Viele Brücken in Deutschland erreichen langsam das Ende ihrer geplanten Lebensdauer. Umso wichtiger ist es jetzt, sie regelmäßig zu prüfen.
Die Arbeit der Wissenschaftler in dem Projekt ist vielseitig: Hier schrauben David Müller und Raphael Dyrska am Prototypen der Drohne.
Der erste Prototyp war mit acht Zentimetern Durchmesser extrem klein, was sie zwar sehr wendig machte, es aber auch erschwerte, einen ausreichend großen Akku und weitere wichtige Komponenten unterzubringen. Daher haben die Forscher eine etwas größere Drohne entwickelt, welche alle Anforderungen für den realen Einsatz erfüllt.
Marcel Neuhausen und Patrick Herbers werten gemeinsam die Daten eines Drohnenfluges im hauseigenen Fluglabor (ZESS) aus.
Risse im Beton sind ein ernstzunehmendes Alarmzeichen bei Brücken. Durch sie kann zum Beispiel Feuchtigkeit eindringen und die Stahlbewehrung zum Rosten bringen, die dadurch instabil werden kann.
Brücken
Wie eine Mini-Drohne Risse im Beton aufspürt
Brückeninspektionen sind aufwendig und teuer. Eine autonome Drohne könnte Prüferinnen und Prüfern in Zukunft die Arbeit erleichtern – und Risse entdecken, die niemand sieht.
Jedes Jahr müssen tausende Brücken in Deutschland geprüft werden. Viele von ihnen stammen aus den 1960er- bis 1980er-Jahren, als der Bauboom nach dem Krieg seinen Höhepunkt erreichte. Doch mit dem Alter kommen die Probleme: Hitze, Frost, Umwelteinflüsse und vor allem das steigende Verkehrsaufkommen – insbesondere durch schwere LKW – setzen den Bauwerken zu. „Die kritische Phase beginnt jetzt“, erklärt Patrick Herbers vom Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen der Ruhr-Universität Bochum. „Viele dieser Brücken erreichen langsam das Ende ihrer geplanten Lebensdauer – und das Land muss sicherstellen, dass sie nicht plötzlich zusammenbrechen.“
Digitalisierung im Prüfwesen bisher rudimentär
Die regelmäßigen Prüfungen sind aufwendig und teuer. Bisher arbeiten Prüferinnen und Prüfer mit Klemmbrett und Kamera vor Ort, machen Fotos und Notizen – und werten alles später im Büro aus. Dabei können Fehler passieren, und die Inspektion ist mit Sperrungen, Kränen oder aufwendigen Kletterarbeiten verbunden. Besonders tückisch: Risse im Beton sind oft nur haardünn. „Ab 0,2 bis 0,3 Millimetern wird es kritisch“, erklärt Patrick Herbers. „Doch aus zwei Metern Entfernung sind sie mit bloßem Auge kaum zu erkennen.“
Eine neue Drohne soll die Brückeninspektion revolutionieren – und zwar von innen. Entwickelt hat sie ein Team um David Müller und Dr. Raphael Dyrska vom Lehrstuhl für Regelungstechnik und Systemtheorie zusammen mit Patrick Herbers vom Lehrstuhl Informatik im Bauwesen sowie Dr. Marcel Neuhausen vom Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz und Formale Methoden.
Von Links: David Müller, Marcel Neuhausen, Patrick Herbers und Raphael Dyrska arbeiten gemeinsam am Projekt „Autonome Brückeninspektion mit Drohnen“.
Das Projekt ist eine echte Bochumer Kooperation: Während Müller und Dyrska an der Flugregelung und der Hardware der Drohne arbeiten, kümmern sich Neuhausen und Herbers um die künstliche Intelligenz, die Risse erkennen soll. „Wir haben uns gefragt: Wie können wir die Bauwerksprüfung digitalisieren und gleichzeitig sicherer und effizienter machen?“, erklärt Müller.
