1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 29 Vom Büro ins Bauwerk - Kooperationsmöglichkeiten mit Mixed Reality Leif Oppermann Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT, Sankt Augustin, Deutschland Zusammenfassung Die Digitalisierung erreicht das Bauhandwerk und betrifft nun bald den kompletten Lebenszyklus von Gebäuden, Bauwerken und der gesamten Verkehrsinfrastruktur. Neuartige Begriffe machen die Runde: vom digitalen Zwilling, über künstliche Intelligenz bis hin zu Virtual, Augmented und Mixed Reality, sowie kollaborativem Arbeiten auf Basis von BIM-Daten. Doch welche Chancen ergeben sich daraus und wo kriegt man das her? Dieser Kurzbeitrag skizziert meinen im Rahmen des 1. Fachkongress „Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur“ im Juni 2021 an der Technischen Akademie in Esslingen gehaltenen Plenarvortrag. Er versucht aus der Historie der Informatik heraus eine gemeinsame, die Disziplinen übergreifende Perspektive für die Bauwirtschaft und die Informatik zu zeichnen und damit Orientierung zur Digitalisierung zu bieten. Denn die zunehmend geforderte mobile Kollaborationsunterstützung am und im Bauwerk muss nicht auf der grünen Wiese geschaffen werden, sondern kann sich auf eine reiche Forschungstradition in den Bereichen CSCW, HCI und Mixed Reality stützen. 1. Computer am Arbeitsplatz Die Verwendung von Computern am Arbeitsplatz war in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts eine Innovation, die nur wenigen Anwendern vorbehalten war und gegen die es seit jeher viele Vorbehalte gab [1]. Aus unserem heutigen Arbeitsleben ist der Computer aber natürlich nicht mehr wegzudenken. Mit Ausbruch der Corona-Pandemie wechselten in Deutschland ab März 2020 insbesondere diejenigen Branchen problemlos ins Homeoffice, die über eine gute (und mobile) technische Ausstattung und eine entsprechende Organisation ihrer Prozesse verfügten [2]. Die dahinterstehende Tradition seit Begründung der Informatik in Deutschland in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren und ihrer praktischen Anwendung durchlief im wesentlichen drei Wellen: 1.) Büro-Automatisierung, 2.) Group-Ware, und 3.) Social und Ubiquitous Computing [3]. Sie war zunächst hauptsächlich auf Büroarbeiten und eine eher stationäre Verwendung ausgerichtet [4]. Nach Einführung des Personal Computers trat durch die mobilen Endkunden-Geräten jedoch zunehmend eine Verwischung der Grenze zwischen Büro und unterwegs, bzw. zuhause ein. Die Interaktion mit Computern unterschiedlicher Bauart, auch mit Tablets und Smartphones, wurde grundsätzlich überall verfügbar und somit ubiquitär (engl. ubiquitous). 1.1 Von den Grundlagen zum kollaborativen Arbeiten Unsere Forschungseinrichtung erforscht, gestaltet und begleitet die Digitalisierung der damit einhergehenden Prozesse seit ihrer Gründung 1968. Die mittlerweile über ein halbes Jahrhundert währende Forschungstradition von Fraunhofer FIT steht im Zeichen der partizipativen, menschenzentrierten Innovation und agiert dabei stets in den Spannungsfeldern zwischen Menschen und Technik, Theorie und Anwendung. Als Zeitzeuge und Vorreiter zugleich trägt Fraunhofer FIT aktiv zum Trend des computergestützten Arbeitens bei und hat sich in vielfältigen erfolgreichen Projekten als Verfechter von Kollaborationssystemen erwiesen. FIT