Internationales Verkehrswesen (75) 2 | 2023 32 INFRASTRUKTUR Wissenschaft Graphenbasierter Ansatz zur digitalen Abbildung des Regelwerks im Infrastrukturbau Digital mapping of rules, Standards representation, Automatic Code Compliance Checking, BIM, Formalization of Engineering Knowledge, Graph-based data modeling Die Realisierung einer Infrastrukturmaßnahme erfordert ein hohes Ingenieurwissen, welches unter anderem in dem einzuhaltenden technischen Regelwerk zu finden ist. Die Einhaltung von Vorgaben des technischen Regelwerks in Form von Vorschriften im Infrastrukturbau über alle Phasen hinweg ist in mehrfacher Hinsicht wichtig. Sie spiegeln nicht nur die technischen Standards als anerkannte Regeln der Technik wider, sondern sind insbesondere auch bei (verkehrs-)sicherheitsrelevanten Aspekten von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund ist die Umsetzung des BIM-Anwendungsfalls der automatischen Vorschriftenkonformitätsprüfung von besonderer Relevanz. Einer der wichtigsten Schritte stellt dabei die maschinenlesbare Übersetzeng der Festlegungen dar. In diesem Beitrag wird ein generisches Modell vorgestellt, mit dem Vorschriften für den Infrastrukturbau digitalisiert und flexibel in einer Graphendatenbank als Knoten-Kanten-Konstrukt modelliert werden können. Vitali Schuk, Ullrich Martin B uilding Information Modeling (BIM) wird als Methode im Bauwesen immer mehr zum Standard. Dementsprechend gibt es zunehmende Aktivitäten, um BIM auch beim Bau und der Erhaltung von Infrastrukturen anzuwenden. Die BIM- Methodik zielt in erster Linie auf die Senkung der Kosten und die Einhaltung von Terminen bei der Realisierung von Infrastrukturprojekten ab, was nur durch die Verbesserung der Planungs- und Bauprozesse über den gesamten Lebenszyklus einer Infrastruktur erreicht werden kann. Dies soll durch die Nutzung der neuen digital verfügbaren Technologien in Verbindung mit der neuen Planungsmethodik (3D+4D+5D+6D) selbst (siehe Bild 1) und den darin enthaltenen BIM-Anwendungsfällen (AWF) erreicht werden. Derzeit beschäftigen sich viele Forschungsprojekte mit dem Thema BIM im Infrastrukturbau mit dem Ziel, aktuelle Trends, eingesetzte Technologien, BIM-AWF, Vor- und Nachteile sowie noch zu schließende Wissenslücken zu identifizieren. Als eine der Wissenslücken wird das nicht für jede gewerkespezifische Planung adäquat nutzbare BIM-Autorenwerkzeug genannt, welches eine vollständige Planung nach geltenden Vorschriften erlaubt. Zwar gibt es bereits einige Softwarelösungen, die eine teilweise automatische Überprüfung auf Einhaltung der Vorgaben aus den Vorschriften anbieten, jedoch wird bemängelt, dass diese in ihren Prüfmöglichkeiten stark eingeschränkt sind und mehrere Überprüfungsprozesse manuell durchgeführt werden müssen [1, 2]. Die vorschriftenkonforme Planung einer Infrastruktur trägt zur wirtschaftlichen Effizienz und zur rechtzeitigen Ausführung von Infrastrukturmaßnahmen bei. Deren Negierung kann zu hohen Bau- und in der Folge zu hohen Betriebskosten (Wirtschaftlichkeit) sowie zu Unfällen mit erheblichen Schäden (Sicherheit) führen. Auch unter dem Gesichtspunkt des Fahrkomforts spielen die Vorgaben aus den Vorschriften eine wichtige Rolle [3-8]. Im Jahr 2009 wurde von [9] ein Konzept zur automatischen Vorschriftenkonformitätsprüfung vorgestellt. Demnach setzt sich der Vorschriftenkonformitätsprüfungsablauf aus vier Teilen zusammen bzw. ist in vier Teilen strukturiert organisiert: AT A GLANCE The realization of an infrastructure measure requires a high level of engineering knowledge, which can be found, for instance, in the technical regulations to be complied with. Regulation compliance over the entire lifecycle is important in infrastructure construction for several reasons. Regulations (and their multiple rules) reflect the technical standards and are of great significance, especially for safety issues. Against this background, the implementation of a BIM use case for Automated Code Compliance Checking (ACCC) gains in relevance. One of the most important steps in this