität ein Gedächtnis gegen zukünftige Angriffe. Nach diesem Vorbild soll auch die digitale Schutzarchitektur von Brücken oder Tunneln lernfähig werden und Bedrohungen selbstständig abwehren. „In unserem digitalen Gegenstück übernehmen Sensoren, Diagnosemodule, digitale Bedrohungsmarker und Reaktionsspeicher vergleichbare funktionale Rollen“, erklärt Smarsly.
Das Team am IDAC leistet damit weltweite Pionierarbeit: Bislang gab es für die Baubranche keine Referenzarchitektur, die die immunologische Funktionskette – von der Zelle bis zum Botenstoff – eins zu eins nachbildet und auf digitale Komponenten überträgt. Für Kosmas Dragos ist das System der nächste logische Schritt einer bereits bestehenden und bewährten Technologie: „Der Begriff der digitalen Immunisierung klingt zwar neu, aber die Technologie basiert auf der konsequenten Weiterentwicklung bereits real existierender Werkzeuge – wie den sogenannten digitalen Zwillingen.“ Ein solcher „digitaler Zwilling“ ist ein virtuelles Abbild des echten Bauwerks am Computer, das mit allen realen Sensordaten gefüttert wird und dessen Verhalten modellhaft abbildet.
Erkennt das selbstschützende Bauwerk der Zukunft eine Bedrohung, startet eine abgestufte, automatisierte Schutzkette. Zuerst wird der verdächtige Sensorwert mit den Messdaten von Nachbarsensoren und dem erwarteten Strukturverhalten abgeglichen. Bestätigt sich der Verdacht, kann der betroffene Datenstrom oder der gehackte Netzwerkknoten dezentral isoliert werden. An dieser Stelle soll eine Art digitale Selbstheilung greifen. Ein rechnerisch erzeugter „virtueller Sensor“ ersetzt dann vorübergehend die Ausfälle, sodass das Monitoring weiter betrieben werden kann, bis der defekte Sensor ausgetauscht wurde. Möglich wird diese Selbstheilung durch physikbasierte Modelle. Da der Algorithmus die mechanischen Gesetzmäßigkeiten des Bauwerks berücksichtigt, kann er die fehlenden Messwerte modellbasiert rekonstruieren.