macht es sich zur Mission Forschungsergebnisse und Technologien zielführend in neue Perspektiven und Zusammenhänge zu stellen. Ende der siebziger Jahre, noch unter dem Namen GMD, entwickelte die Gesellschaft für Mathematik und Datenverarbeitung beispielsweise das Rechtsinformationssystem JURIS, das noch heute im Einsatz ist. Zunächst wurden Computer hauptsächlich für administrative Aufgaben eingesetzt und der Blick fiel auf die Maschine selbst. Fehler wurden den Menschen zugeschrieben und man betrachte sie als Faktoren. Erst Ende der 1970er, Anfang der 1980er Jahre änderte sich die Blickweise. Der Mensch rückte zunehmend in den Mittelpunkt und wurde als Akteur betrachtet. Man sprach nun von „Computer- Supported Cooperative Work” (CSCW), also der Unterstützung der kollaborativen Arbeit von Menschen durch Computer [5]. Vom Büro ins Bauwerk - Kooperationsmöglichkeiten mit Mixed Reality 30 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 1.2 Digitalisierung in Architektur, Ingenieurwesen und Konstruktion Die Arbeitsabläufe in der AEC-Branche (engl. architecture, engineering and construction) erfuhren und erfahren seit ca. den 1990er Jahren die zweite große Digitalisierungswelle. Die erste Welle war der Übergang weg von Bleistift, Tinte und Zeichentisch bei der Erstellung von Bauzeichnungen hin zu Computer Aided Design (CAD). Hierbei wurden die Arbeitsmittel der Angestellten im Büro zwar grundlegend erneuert, es wurden aber beispielsweise weiterhin Grundrisse und Aufrisse konstruiert und auf dem Bau kam ein Papierplan an; idealerweise der aktuelle. Es gab und gibt große Reibungsverluste beim Phasenübergang in der HOAI und beim Gewerkeübergang auf der Baustelle, sowie Lücken in der Überwachung. Im schlimmsten Fall sind Pläne und Erkenntnisse aus einer früheren Phase, ggf. bedingt durch einen Auftragnehmerwechsel, nicht mehr verfügbar. Die zweite Welle basiert auf der Methode BIM (Building Information Modelling) und der dahinterstehenden Idee, die Arbeiten über den gesamten Lebenszyklus von Bauwerken (Planung, Bauausführung, Betrieb, Unterhalt, Rückbau) über zentrale digitale Modelle zu koordinieren. Die daraus resultierenden Kollaborationsprozesse gelten als Zukunft des Bauwesens und sind in den Strategien mehrerer Regierungen, wie beispielsweise in UK [6] oder Deutschland [7], festgeschrieben. Der daraus resultierend „Leitfaden Großprojekte“ des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur ist nicht zuletzt ein Grund für den TAE-Fachkongress „Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur“. Zu BIM-Daten gehören meist auch dreidimensionale CAD-Modelle, die sich vielfältig aufbereiten und verwenden lassen. 1.3 Geschichten der Informatik Mit dem Siegeszug des World Wide Web änderte sich ab den 1990er Jahren alles. In Deutschland ergab sich nach der Wiedervereinigung mit dem Bonn-Berlin Umzug ein einzigartiger Digitalisierungsbedarf. Teile der Ministerien verblieben dabei in Bonn, sodass es mit einem bloßen Umzug und der Verschickung von Umzugsgut nicht getan war. Es war nicht mehr ausreichend, Papierakten und Laufmappen mit Boten von einem Büro in das andere bringen zu lassen; neue Prozesse mussten her! Dazu wurden verschiedene Forschungsprojekte initiiert, u.a. das POLITeam-Projekt [8] bei FIT. Im Rahmen dessen wurde zunächst das Prinzip einer