process is the machine-readable translation of the regulation rules. In this paper, a generic model is presented, which can be used to digitize regulations for infrastructure construction and to flexibly model them in a graph database as a node-edge construct. Internationales Verkehrswesen (75) 2 | 2023 33 Wissenschaft INFRASTRUKTUR 1. Rule Interpretation (maschinenlesbare Interpretierung und logische Abbildung der Vorschriften) 2. Building Model Preparation (Vorbereitung des 3D- Modells zur Überprüfung) 3. Rule Execution (der eigentliche Überprüfungsprozess) 4. Reporting Checking Results (Präsentation der Ergebnisse) [10] Jeder genannte Schritt betrifft unterschiedliche Zuständigkeitsbereiche und Funktionen [11]. Hierbei wird oft der erste Teil, die Übersetzung bzw. Formalisierung der Vorschriftenfestlegungen in eine maschinenlesbare Form, als wichtigster und gleichzeitig schwierigster Prozess erkannt (vgl. z. B. [8, 11, 12]). Dieser Beitrag befasst sich mit der Komponente Rule Interpretation und stellt einen generischen graphenbasierten Ansatz zur Digitalisierung und Abbildung von Vorschriften und Vorschriftenfestlegungen im Infrastrukturbau für unterschiedliche Verkehrsträger vor. Die bereits 2022 in [13] vorgestellten ersten Überlegungen und Anforderungen an die maschinenlesbare Übersetzung der Vorschriften im Infrastrukturbau werden in diesem Artikel in der Umsetzung aufgegriffen. Der Begriff Vorschriften wird in dem vorliegenden Beitrag als Sammelbegriff für die normativen Dokumente jeglicher Art der normenschaffenden Institutionen verwendet. Der Begriff Vorschriftenfestlegungen ist als Sammelbegriff für die Formulierungen im Text eines normativen Dokumentes jeglicher Art (z. B. Angabe, Anweisung, Empfehlung etc. [14, 15]) zu verstehen und kann synonym mit Festlegung oder Regel bezeichnet werden. Stand der Forschung Im Bereich des Infrastrukturbaus ist die Digitalisierung von Vorschriften und deren Anwendung in einem sogenannten Automatic Code Compliance Checking (ACCC) im Vergleich zum Hochbau bisher wenig erforscht. Eine ausführliche Diskussion hierzu wurde bereits in [13] mit Verweis auf [5, 16, 17] geführt. In [5] wird mit Verweis auf [7] festgestellt, dass keiner der heute bekannten Ansätze die menschliche Sprache der Vorschriften in vollem Umfang repräsentiert. Viele der heute entwickelten Ansätze decken nur einen Teil einer Fachplanung ab und arbeiten nicht gewerkeübergreifend (hier: Festlegungen aus unterschiedlichen Vorschriften für unterschiedliche Fachplanungen) [18]. Im Bahnbau ist bisher nur ein Ansatz zur digitalen Abbildung der Vorschriften mittels einer visuellen Programmiersprache (VPL) wie BPMN (Business Process Model and Notation) und DMN (Decision Model and Notation) (als Ergänzung zur BPMN) in Anlehnung an [19] veröffentlicht worden [16]. Die Übersetzung der Vorschriftenfestlegungen selbst in die maschinenlesbare Form erfolgt über die RASE (Requirement Applicability Selection Exception)-Syntax und erfordert Programmierkenntnisse. Für den Straßenbau existiert derzeit kein Ansatz zur digitalen Abbildung von Vorschriften. Der in [16] vorgeschlagene Ansatz ist jedoch möglicherweise auf andere Verkehrsträger, einschließlich der Straße (Querschnittsgestaltung, Oberbaudimensionierung etc.), übertragbar und auch allgemein auf Vorschriften anderer Länder anwendbar. Ein ausgereiftes, allgemeingültiges Modell zur maschinenlesbaren Digitalisierung der Vorschriften und zum automatischen Einsatz in der Vorschriftenkonformitätsprüfung existiert bis heute nur im Hochbau und befindet sich auch dort noch immer in der Entwicklung [3, 4, 9, 10, 16, 20, 21, 22, 23]. Zum Einsatz einer automatischen Vorschriftenkonformitätsprüfung bzw. modellgestützten Abbildung von Vorschriftenfestlegungen im Infrastrukturbau konnten, bis auf [21] und [16] aus dem Jahr 2021, keine weiteren einschlägigen Quellen gefunden werden. Schwierigkeiten und Herausforderungen bei der digitalen Abbildung von Vorschriften und deren Inhalten Das Problem der digitalen Abbildung von Vorschriften mit deren