Arbeitspaket 5: Modulare Simulations- und Wissensmodelle

Das Arbeitspaket AP5 synthetisiert und formalisiert das Wissen in verschiedenen Bereichen der baubetrieblichen Simulation und erarbeitet die formale Wissensrepräsentation und –strukturierung sowie die Erstellung von Simulationsmodellen auf Basis der aktuell vorhandenen Prozess-/Produktdaten auf der Plattform. Es werden verschiedene Simulationsverfahren eingesetzt, mit Schwerpunkt auf ereignisgesteuerten Baustellensimulationen für die Bauausführungsphase.

In den folgenden Abschnitten sind die wesentlichen Zwischenergebnisse aus dem Arbeitspaket AP5 im Hinblick auf die folgenden vier Projektphasen zusammengefasst:

Phase 4: Validierung und Demonstration

Die im Arbeitspaket AP5 entwickelten Simulationswerkzeuge und Referenzmodelle wurden bei der Ausarbeitung der Demonstrationsszenarien zur Bauablaufsimulation getestet, aktualisiert und verbessert. Entwicklungsschwerpunkte waren der Ausbau der Szenarienverwaltungen und der erweiterte Einsatz von Filtermethoden, um Eingangsinformationen aus den unterschiedlichen, verlinkten Fachmodellen verwenden zu können.

Einteilung der Elemente und Vorgänge in Arbeitsabschnitte im SiteSimEditor, Simplan AG

Im SiteSimEditor wurde die Definition von logistischen Eingangsdaten für die Simulation erweitert. Insbesondere die Übernahme des Baustellenlayouts wurde deutlich verbessert, so dass logistische Simulationen in einer frühen Planungsphase schneller und transparenter aufgestellt werden können. Weiterhin wurden die Komponenten zur Ressourcenverwaltung ausgebaut. Für die Szenarienverwaltung bietet der SiteSimEditor die Möglichkeit, verschiedene Referenzprozesse, Ausführungsrestriktionen, Ressourcen und Schichten für ein Bauprojekt zu definieren. Somit können einfacher verschiedene Ausführungsalternativen simuliert und ausgewertet werden. Eine Komponente für die Gegenüberstellung und Visualisierung der Simulationsergebnisse im Sinne eines „Business Intelligence and Reporting Tool“ ist noch in Arbeit.

Mit der prozessbasierte Simulationsplattform wurden Montagevarianten des Mefisto-Flugsteigs in unterschiedlichen Detaillierungen simuliert. Mit der erweiterten Attributierung und Detaillierung der Multimodelle mussten auch die Referenzprozessmodule angepasst und neue Funktionen z.B. für die parametrische Teilung von Produktionseinheiten (z.B. Bauelement oder Leistungsmengen) entwickelt werden.

Um die Zusammenarbeit zwischen Arbeitsvorbereitung und Simulation zu unterstützen, wurde die Webschnittstelle „ProSIM“ für die Simulationsplattform realisiert. Neben dem direkten Zugriff auf die Simulationsbausteine enthält diese einen Multimodell-Navigator, über dem Multimodell-Container geladen, verwaltet und geprüft sowie die Simulationsergebnisse visualisiert werden können.

Phase 3: Systementwicklung und Testen

Das Arbeitspaket AP5 befindet sich zurzeit in der dritten Projektphase. Bisher wurden in dieser Phase die Simulationsmodelle zur Montagesimulation beim Mefito-Hochhaus und zur Logistiksimulation beim Mefisto-Flughafen weiter ausgearbeitet, getestet und optimiert sowie weitere Referenzmodule für Montage- und Logistikprozesse definiert. Parallel hierzu wurden auch weitere Simulationsmodule für Bauwerks-, Baugeräte- und Baustellenlogistikelemente in der Simulation implementiert sowie ergänzende Werkzeuge für den Import und die Aufbereitung von Projektinformationen aus Multi-Modellen umgesetzt.

Layout der Simulation für den Rohbau eines Flughafen-Terminals, Simplan AG


Die obige Abbildung zeigt beispielhaft das Simulationsmodell, welches mit dem SiteSim-Editor auf Basis eines Multi-Modell-Containers des Mefisto-Flughafens generiert wurde.