digitalen Laufmappe entwickelt. Dieses war jedoch nicht flexibel genug, so dass man letztlich zum Konzept des „Shared Workspace“ kam. Auf diesem Konzept basierend wurde Mitte der 1990er Jahre der BSCW-Server veröffentlicht, der bis heute weiterentwickelt wird und beispielsweise in der Bundesverwaltung und der Bundesanstalt für Straßenwesen zur Projektorganisation Anwendung findet. Dieses erste webbasierte Groupware-System half dabei, die Welle der Büroautomation in die Ära der Groupware zu brechen. Im Zuge dieser Revolution war es wichtig zu erkennen, dass es nicht um den einzelnen Anwender auf einzelnen Geräten ging, sondern um einen noch nie dagewesenen Maßstab. Es bestand also nicht die Aufgabe, Arbeitsabläufe und Prozesse einer 1: 1-Übersetzung zu unterziehen, sondern den Spagat zwischen Menschen und Technik gegenzusteuern, etwa durch die Vernetzung von Arbeitsplätzen, die Unterstützung von kollaborativem Arbeiten an PCs am und abseits des Arbeitsplatzes. Ein jüngeres Beispiel für den erfolgreichen Einsatz des BSCW ist das System EnArgus.master, das auf Basis der Kooperationsplattform einen leistungsfähigen Überblick über laufende Projekte der Energieforschung und investierte Mittel der staatlichen Förderpolitik bietet und die Bewertung von Technologieentwicklungen erleichtert [9]. Es wurde nach einem erfolgreichen Pilotprojekt in zwei aufeinander aufbauenden Forschungsprojekt des BMWI über mehrere Jahre kollaborativ entwickelt und danach zum dauerhaften Betrieb an den Projektträger übergeben. 1.4 Von CSCW zu Mixed Reality Der digitale Arbeitsplatz, auf den nun mehrere Personen gleichzeitig zugreifen können, wurde Realität. Mit dem Aufkommen mobiler, drahtloser Geräte beschleunigte sich das Heranreifen des Ubiquitous Computing [10]. Intelligente Geräte wie Smartphones, Tablets, und Brillen sorgten für eine steigende Nachfrage nach mobilen Kollaborationslösungen, oft basierend auf Konsum- und Unterhaltungstechnologien, die vorher nicht im Fokus der CSCW-Betrachtungen standen. Sie bieten nunmehr aber die Möglichkeit für digitale Innovationen und interaktive Arbeitsabläufe abseits des Büros, also im Grunde: immer und überall. Damit einher geht die zunehmende Nachfrage nach Virtual, Augmented und Mixed Reality Lösungen. Mit dem Erfolg der VR-Brillen im Spiele-Bereich, sowie von AR-tauglichen Smartphones, Tablets und Smart Glasses steigt auch das allgemeine Interesse nach derartigen Anwendungen. Das Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag veröffentlichte unlängst einen umfangreichen Arbeitsbericht zum Thema [11] und stellt darin auch Bezüge zum Bausektor her. Eigene Vorarbeiten betreffen beispielsweise die Einsatzmöglichkeiten von Smart Glasses [12] und Head Mounted Displays in deutschen Unternehmen [13], sowie die Aufbereitung von Interaktionsmöglichkeiten in virtuellen Umgebungen für die Lehre an deutschen Hochschulen [14]. Aktuell betreiben wir mit dem vom BMVI geförderten 5G-Innovationsprojekt „IndustrieStadtpark“ Anwendungsforschung für 5G unter Verwendung von IoT und Mixed Reality zur Kollaborationsunterstützung abseits des Büros. Auf internationaler Ebene haben Ens et al. unlängst postuliert, dass sich die nächste Evolutions- Vom Büro ins Bauwerk - Kooperationsmöglichkeiten mit Mixed Reality 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 31 stufe von Groupware durch die Kombination von CSCW und Mixed Reality ergibt [15]. 