Inhalten ist vielseitig und sollte auch deshalb auf verschiedenen Abstraktionsebenen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aspekte betrachtet werden. Anhand der Ergebnisse aus der Literaturrecherche als auch durch eigene Überlegungen kann das Problem der digitalen Vorschriftenabbildung unter folgenden übergeordneten Gesichtspunkten betrachtet werden: 1. die digitale Repräsentation der für die Planung wichtigen Vorschriftenfestlegungsinhalte einschließlich Zusatzinformationen, 2. die strukturierte Modellierung dieser Inhalte in einer Datenbank und 3. die Darstellung/ Visualisierung der angewandten Regeln für den Anwender. Digitale Repräsentation der Vorschriftenfestlegungsinhalte Bei der digitalen Übersetzung und Abbildung von Vorschriften in eine maschinenlesbare Form müssen unterschiedliche Aspekte berücksichtigt sowie Herausforderungen bewältigt werden. Zu nennen sind u. a. die quasi kontinuierliche Anpassung und Aktualisierung einer Vorschrift (Versionierung), komplexe Abstufungen einzelner Regeln etc. [6, 8, 18]. Die vorgenannten Aspekte 3D - Modell + 4D - Termine & Bauablauf x z y + $$$ $$£€$$££$$££€£ ₽₽₽₽ ₽₽₽₽ £££ £££$$$$$££$££$$$$€€ ₽₽ ₽ €€ €££€€£€$$$£££$$$€€€ ₽₽₽ ₽ ££$$$$ £€$$$£££$$$€€£ ₽₽₽₽ ₽ €€€££€ €£€$€ £€£€£€££€€£ ₽ ₽₽ £€€££££€€£ $$£€$$££$$£ ₽₽₽₽ £££ £££$$$$$££$££$$$$€€ ₽₽ ₽ ££$$$$ £€$$$£££$$$€€£ ₽₽₽₽ ₽ 5D - Kosten + 6D - Lifecycle [Betrieb & Instandhaltung] Bild 1: 6D-Prozess im Infrastrukturbau Alle Darstellungen: Autoren Internationales Verkehrswesen (75) 2 | 2023 34 INFRASTRUKTUR Wissenschaft bzw. Herausforderungen sowie weitere Überlegungen zur digitalen Abbildung der Vorschriftenfestlegungen werden ausführlich in [13] unter Einbeziehung von 16 Aspekten erörtert (vgl. Bild 2). Die Autoren in [13] stellen fest, dass bei der digitalen Abbildung von Vorschriften sowohl Aspekte auf der Ebene der Vorschriften als auch auf der Ebene der Vorschriftenfestlegungen berücksichtigt werden müssen, da die Aspekte entweder die gesamte Vorschrift oder nur einige einzelne Festlegungen betreffen können. Daraus ergibt sich die generelle Notwendigkeit, zwei miteinander interagierende Modelle in einer Datenbank (DB) zu entwickeln - eines für Vorschriften und eines für Vorschriftenfestlegungen. Ein Teil der in Bild 2 genannten Aspekte wird u. a. in [3, 8, 12, 14, 15, 24, 25] angesprochen. Strukturierte Modellierung der Vorschrifteninhalte in einer Datenbank Vorschriftenfestlegungen beschreiben meist bestimmte Einschränkungen von Parametern und Attributen eines Objekts, sowie Beziehungen zwischen einzelnen Objekten/ Elementen, die eingehalten werden müssen [4, 11, 13]. Diese können sowohl sehr einfach als auch sehr komplex sein, mit umfangreichen Überlegungen, die mehrere Restriktionen und Beziehungen gleichzeitig enthalten [4]. Deshalb sollte die zur Darstellung der Semantik und Logik der Vorschriftenfestlegungen einzusetzende DB und das Modell selbst eine hohe Flexibilität besitzen. Zur strukturierten Organisation der Daten gibt es viele Arten von DBs, wobei das bekannteste Datenbankmodell das relationale ist. Allerdings ist jedoch die Abbildung von komplex strukturierten Daten sehr eingeschränkt, sodass die Vorschriftenfestlegungen mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht im hinreichenden Umfang in der DB hinterlegt werden können. Vor diesem Hintergrund sollte eine DB mit einem flexiblen Datenbankmodell ausgewählt werden. Graphendatenbanken (GDB) eignen sich gut zum Speichern von heterogenen Datenstrukturen. Sie erleichtern den Umgang mit komplexen Daten und ermöglichen gleichzeitig eine einfache Datenvisualisierung für den Nutzer [26]. Eine GDB erfüllt damit die mit einer digitalen Abbildung von Vorschriften und deren Inhalten verbundenen Anforderungen. Darstellung/ Visualisierung der angewandten Vorschriftenfestlegungen für den Nutzer (Planer) Bei der Übersetzung von Vorschriften in eine digitale Form können grundsätzlich zwei Ansätze verfolgt werden. Nach [11] mit Verweis auf [9] wird zwischen den hartkodierten Lösungsansätzen und den Logik-basierten Ansätzen unterschieden. Diese Ansätze lassen sich wiederum in die sogenannten Black-Box- und White- Box-Methoden unterteilen [10]. Bei der White-Box-Methode gibt es ein bestimmtes Modell für die digitale Darstellung von Vorschriftenfestlegungen, das nicht nur von der Maschine, sondern auch vom Benutzer (Planer) gelesen werden kann. Dadurch kann der Planer besser verstehen und nachvollziehen, welche Vorschriftenfestlegungen oder Informationen gerade geprüft wurden, wodurch die Ergebnisse der Maschine plausibler werden. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Verfahren mit versteckten Hintergrundprozessen (Black-Box-Methode). Als Fazit lässt sich sagen, dass bei der digitalen Übersetzung der Vorschrifteninhalte darauf geachtet werden muss, dass die anzuwendenden und auszuführenden Inhalte und damit die Überprüfungsprozesse für den Benutzer sichtbar bleiben bzw. ihm angezeigt werden können [4]. Der Ansatz sollte zudem generisch sein. Das heißt, es muss ein spezifisches Übersetzungsmodell für die digitale Abbildung von Vorschriften geben, das ohne Anpassung des Quellcodes erweitert werden kann. Implementierung der digitalen Abbildung von Vorschriften und Vorschriftenfestlegungen Die gesamte digitale Repräsentation der Vorschriften in der DB basiert im Grunde auf drei (Teil-)Modellen: 1. das (Teil-)Modell der Vorschriften, 2. das (Teil-)Modell der Vorschriftenfestlegungen und 3. das (Teil-)Modell der Länder. Dabei werden die modellierten Vorschriften und die zugehörigen Vorschriftenfestlegungen durch Kanten miteinander verbunden. Gleichzeitig werden die (kodifizierten) Vorschriften mit den entsprechenden Ländern, in denen sie gelten, verbunden. Somit liegt die gesamte Abbildung in Form eines expliziten Knoten-Kanten- Konstrukts vor. Darüber hinaus werden die digital modellierten Vorschriften mit ihren ursprünglichen in Textform vorliegenden Vorschriften (PDF-Dokument) verknüpft. Alle Modelle sind in der DB durch eigene Klassen gestützt. Dies betrifft auch die Kanten mit denen die Modelle gebildet werden. Zu Einschränkung eines Modells besitzen die Kantenklassen Attribute. Digitale Abbildung von Vorschriften und Vorschriftenfestlegungen REQ02 - Technischer Standard REQ01 - Verbindlichkeitsgrad (obligatorisch/ nicht obligatorisch) REQ03 - Kodifizierte und nicht kodifizierte Vorschriften REQ05 - Herausgeber REQ08 - Verweise zwischen den Vorschriftfestlegungen innerhalb einer Vorschrift REQ06 - Landes- und Regionszugehörigkeit REQ09 - Verweise einer Vorschrift auf eine andere Vorschrift/ Verweise einer Vorschrift auf Vorschriftenfestlegung einer anderen Vorschrift REQ10 - Verkehrsträgerübergreifende Planung REQ07 - Sachgebiet und Planungsart REQ04 - Versionierung REQ11 - Verbindung zwischen den modellierten Vorschriften bzw. Vorschriftenfestlegungen in der Datenbank zum ursprünglichen PDF- Dokument der Vorschrift REQ12 - Unterscheidung nach Verkehrsarten innerhalb desselben Verkehrsträgers REQ13 - Entwurfsaufgabe REQ14 - Modellierungsrelevanz REQ15 - Komplexitätsgrad REQ16 - Vorschriftart Bild 2: Anforderungen, die bei der digitalen Übersetzung der Vorschriften berücksichtigt werden sollten [13] Internationales Verkehrswesen (75) 2 | 2023 35 Wissenschaft INFRASTRUKTUR Modell der Vorschriften Bei der Modellierung wird grundsätzlich zwischen kodifizierten und nicht kodifizierten Vorschriften unterschieden. Dementsprechend existiert ein Klassifikationssystem sowohl für kodifizierte als auch für nicht kodifizierte Vorschriften. Die Klassenstruktur der kodifizierten Vorschriften ist dreistufig ausgelegt (siehe Bild 3). Der dreistufige modulare Aufbau soll eine detaillierte Modellierung der Vorschriften in der DB sicherstellen. Diese Struktur, in Verbindung mit anderen (Teil-)Modellen und Modellierungsattributen, berücksichtigt Aspekte wie: •• Kodifizierte/ nicht kodifizierte Vorschriften •• Versionierung einer Vorschrift •• Herausgeber einer Vorschrift (normen-/ vorschriftenschaffende Institutionen etc.) •• Landeszugehörigkeit (z. B. Deutschland, Spanien etc.) •• Vorschriftart (z. B. Gesetze, Rechtsnorm, Richtlinie, technische Spezifikationen etc.) •• Verkehrsträgerübergreifende Planung (z. B. Schiene, Straße etc.) •• Verweise einer Vorschrift auf eine andere Vorschrift/ Verweise einer Vorschrift auf eine Vorschriftenfestlegung einer anderen Vorschrift •• Verbindung zwischen einer digitalisierten und in Textform vorliegender Vorschrift (PDF) •• Sachgebiete (z. B. Trassierung, Brückenbau etc.) und Planungsarten (Planung und Entwurf, Ausführung, Betrieb, Instandhaltung) Die gesamte Abstufung erlaubt es, die Vorschriften in der DB über die Klassen nach der Vorschriftart, den Ländern und normgebenden Organisationen (z. B. DB AG, FGSV, etc.) zu strukturieren. Optional können die jeweiligen länderbezogenen Vorschriften zwecks Einteilung dieser nach den Herausgebern und/ oder Organisationen einer weiteren Klasseneinteilung unterzogen werden, indem diese eigene Unterklassen wie zum Beispiel „DB_AG“ für die Richtlinien der Deutschen Bahn AG, „FGSV“ für die Regelwerke der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen etc. bekommen (vgl. Bild 3). Aspekte wie die Versionierung, die Zugehörigkeit zu einem Verkehrsträger, die Sachgebiete, der Herausgeber und die Planungsart werden über Attributfelder berücksichtigt. Der Aspekt Herausgeber kann somit unter Umständen zweifach festgelegt werden - über das Attributfeld „Herausgeber“ und zusätzlich über eine zum Herausgeber angelegte Unterklasse. Ergänzend zur Zuordnung einer Vorschrift zu einem bestimmten Land über Unterklassen des Vorschriftenklassensystems existiert in der DB ein separates (Teil-) Modell der Länder, dessen Instanzen über die Kanten mit zugehörigen Instanzen der Vorschriften verbunden werden. Die Klassen- und Vererbungshierarchie der nicht kodifizierten Vorschriften weicht von der Klassenstruktur der eigentlichen kodifizierten Vorschriften zum Teil deutlich ab. Diese sehen aufgrund der Tatsache, dass es keine Länder und Vorschriftarten gibt, weniger ausgeprägt aus. Die Modellierungsattribute bleiben aber bei den nicht kodifizierten Vorschriften dieselben wie die der kodifizierten Vorschriften (vgl. Bild-4). Modell der Vorschriftenfestlegungen Das entwickelte Modell der Vorschriftenfestlegungen überführt die zuvor in Textform vorliegenden Festlegungen/ Regeln einer Vorschrift in eine maschinenauswertbare Form. Zu diesem Zweck werden diese in der DB als Knoten modelliert und in Gruppen mittels Kanten zusammengefasst. Dabei werden die (komplexen) Regeln schrittweise in einfachere, kleinere Elemente zerlegt, wodurch der Komplexitätsgrad der Zusammenhänge von kettenartigen Festlegungen herabgesetzt und die Aussage einer Vorschrift präzise formuliert wird. Die einzelnen Sets von Vorschriftenfestlegungen werden getrennt nach den Verkehrsträgern erstellt. «vertex» Vorschrift + oeff_EdB: Boolean + oeff_NE: Boolean + n_oeff_EdB: Boolean + n_oeff_NE: Boolean + Strassenbahn: Boolean + ...: ... «vertex» ... + ...: ... «vertex» DB_AG + ...: ... «Vertex» V «vertex» Gesetz + Aktualisierung: Date + Herausgeber: String «vertex» Rechtsnorm + Aktualisierung: Date + Herausgeber: String «vertex» Richtlinie + Aktualisierung: Date + Herausgeber: String «vertex» FGSV + ...: ... «vertex» RichtlinienDE + Bruecke: Boolean + Entwaesserungs...: Boolean + Oberbau: Boolean + Linienführung: Boolean + ...: ... + Planung_und_Entwurf: Bo... + Ausfuehrung: Boolean + Betrieb: Boolean + Instandhaltung: Boolean «vertex» RichtlinienESP + Bruecke: Boolean + Entwaesserungs...: Boolean + Oberbau: Boolean + Linienführung: Boolean + ...: ... + Planung_und_Entwurf: Bo... + Ausfuehrung: Boolean + Betrieb: Boolean + Instandhaltung: Boolean «vertex» RichtlinienIT + Bruecke: Boolean + Entwaesserungs...: Boolean + Oberbau: Boolean + Linienführung: Boolean + ...: ... + Planung_und_Entwurf: Bo... + Ausfuehrung: Boolean + Betrieb: Boolean + Instandhaltung: Boolean «Vertex» NichtKodifizierteVorschrift + oeff_EdB: Boolean + oeff_NE: Boolean + n_oeff_EdB: Boolean + n_oeff_NE: Boolean + Strassenbahn: Boolean + ...: ... «Vertex» IndividuellerModus + Aktualisierung: Date + Bruecke: Boolean + Entwaesserungs...: Boolean + Oberbau: Boolean + Linienfuehrung: Boolean + ...: ... «Vertex» Kategorisierung + Planung_und_Entwurf: Bo... + Ausfuehrung: Boolean + Betrieb: Boolean + Instandhaltung: Boolean «Vertex» V «abstract Vertex» Datensatz + Name: String + Alias: String + Kommentar: String + uuid: String Bild 3: Auszug aus der Klassen- und Vererbungshierarchie von kodifizierten Vorschriften Bild 4: Klassen- und Vererbungshierarchie von nicht kodifizierten Vorschriften Internationales Verkehrswesen (75) 2 | 2023 36 INFRASTRUKTUR Wissenschaft In dem Modell werden die digital übersetzten Vorschriftenfestlegungen als eine Vorwärts-/ Rückwärtsverkettung von Bedingungen modelliert. Sie werden mit Hilfe von logischen Ausdrücken („UND“ / „ODER“ / „WENN-DANN“-Regeln, mathematische Regeln und Mischformen aus den beiden) sowie Beziehungen in der DB dargestellt. Die Verweise zwischen Vorschriftenfestlegungen innerhalb einer Vorschrift und Verweise von einer Vorschrift auf eine andere Vorschrift werden über die Kanten abgebildet. Das Modell berücksichtigt folgende Aspekte: •• Unterscheidung nach Verkehrsarten innerhalb desselben Verkehrsträgers •• Verweise zwischen den Vorschriftenfestlegungen innerhalb der Vorschrift •• Verweise einer Vorschrift auf eine andere Vorschrift/ Verweise einer Vorschrift auf eine Vorschriftenfestlegung einer anderen Vorschrift •• Planungsarten (Planung und Entwurf, Ausführung, Betrieb, Instandhaltung) Zur Strukturierung der Vorschriftenfestlegungen ist eine Klassenstruktur vorgesehen. In Bild 5 ist exemplarisch der Aufbau von Vorschriftenfestlegungen dargestellt, welcher in Verbindung mit den Abhängigkeitskanten (in Bild 5 nicht mitdargestellt) zwischen den einzelnen Festlegungen in der DB zum Modellieren der Semantik der Vorschriftenfestlegungen verwendet wird. Von den modellierten Vorschriftenfestlegungen existieren momentan vier Arten - die sogenannten Eingabeknoten, die Auswahlknoten, die Multiauswahlknoten und die Anzahlmultiplikatorknoten. Die Eingabeknoten/ -elemente (Klasse „Eingabe“) werden benötigt, um direkte zahlenmäßige Eingaben zu tätigen, wie zum Beispiel die Angabe der Entwurfsgeschwindigkeit oder anderer numerischer Größen. In den Eingabeknoten werden die Zahlen nicht nur erfasst, sondern auch übergeben (z. B. aus einer vorherigen Berechnung). Die Auswahlknoten/ -elemente (Klasse „Auswahlelement“) erlauben eine direkte Auswahl an Angaben, welche als Namen der Auswahlelemente repräsentiert sind. Hierbei kann die Auswahl entweder manuell getätigt werden oder die Auswahl ergibt sich aus einer Abhängigkeit. Die Multiauswahlknoten/ -elemente werden wie die normalen Auswahlelemente behandelt, mit dem einzigen Unterschied, dass dort gleichzeitig mehrere Angaben berücksichtigt werden können. Zu diesem Zweck müssen diese unterhalb des Knotens „Multiauswahlgruppe“ (Klasse „Multiauswahlgruppe“) gruppiert modelliert werden. Der Anzahlmultiplikator(knoten) (Klasse „Anzahlmultiplikator“) dient dazu, bestimmte Festlegungen (Auswahlelemente) mit der dazugehörigen Auswahlgruppe vervielfältigen zu können. Der hier vorgestellte Ansatz zur Abbildung von Vorschriftenfestlegungen ist eine hybride Methode. Der Ansatz ist sowohl Objekt-, Ontologieals auch Logik-basiert. Modellierungslogik der Vorschriftenfestlegungen Im Rahmen der Entwicklung hat sich gezeigt, dass sich die Abbildung von langen Abhängigkeitsketten, welche zum Teil komplex im Text einer Vorschrift formuliert sind und eine ungeordnete Struktur aufweisen, am einfachsten auf Basis eines logischen Systems maschinenlesbar realisieren lässt. Bei dem Modell der Vorschriftenfestlegungen werden die Aussagen der Vorschriftenfestlegungen über die Auswertung der sogenannten „UND“ / „ODER“-Junktoren und „WENN-DANN“-Bedingungen implementiert. Somit entspricht das logische System den Prädikatenlogiken 1. Ordnung. Das Gesamtsystem kann im Grunde als Bedingung-(Verhalten)-Konsequenz-Ansatz angesehen Multiplikationskante Vorschriftenfestlegungsgruppenkante Oberknoten