Simulation der Montageprozesse beim Mefisto-Hochhaus
Die Simulationsmodelle für das Mefisto- Hochhaus und die entsprechenden Referenzprozess- und Simulationsmodule wurden von den Forschungs- und Industriepartnern getestet und weiter überarbeitet. In Zusammenarbeit mit den Bauunternehmen wurden Referenzprozess- und Simulationsmodule für weitere Montagevarianten erarbeitet und die entsprechenden Simulationsergebnisse untersucht.

Simulation der Logistikprozesse beim Mefisto-Flughafen
Für das Simulationsszenario wurden die Fragestellungen an die Logistiksimulation und die entsprechenden Anforderungen an die Eingangsdaten konkretisiert. Darauf aufbauend wurden die Fachmodelle am Mefisto-Flughafen ergänzt und neu definiert sowie die Simulationsmodelle weiter aufgearbeitet, so dass jetzt wesentliche Fragstellungen (Engpässe Zulieferung, Auslastung der Kräne, etc.) analysiert werden können. Zusätzlich zu den für die Montagesimulation entwickelten Komponenten wurden hierbei weitere Referenzprozess- und Simulationsmodule implementiert, sowie ergänzende Werkzeuge zur Definition, zum Import und zur Aufbereitung von Multi-Modellen umgesetzt.

Werkzeuge zur Referenzmodellierung von Simulationen
Im Vordergrund der Softwareentwicklung stand die Ausarbeitung von Import-Schnittstellen zur Übernahme von Eingangsdaten aus den Mengen-, Baustellen- und Vorgangsmodellen eines Multi-Modell-Kontainers in die Simulation.
Für die Simulationslösung des STS-Bausteinkastens wurde die Simulationsdatenbank weiter umgesetzt, über welche wesentliche Eingangsdaten für die verschiedenen Simulationen im Mefisto-Projekt bereitgestellt werden sollen. Vom Projektpartner RUB wurde der SiteSimEditor zur Spezifikation von Eingangsdaten für die Simulation weiter ausgearbeitet. Neben der Benutzerschnittstelle zur Verknüpfung und Konfiguration von Referenzprozessen auf der Grundlage von 3D Bauwerksmodellen wurde insbesondere die Integration von Informationen bzgl. der Baustelleneinrichtung und der Lieferketten ermöglicht. Um einen durchgängigen Simulationsworkflow zu gewährleisten, werden zurzeit die Multi-Modell-Kontainer, der SiteSimEditor und die Simulationsdatenbank weiter aufeinander abgestimmt.
Für den Austausch von Modellen des Baustellenlayouts wurde in Zusammenarbeit mit dem Arbeitspaket AP7 eine XML-Fomat definiert sowie entsprechende Import-Komponenten für die unterschiedlichen Simulationslösungen umgesetzt, mit denen ein Baustellenlayout in der Simulation automatisch generiert werden kann.
Für Lösungen zur prozessbasierten Simulation wurden verschiede Simulationsmodule in Plant Simulation angepasst und neu entwickelt. Neue Module wurden insbesondere für Baustellenelemente in der Logistiksimulation sowie für die Generierung und Verwaltung von Produktionsressourcen in der Logistik- und Montagesimulation erstellt. Darüber hinaus wurde eine grafische Webschnittstelle umgesetzt, über welche die Eingangsinformationen des Multi-Modell-Containers sowie die Ergebnisse der Simulation im Web-Browser überprüft werde können.

Phase 2: Ausarbeitung und Spezifikation

Im Arbeitspaket AP5 wurden die Szenarien und exemplarischen Fachmodelle zur Simulation der „Materiallogistik beim Mefisto-Flughafen“ sowie der „Montageprozesse beim Mefisto-Hochhaus“ weiter ausgearbeitet. Darauf aufbauend wurden die für die Simulation erforderlichen Eingangsinformationen identifiziert sowie Modellierungsvorlagen für die Referenzmodellierung von Simulationen entwickelt.

Mefisto-Simulationsbausteine für die prozessbasierte Simulation, Institut für Bauinformatik, Technische Universität Dresden


Die obige Abbildung gibt einen Überblick über die für die prozessbasierte Simulation des Hochhauses umgesetzten Simulationsmodule in Plant Simulation.