2. Reflektionen Die Erfahrungen aus über 30 Jahren CSCW-Forschung haben gezeigt, dass man partizipatives Design für Digitalisierungsprojekte kollaborativ angehen muss (vgl. [16, S. 5]). Die Software-Entwicklung ist ein sog. „Wicked Problem“ [17], da sie üblicherweise Auswirkungen und Querverbindungen auf vielen Ebenen hat und die damit einhergehenden Probleme sich teilweise gegenseitig bedingen. Es ist Teil unserer Philosophie, in Forschungs- und Kooperationsprojekten auf Augenhöhe mit den Akteuren zu stehen, um Anwendungsszenarien und die gewünschten Leistungen mit Blick auf den Anwender zu konzipieren und partizipativ umzusetzen. Dabei dürfen die Wissenschaftler und Entwickler nicht übergeordnet sein, aber natürlich auch nicht untergeordnet. Somit soll der Ansatz eines „Wasserfallmodells“, das eine lineare Prozessstruktur ohne Interaktion zwischen den Akteuren darstellt, und keine Fehler erlaubt, weitestgehend vermieden werden. Auch wenn dies in der Bauindustrie ein durchaus üblicher Weg ist (Stichwort: „erst planen, dann bauen“ - der Leitspruch der BIM-Bewegung), so hat es sich in der komplexen Welt des Software Engineerings doch als Irrweg erwiesen. Das in dieser Hinsicht von Informatikern oft gescholtene Wasserfall-Papier von Royce von 1970 [18], das vermeintlich genau einen solchen linearen Ablauf wie in der Bauindustrie zur Software-Entwicklung propagierte, war übrigens schon vor über 50 Jahren weder so gemeint, noch wurden die Prozesse so gelebt. Es muss in kooperativen Entwicklungsprozessen immer iteriert werden, um Prototypen in funktionierende Systeme für den produktiven Einsatz zu überführen! Es geht nicht mehr nur um elektronische Datenverarbeitung, sondern um die Unterstützung von Menschen auf der Arbeit. Dabei geht es auch nicht um einzelne Nutzer an einzelnen Geräten, sondern um eine Vernetzung im Großen und Ganzen, auch über Distanz und teilweise auch um eine Vernetzung abseits des Computers, also von Mensch zu Mensch - aus Informatiksicht quasi eine analoge Lücke. Vorhandene Prozesse lassen sich bei der Digitalisierung meist nicht 1: 1 übersetzen. Beispiel: die Laufmappe beim Bonn-Berlin Umzug. Dieser Prozess wurde zuerst digital nachgebildet und dann durch das flexiblere „shared workspace“ Konzept ersetzt, welches sich heute durchgesetzt hat und sich in fast allen marktführenden Kollaborationssystemen findet. Es geht aber auch nicht nur um die Überführung klassischer Desktop-Software in Browser-Anwendungen, was manchmal sinnvoll ist, sondern auch um neue Interaktionsmöglichkeiten mit mobilen Geräten und in die Umgebung eingebetteter Systeme aller Art im Sinne des Ubiquitous Computing [10]. Bei aller Vernetzung darf man aber auch nicht davon ausgehen, dass das oft drahtlose Netzwerk immer verfügbar ist, denn der Zustand „nicht verfügbar“ ist kein Fehler, sondern Teil des Materials „Netzwerk“. Abdeckungslücken gehören nicht nur in der Fläche, sondern auch an speziellen Orten mit dazu - denken Sie bspw. an den Hohlkasten einer Brücke. Interaktive Systeme, die nicht nur den Büroangestellten, sondern auch den Arbeiter vor Ort an seinem Arbeitsplatz unterstützen sollen, müssen damit umgehen können. Und schließlich kommt in Deutschland und Europa immer noch ein besonderer Balance-Akt hinzu. Einerseits will man innovative Technik verwenden, die oft in den USA oder im fernen Osten entstanden ist, nachdem man die entsprechenden Wirtschafts- und Forschungszweige selbst lange vernachlässigt oder gar abgestoßen hat. Andererseits müssen dabei dennoch besondere Ansprüche, wie beispielsweise der Datenschutz, befriedigt werden. Das ist nicht unmöglich, aber es erfordert Erfahrung und einen partnerschaftlichen Umgang zwischen den Disziplinen. 