Die Idee ist nicht neu – große Drohnen werden bereits eingesetzt, um Brücken von außen zu inspizieren. Doch die engen Hohlkästen, die sich in vielen Brücken befinden, sind für diese fliegenden Riesen tabu. „Da passt keine Drohne rein, die größer als ein Fußball ist“, sagt Müller. „Und selbst wenn, dann funktionieren viele Sensoren dort nicht, weil die Umgebung viele Einschränkungen mit sich bringt.“
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Also skalierten die Forscher das Problem runter – und bauten eine Drohne, die klein genug ist, um in diese Hohlräume zu fliegen. „Wir haben angefangen mit einer fertigen Drohne, die wir modifiziert haben“, erzählt Müller. „Doch schnell wurde klar: Das reicht nicht. Also haben wir uns eine eigene Drohne gebaut – von Grund auf.“
Klein, aber oho: Wie die Drohne funktioniert
Die erste Version der Bochumer Drohne war winzig: gerade einmal acht Zentimeter im Durchmesser. Damit passte sie in jeden Hohlkasten. „Doch die kleine Drohne hatte ein großes Problem: Sie brauchte ständig eine Verbindung zum Computer, um die Bilder zu streamen und die Risse zu erkennen“, erklärt Müller. „Und die Flugzeit? Gerade mal fünf bis sechs Minuten.“
Also ging das Team einen Schritt weiter und baute eine größere Version – mit 23 Zentimetern Durchmesser. Diese Drohne fliegt komplett autonom. Sie plant ihre Route selbst, scannt die Wände mit einer KI nach Rissen ab und speichert die Ergebnisse direkt auf einer SD-Karte. Kein Kabel, kein PC, keine Unterbrechung.
Um die Brückeninspektion zu vereinfachen, wollen die Bochumer Wissenschaftler sie digitalisieren und automatisieren.
Doch wie findet sich die Drohne in den dunklen, verwinkelten Hohlräumen zurecht? „GPS funktioniert dort nicht“, sagt Herbers. „Also nutzen wir SLAM – Simultaneous Localization and Mapping.“ Ein Algorithmus, der ähnlich wie ein moderner Rasenmäher-Roboter gleichzeitig die Umgebung kartiert und die Position der Drohne bestimmt. „Stellen Sie sich vor, Sie betreten einen dunklen Raum und tasten sich mit verbundenen Augen vorwärts“, erklärt Müller. „Jeder Schritt gibt Ihnen neue Informationen über die Umgebung – und gleichzeitig wissen Sie, wo Sie sich befinden. Genau das macht SLAM.“
Nicht jeder dunkle Fleck ist ein Riss
Doch die Herausforderungen sind enorm. „In den Hohlkästen gibt es kaum Platz. Gleichzeitig muss auf der Drohne viel Sensorik und Hardware befestigt werden“, sagt Müller. „Und die Hardware muss leicht und energiesparend sein – aber trotzdem leistungsfähig genug, um Risse zu erkennen.“ Die KI, die die Risse detektiert, läuft auf der Drohne selbst. Sie analysiert jedes Bild Pixel für Pixel und gibt nicht nur an, ob ein Riss vorliegt, sondern auch, wie sicher sie sich ist. „Nicht jeder dunkle Fleck ist ein Riss“, erklärt Neuhausen. „Manche sind nur Farbkleckse oder Poren im Beton. Und Spinnweben sehen aus wie Risse im Beton, sind aber harmlos.“
Um diese Unsicherheiten zu reduzieren, hat das Team eine clevere Lösung: Die Drohne kann unsichere Stellen aus verschiedenen Perspektiven anfliegen und so die Erkennung verbessern. „Die Drohne entscheidet selbst, ob sie eine Stelle nochmal genauer unter die Lupe nehmen muss“, sagt Herbers.
Das ist wie ein Orchester, bei dem jeder Musiker sein eigenes Instrument spielt – und am Ende muss es harmonieren.