Simulation der Montageprozesse beim Mefisto-Hochhaus
Für das Simulationsszenario „Mefisto-Hochhaus“ wurden die Projektdaten eines Hochhausprojekts aufgearbeitet, weitere Eingangsinformationen zur Simulation wie beispielsweise Aufwandswerte zusammengetragen und erste Simulationsmodelle der Montageprozesse aufgebaut. Auf Basis der Beispielsimulationen wurden wiederverwendbare und kombinierbare Modellierungsvorlagen (Referenzmodule) für die Modellierung von Montageprozessen unter Anwendung verschiedener Bauverfahren und Ressourcen identifiziert. Im weiteren Projektverlauf wurden die Simulationsmodelle des Mefisto-Hochhauses und die entsprechenden Modellierungsvorlagen in der Zusammenarbeit der Forschungs- und Praxispartner in mehreren Durchgängen getestet und überarbeitet.

Simulation der Logistikprozesse beim Mefisto-Flughafen
Für das Simulationsszenario „Mefisto-Flughafen“ wurden die Anforderungen an die Simulationsmodelle durch die Forschungs- und Praxispartner weiter spezifiziert und erste entsprechende Simulationsmodelle aufgebaut. Dabei wurde festgestellt, dass viele Informationen über Baustellenlayout, Liefertermine und Liefereinheiten in keinem der üblicherweise in Bauprojekten erstellten Fachmodelle vorliegen. In Abstimmung mit dem Arbeitspaket AP7 wurden deshalb Editoren für die Definition der erforderlichen Baustelleinformationen konzipiert und entsprechende Modellierungsvorlagen (Referenzmodule) für die Bauwerks- und Baustellenmodellierung entworfen. Vom Projektpartner BBV wurden schließlich auch die Wechselwirkungen zwischen Bauproduktions- und unterstützenden Logistikprozessen untersucht.

Eingangsdaten und Referenzmodule für die Simulation
Ausgehend von den erstellten Simulationsmodellen wurden die Datenstrukturen für die Eingangsdaten zur Simulation untersucht. In Zusammenarbeit mit dem Arbeitspaket AP1 wurden Vorschläge für die Erweiterung bestehender sowie für die Spezifikation neuer Fachmodelle zum Austausch von Bauwerks-, Baustellen- und Logistikinformationen erarbeitet.
Für die Durchführung von Simulationen wurden von den Projektpartnern unterschiedliche Softwaresysteme, wie z. B. Plant Simulation (Tecnomatix) und AnyLogic (XJ Technologies) sowie der STS-Bausteinkasten (Flensburger Schiffbaugesellschaft) ausgewählt. Um den Aufwand für die Nutzung von Multi-Modellen in der Simulation zu reduzieren, wurden Referenzmodule zur Simulationsmodellierung und weitere Softwareanwendungen zur Extraktion und Aufbereitung der Projektinformationen aus Multi-Modellen konzipiert. Für die Simulationslösungen auf Basis des STS-Bausteinkastens wurde eine Simulationsdatenbank für die Verwaltung von Referenzmodulen sowie für die Erfassung zugehöriger Projektinformationen aus Multi-Modellen konzipiert. Darüber hinaus wurde ein Editor für die Auswahl und Aufbereitung der Eingangsdaten entworfen. Für die Lösungen zur prozessbasierten Simulation ohne STS-Bausteinkasten wurden entsprechende Datenstrukturen für die Repräsentation von Prozess-, Bauwerks- und Baustellenelementen in der Simulation neu definiert und in Form von ersten Simulationsmodulen umgesetzt.

Phase 1: Anforderungen und Konzeption

Die Arbeiten im Arbeitspaket AP5 begannen mit der Konzeption eines Vorgehens zur gezielten Erstellung von Simulationen mit Hilfe der bereits vorhandenen Projektinformationen und den in AP1 und AP2 zu entwickelnden Modellierungsmethoden. Hierfür wurde zunächst der Einsatz verschiedener Simulationsmethoden und entsprechender Softwaresysteme im Bauwesen verglichen. Darüber hinaus wurden Beispielszenarien für die Untersuchung von Simulationen im Mefisto-Projekt ausgearbeitet.

Simulationsmodell für das Hochhausbeispiel


Die obige Abbildung zeigt ein erstes Simulationsmodell für eine Etage des Mefisto-Hochhauses in Plant Simulation auf der Grundlage des STS-Bausteinkastens.