3. Abschluss Im Dualismus von theoretischem Wissen und praktischer Erfahrung digitalisiert Fraunhofer FIT, auch unter Verwendung von Mixed Reality, interaktive Arbeitsabläufe in Bereichen der Arbeitswelt, der Bildung, und auch am Bauwerk. Es unterstützt damit die Entwicklung zur Mobilisierung der computergestützten Arbeit und der Erweiterung des Büros nach draußen, bzw. nach Hause. Wir sehen uns in dieser Hinsicht als Werkzeugmacher im Sinne von Brooks [19]. Neben einschlägigen Arbeiten, die ich im Vortrag anführen werde, hat Turing-Preisträger Brooks übrigens auch eine für uns richtungsweisende, menschzentrierte Meinung zum Thema künstliche Intelligenz. Seine These ist, dass ein Mensch, dessen Intelligenz durch einen Computer verstärkt (engl. intelligence amplification, IA) wird, eine reine künstliche Intelligenz (KI, engl. AI) zu jeder Zeit überlegen sein wird. Also “dass eine Maschine und ein Verstand, eine Intelligenz-imitierende Maschine schlagen kann“. Wir befürworten den menschzentrierten Ansatz zur Erstellung komplexer Software-Systeme und daher Brooks‘ pointierte These „IA > AI“ [19]. Für Herausforderungen und Beispiele aus unserer eigenen, über 50 jährigen Geschichte verweise ich an dieser Stelle auf unser Positionspapier „Beyond HCI and CSCW: Challenges and Useful Practices Towards a Human-Centred Vision of AI and IA“ [3]. Vor dem Hintergrund dieser kurzen Ausführungen möchte ich abschließend noch einmal bekräftigen, dass die Gestaltung und Einbringung von mobiler Kooperationsunterstützung am und im Bauwerk nicht auf der grünen Wiese entstehen muss, sondern sich auf eine reiche Forschungstradition in den Bereichen CSCW, HCI und Mixed Reality stützen kann. Die digitale Transformation neuer Anwendungsbereiche wird nur gelingen, wenn die immer komplexer werdenden Systeme weiterhin von Vom Büro ins Bauwerk - Kooperationsmöglichkeiten mit Mixed Reality 32 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Menschen beherrscht werden können und die Gestaltung von IT-bezogenen Prozessen kontinuierlich einer Wertschätzung der Implikationen bestehender partizipativer Gestaltungsmethoden unterzogen wird, um so die Informatik als effektiven Innovationsmotor verwenden zu können [20]. Literatur [1] „TECHNIK / COMPUTER-KONGRESS: Welt in der Stube“, Spiegel Online, Bd. 33, Aug. 12, 1968. Zugegriffen: Juni 24, 2019. [Online]. Verfügbar unter: https: / / www.spiegel.de/ spiegel/ print/ d- 45950214.html [2] A. Deeg, „Fraunhofer-Umfrage ‚Homeoffice‘: Erste Ergebnisse“. Mai 07, 2020. [Online]. Verfügbar unter: https: / / www.fit.fraunhofer.de/ de/ presse/ 20-05-07_fraunhofer-umfrage-homeofficeerste-ergebnisse.html [3] L. Oppermann, A. Boden, B. Hofmann, W. Prinz, und S. Decker, „Beyond HCI and CSCW: Challenges and Useful Practices Towards a Human-Centred Vision of AI and IA“, gehalten auf der Halfway to the