Doch so klein die Drohne auch ist – sie hat ihre Grenzen. „Die Batterielaufzeit ist eines der größten Probleme“, gibt Müller zu. „Mit fünf bis sechs Minuten Flugzeit kommen wir nicht weit. Also mussten wir mit der größeren Version Kompromisse eingehen.“ Auch die Integration aller Module auf der Drohne ist eine Herausforderung. „Jedes Modul – Flugregelung, KI, Sensoren – funktioniert für sich allein“, erklärt Herbers. „Doch alles gleichzeitig auf einem Gerät zum Laufen zu bringen, das in der Luft schwebt? Das ist wie ein Orchester, bei dem jeder Musiker sein eigenes Instrument spielt – und am Ende muss es harmonieren.“
Tests im Fluglabor
Aktuell testet das Team die Drohne im Fluglabor des Zentrums für das Engineering Smarter Produkt-Service Systeme (ZESS) der Ruhr-Universität, wo der Lehrstuhl für Regelungstechnik und Systemtheorie ein Indoor-Fluglabor betreibt. „Wir simulieren dort die Bedingungen in einem Hohlkasten“, sagt Herbers. „Mit einem Motion-Capture-System, das normalerweise in der Filmindustrie für Spezialeffekte genutzt wird, können wir die Position der Drohne millimetergenau bestimmen – und so testen, ob unser unsere Algorithmen funktionieren“, so Müller.
Der nächste Schritt steht auch bereits an: der Einsatz in einer echten Brücke. „Wir wollen zeigen, dass unsere Drohne nicht nur im Labor funktioniert, sondern auch in der Praxis“, sagt Neuhausen. „Und wir wollen mit echten Brückenprüfern zusammenarbeiten, um zu sehen, wie wir ihnen die Arbeit erleichtern können.“
Betonbrücken verfügen über sogenannte Hohlkästen. Diese ermöglichen einen Blick in das Innere der Bauwerke. In diesen Hohlkästen sollen die Drohnen nach Rissen im Material suchen.
Die Drohne soll die Prüferinnen und Prüfer unterstützen – nicht ersetzen
Denn eines ist klar: Die Drohne soll die menschlichen Prüferinnen und Prüfer nicht ersetzen, sondern unterstützen. „Am Ende muss ein Mensch die Daten gegenprüfen“, betont Herbers. „Aber unsere Drohne kann ihm die lästige Datensammlung abnehmen – und ihn auf die kritischen Stellen aufmerksam machen.“
Idealerweise entsteht am Ende ein digitaler Zwilling der Brücke: ein 3D-Modell, in dem alle Risse und Schäden verzeichnet sind. „Stellen Sie sich vor, eine Prüferin oder ein Prüfer bekommt ein Tablet mit einer Karte der Brücke“, erklärt Herbers. „Dort sind alle Stellen markiert, die die Drohne als kritisch eingestuft hat – inklusive Unsicherheitsbewertung. Die Prüferin oder der Prüfer muss dann nur noch die unsicheren Stellen manuell kontrollieren und kann sich auf die Bewertung konzentrieren.“
Ausblick: Von der Theorie zur Praxis
Die Bochumer Forscher sind zuversichtlich, dass ihre Drohne die Brückenprüfung revolutionieren kann. „Es gibt noch viele offene Fragen“, sagt Dyrska. „Wie wirken sich verschiedene Brückenkonstruktionen auf die Flugfähigkeit aus? Wie können wir die Rissbreite noch genauer messen? Und wie integrieren wir all das in die bestehenden Prüfverfahren?“
Eines ist sicher: Die Digitalisierung der Bauwerksprüfung ist unvermeidbar. „Die Zahl der Brückenprüfer geht zurück, die Anforderungen steigen – und die Brücken werden nicht jünger“, sagt Neuhausen. „Mit unserer Drohne können wir die Inspektionen sicherer, schneller und günstiger machen. Und das ist ein Riesenschritt nach vorne.“