Simulationsszenarien Mefisto-Flughafen und Mefisto-Hochhaus
Um das Vorgehen zur Erstellung von Simulationen und die sich daraus ergebenden Anforderungen an Softwaresysteme und Fachmodelle genauer spezifizieren zu können, wurde begonnen, beispielhafte Szenarien von Produktions- und Logistikprozessen mit Hilfe des in AP1 und AP2 entwickelten Verfahrens zur Szenariomodellierung auszuarbeiten.
Auf der Grundlage von realen Bauprojekten wurden zwei Simulationsszenarien zur Untersuchung der „Materiallogistik beim Bau eines Flughafenterminals“ sowie der „Montageprozesse bei einem Hochhaus“ aufgestellt. Für die Szenarien wurden zunächst die erforderlichen Modellierungsvorlagen identifiziert, die im Sinne der im Arbeitspaket AP2 definierten Referenzprozessmodule für die Modellierung der Logistik- und Montageprozesse sowie für die Modellierung der zugehörigen Bauwerks- und Baustellenmodelle erforderlich sind. In Zusammenarbeit mit AP4 wurde daraufhin die Überführung der Referenzprozessmodule in entsprechende Vorlagen zur Simulationsmodellierung sowie die Übernahme von Informationen aus den Fachmodellen diskutiert.

Teilaufgaben des AP5

Anforderungen an die Simulations- und Wissensmodelle

In dieser Teilaufgabe sind die Anforderungen an die verschiedenen Simulationsmodelle zu spezifizieren und zu typisieren. Die Ziele für die verschiedenen Simulationsaufgaben, beispielsweise für Aufgaben des Controllings, des Risikomanagements, der Baustelleneinrichtung und der Ausführungsplanung, sowie deren mögliche Detaillierungsstufen und Eingangsdaten sind aufzuarbeiten.

Struktur und Aufbau der Simulations- und Wissensmodelle

Simulationsmodelle werden auf Grundlage der generischen Prozessmuster und Prozessmodule in drei Schritten aufgebaut. Zunächst werden die vorklassifizierten Prozessmuster für den gegebenen Kontext ausgewählt. Sodann erfolgt die Parameter-Anpassung und die Initialisierung von Simulationsgrößen für die konkret vorliegende Situation. Somit entstehen Simulationsmodule, die schließlich zu komplexen Simulationsmodellen zusammengeführt werden.

Extraktion und Integration von Eingangsdaten und –modellen

Nach dem Aufbau eines Simulationsmodells hängt die Qualität der Simulationsergebnisse von den aufbereiteten Eingangsdaten und -modellen ab. Aufbauend auf den Interoperabilitätsmethoden des Arbeitspakets 4 werden weiterführende Methoden zur Extraktion und Integration entwickelt und umgesetzt. Des Weiteren müssen Methoden zur Bewertung der Qualität der Eingangsdaten sowie der Genauigkeit der Simulationsergebnisse umgesetzt werden.

Strategie- und Szenarienverwalter

Für die vertikalen und horizontalen Modellebenen sind Simulationsszenarien mit unterschiedlichen Simulationsstrategien zu spezifizieren. Für die Szenarien und Strategien wird ein intelligenter Szenarienverwalter umgesetzt, der sich am Bauontologiekern sowie den Prozess- und Wissensmodulen orientiert.

Wissensakquisitionsverfahren

Aufbauend auf der Wissensdatenbank für Strategien und Szenarien sind neue Verfahren zu entwickeln, um vorhandene Prozess- und Wissensmodule zu optimieren bzw. um neue Prozess- und Wissensmodule ableiten zu können. Somit müssen die verschiedenen Simulationsmodelle, verwendeten Eingangsdaten, Szenarien, Strategien und Ergebnisse bzgl. grundlegender Verbesserungsmöglichkeiten untersucht und anschließend bewertet werden. Die Bewertungen werden nachvollziehbar gespeichert, um beim Aufbau neuer bzw. bei der Adaption vorhandener Modelle berücksichtigt zu werden. Es werden verschiedene Bewertungsverfahren vorgesehen.

Charakteristische Simulationsmodelle

Ziel ist es hier, reelle Referenzbausteine (d. h. Simulations- bzw. Wissensmodule) Schritt für Schritt zu erstellen und somit kontinuierliches Testen der entwickelten neuen Methoden mit praktischen Baustellendaten zu gewährleisten. Es werden Referenzbausteine, z.B. für die Bauvorbereitung, Baustelleneinrichtung, Bauausführungsplanung und Logistik, aber auch für das Controlling und das Risikomanagement auf der Basis erstellter Projektmuster aufbereitet und hinterlegt.

AP-Leiter:

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