Future, Nottingham, England, 2019. [4] J. Greenbaum und M. Kyng, Design at Work: Cooperative Design of Computer Systems. Lawrence Erlbaum Associates, 1991. [5] I. Greif, Hrsg., Computer-supported Cooperative Work: A Book of Readings. San Francisco, CA, USA: Morgan Kaufmann Publishers Inc., 1988. [6] „Government Construction Strategy - Publications - GOV.UK“. https: / / www.gov.uk/ government/ publi cations/ government-construction-strategy (zugegriffen Aug. 06, 2015). [7] BMVI, „Reformkommission Bau von Großprojekten“. [Online]. Verfügbar unter: https: / / www.bmvi. de/ SharedDocs/ DE/ Artikel/ G/ reformkommissionbau-von-grossprojekten.html [8] K. Klöckner u. a., „POLITeam: Bridging the Gap between Bonn and Berlin for and with the Users“, in ECSCW ’95, Stockholm, 1995, S. 17-32. [9] L. Oppermann u. a., „Finding and analysing energy research funding data: The EnArgus system“, Energy AI, Bd. 5, S. 100070, Sep. 2021, doi: 10.1016/ j. egyai.2021.100070. [10] M. Weiser, „The Computer for the 21st Century“, Sci. Am., Bd. 265, Nr. 3, S. 66-75, 1991, [Online]. Verfügbar unter: https: / / dl.acm.org/ citation. cfm? id=329126 [11] S. Kind, J.-P. Ferdinand, T. Jetzke, S. Richter, und S. Weide, „Virtuelle und erweiterte Realitäten (VAR): Was das ist und was sie uns bringen; TAB- Arbeitsbericht Nr. 180“, 2019. [Online]. Verfügbar unter: https: / / www.tab-beim-bundestag.de/ de/ aktu elles/ 20190625.html [12] L. Oppermann und W. Prinz, „Introduction to this Special Issue on Smart Glasses (Editorial)“, -Com J. Interact. Media Spec. Issue Smart Glas., Bd. 15, Nr. 2, S. 123-132, 2016, [Online]. Verfügbar unter: https: / / www.researchgate.net/ publication/ 308180185_Introduction_to_this_Special_Is sue_on_Smart_Glasses [13] R. Esser, L. Oppermann, und T. Lutter, „Head Mounted Displays in deutschen Unternehmen. Ein Virtual, Augmented und Mixed Reality Check.“, Deloitte, Fraunhofer FIT, Bitkom. [Online]. Verfügbar unter: https: / / www2.deloitte.com/ content/ dam/ Deloitte/ de/ Documents/ technology-mediatelecommunications/ Deloitte-Studie-Head-Moun ted-Displays-in-deutschen-Unternehmen.pdf [14] R. Dörner, C. Geiger, L. Oppermann, V. Paelke, und S. Beckhaus, „Interaktionen in Virtuellen Welten“, in Virtual und Augmented Reality (VR / AR) - Grundlagen und Methoden der Virtuellen und Augmentierten Realität, Springer Vieweg, 2019. [15] B. Ens u. a., „Revisiting collaboration through mixed reality: The evolution of groupware“, Int. J. Hum.-Comput. Stud., Bd. 131, S. 81-98, Nov. 2019, doi: 10.1016/ j.ijhcs.2019.05.011. [16] L. Oppermann, „Facilitating the Development of Location-Based Experiences“, University of Nottingham, Computer Science, Nottingham, 2009. [Online]. Verfügbar unter: http: / / eprints.notting ham.ac.uk/ 14215/ 2/ PhDThesis-LeifOppermann. pdf [17] P. DeGrace und L. H. Stahl, Wicked problems, righteous solutions. Yourdon Press, 1990. [18] W. W. Royce, „Managing the Development of Large Software Systems“, in IEEE WESCON, 1970, S. 1-9. [19] F. P. Brooks,Jr., „The computer scientist as toolsmith II“, Commun ACM, Bd. 39, Nr. 3, S. 61-68, März 1996, doi: 10.1145/ 227234.227243. [20] M. Jarke, „Was bleibt vom Informatikjahr? “, It-Inf. Technol., Bd. 49, Nr. 3, S. 206-208, 2007, [Online]. Verfügbar unter: https: / / www.degruyter.com/ document/ doi/ 10.1524/ itit.2007.49.3.206/ html