Vorschriftenfestlegungen VerkehrsträgerXY“ Vorschriftenfestlegungsgruppe Multiauswahlgruppe Auswahlgruppe Anzahlmultiplikator Auswahlelemente Auswahlelemente Eingabeelement Vorschriftenfestlegungskante Auswahlkante Auswahlkante A B1 B2 B3 B A1 A2 A3 C1 C2 C3 C E GruppenID: 1 GruppenID: 2 VFRK VFRK VFRK Bild 5: Schematische Darstellung der Struktur von Vorschriftenfestlegungen auf der Instanzebene als Knoten-Kanten-Konstrukt in der GDB; die Abhängigkeiten zwischen den Vorschriftenfestlegungen sind in der Abbildung nicht mit dargestellt. Bild 6: Repräsentatives Beispiel für die Modellierung von Abhängigkeiten zwischen den Festlegungen in Form von gruppierten „UND“-/ „ODER“-Bedingungen; C1 → A3 (mit „GruppenID“: 2) ∧ E ∨ B3 (mit „GruppenID“: 1) ∧ E Internationales Verkehrswesen (75) 2 | 2023 37 Wissenschaft INFRASTRUKTUR werden. Dabei wird die Logik nicht nur über die Prädikate dargestellt, sondern zusätzlich über die Knoten selbst und Modellierungsattribute in den Abhängigkeitskanten gebildet. Durch diese Modellierungsattribute wird eine detaillierte Beschreibung der Abhängigkeiten aus den Vorschriftenfestlegungen ermöglicht. Hierbei kann je nach Schwierigkeitsgrad einer Abhängigkeit zwischen zwei Vorschriftenfestlegungen, ein logischer Ausdruck durch eine reine Kantenverbindung eine Abhängigkeitsbeziehung herstellen. Die Logiken können gruppiert werden (siehe Lesebeispiel in Bild 6) und stellen in Verbindung mit der Attributierung der Kanten auch die komplexesten Kombinationen der Abhängigkeiten dar. Hierbei werden die gruppierten Kanten innerhalb einer Gruppe als „UND“- Logik interpretiert, zwischen den unterschiedlichen Gruppen als „ODER“-Logik. Die modellierten Vorschriftenfestlegungen werden in Abhängigkeit von ausgewählten Vorschriften gefiltert und ausgewertet. Die Zuweisung der Vorschriftenfestlegungen zu den einzelnen Vorschriften erfolgt über eine explizite Kantenmodellierung. Ergebnisse und Diskussion In diesem Beitrag wird ein Modell zur digitalen Abbildung von Vorschriften vorgestellt, bei dem eine neue Datenbanktechnologie als Grundlage verwendet wurde. Die digitale Abbildung von Vorschriften und deren Inhalte erfolgt in eigenen Klassifizierungssystemen. Beide Modelle sind so entwickelt worden, dass eine detailreiche Abbildung möglich ist. Die Modellstruktur der Vorschriftenfestlegungen ist einfach aufgebaut und eignet sich gut, um die Semantik der Vorschriftenfestlegungen abzubilden. Von Vorteil bei der gewählten Modellierungsmethode der Vorschriftenfestlegungen ist die explizite Darstellung von Abhängigkeiten und Beziehungen zwischen den einzelnen Vorschriftenfestlegungen in Form einer Kantenmodellierung sowie die einfachen Logiken (Prädikatenlogik, Modellierungsattribute). Mit dem gewählten Ansatz wurde bestätigt, dass die einfachen Techniken, wie logische Operatoren in Verbindung mit den Eigenschaften einer GDB ausreichen, um die Semantik und Logik der Vorschriftenfestlegungen praktisch jeglicher Art (z. B. Angabe, Zulässigkeit etc.) digital darstellen zu können. Die Aussage in [11], dass logische Interpretationen der Vorschriftenfestlegungen den Programmieraufwand reduzieren können, kann ebenfalls bestätigt werden. Das vorgeschlagene Framework ist generisch und erfordert keine Programmierkenntnisse. Hierbei wird die Generizität unter Zuhilfenahme des Klassenaufbaus inkl. definierten Ontologien und Taxonomien erreicht. Diese werden anhand von Klassennamen der Kanten und Knoten sowie der Attributierung (hier: Modellierungsattribute) der Objekte bestimmter Knoten und Kanten gebildet und abgefragt. Da es sich bei der Modellierung um einen Graphen bestehend aus Knoten und Kanten handelt, kann dieser gut visualisiert werden. Das bedeutet, dass die Abarbeitung einzelner Vorschriftenfestlegungen durch die Maschine und die Zusammenhänge sowie Abgrenzungen zwischen den einzelnen Festlegungen transparent bleiben, so dass dadurch die Mensch-Maschine-Kommunikation sichergestellt wird. Insgesamt lässt sich das Modell der Vorschriftenfestlegungen der sogenannten White-Box-Methode zuordnen, da der Ansatz explizit ist und einem bestimmten Modell folgt, kann auch das Modell selbst strukturiert visualisiert werden. Dadurch bleiben die Hintergrundprozesse der Vorschriftenkonformitätsprüfung bzw. der Regellogik nicht verborgen und eine Plausibilitätskontrolle (Überprüfung der Maschine auf mögliche Fehler durch den Planer) ist grundsätzlich gegeben. Bei der Entwicklung der Modelle wurden die Erkenntnisse und Empfehlungen der bisherigen Forschungsarbeiten (auch aus dem Hochbau) zur digitalen Übersetzung und Abbildung von Vorschriftenfestlegungen (z. B. [3, 4, 6, 8, 11, 12, 13, 18, 27]) berücksichtigt und um eigene Überlegungen, insbesondere im Hinblick auf eine GDB, ergänzt. Im hier vorgestellten Ansatz konnten viele der in [13] genannten Aspekte (hier: REQ03-REQ12, REQ14 und REQ16 in Bild 2) umgesetzt sowie die in [4] gemachten Empfehlungen berücksichtigt werden. Es ist zu erwähnen, dass bislang noch nicht alle zu berücksichtigenden Aspekte und Empfehlungen bereits in dem hier vorgestellten prototypischen Modell implementiert sind, in Zukunft aber noch eingebunden werden sollen. Zusammenfassung und Ausblick In diesem Artikel wird ein Ansatz vorgeschlagen, welcher die Vorschriften mit deren Inhalten in eine maschinenlesbare Form überführt und diese den verkehrsträgerübergreifenden Planungsprozessen zur Verfügung stellt. Zur Abbildung der Vorschriften und deren Inhalte werden zwei getrennte Klassifikationen eingeführt, welche in der gewählten GDB mit Hilfe von expliziten Knoten-Kanten-Konstrukten abgebildet und mit den hinterlegten Infrastrukturobjekten zum Planen und Bauen eines Verkehrsweges verbunden werden. Dank der Einfachheit der beiden Konzepte und der generischen Erweiterbarkeit besitzt der graphenbasierte Ansatz ein hohes Potential zur Weiterentwicklung. Aufbauend auf den bereits umgesetzten Erkenntnissen ist in der Zukunft eine Weiterentwicklung bis hin zur vollständigen digitalen Übersetzung der Vorschriften möglich, in dem die bereits vorhandenen Modelle mit den wachsenden vorschriftenbezogenen Details und Funktionalitäten weiter ausgebaut werden. Diesbezüglich ist es sinnvoll, anhand weiterführender Untersuchungen zu entscheiden, ob die noch umzusetzende Aspekte der digitalen Übersetzung von Vorschriften und deren Inhalte über die Klassen oder Modellierungsattribute, oder in Form einer Mischung aus beiden realisiert werden können. Zudem ist zu prüfen, welche der noch fehlenden Aspekte auf Ebene der Vorschriften und welche auf Ebene der Vorschriftenfestlegungen berücksichtigt werden sollten. ■ LITERATUR [1] BIM4INFRA2020 (2019): HANDREICHUNGEN-Technologien im BIM-Umfeld, Teil 10. . https: / / bim4infra.de/ wp-content/ uplo-ads/ 2019/ 07/ BIM4INFRA2020_AP4_Teil10.pdf (Abruf: 10.11.2022). [2] Bundesministerium für Digitales und Verkehr (2018): Wissenschaftliche Begleitung der BMVI Pilotprojekte zur Anwendung von BIM im Infrastrukturbau - Endbericht Handlungsempfehlungen. www.bmvi.de/ SharedDocs/ DE/ Anlage/ DG/ wissenschaftliche-begleitung-anwendung-bim-infrastrukturbau-2018.pdf? __blob=publicationFile (Abruf: 24.11.2022). Internationales Verkehrswesen (75) 2 | 2023 38 INFRASTRUKTUR Wissenschaft [3] Dimyadi, J.; Amor, R. (2013): Automated Building Code Compliance Checking - Where is it at? ” 19th International CIB World Building Congress. www.researchgate.net/ publication/ 303206027_Automated_Building_code_Compliance_Checking_Where_is_it_at (Abruf: 31.08.2022). [4] Garrett, J. H.; et al. (2014): Delivering the Infrastructure for Digital Building Regulations. In: Journal of Computing in Civil Engineering, Vol. 28, Iss. 2. https: / / doi.org/ 10.1061/ (ASCE) CP.1943-5487.0000369 [5] Porto, M. F.; et al. (2015): Automatic Analysis of Standards in Rail Projects. The 19th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics: WMSCI 2015. www. iiisci.org/ Journal/ pdv/ sci/ pdfs/ MA969EM15.pdf (Abruf: 31.08.2022). [6] Nawari, N. (2012): The Challenge of Computerizing Building Codes in a BIM Environment. 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