Opportunities of augmented reality applications in tunnel construction

Abstract

Tunnel construction is one of the remaining fields that still rely heavily on paper-based processes. Creating paper-based documentation is time-consuming and error-prone. Digitalization can considerably improve these processes. Augmented reality (AR) is one technology that could contribute to this endeavour.AR can deliver information for specific positions in a tunnel through localization automatically. Another benefit of AR is locating virtual information in a real tunnel environment. Due to the large extent of tunnel structures, other technologies for position determination are often inefficient. Despite the enormous benefits of AR, there is little research on this technology in tunnel construction. Therefore, it is unclear whether AR solutions apply to such processes and how to implement them. In this thesis, a focus group interview provided findings on problems in tunnel construction that are improvable with AR. Based on the focus group interview, we selected two problems to improve through AR. We developed two high-fidelity prototypes for the HoloLens 2 to solve these problems: acceptance inspection and tunnel face mapping. Additionally, we developed a solution for localization in the tunnel, which both prototypes utilize. Usability tests give qualitative answers about the usability of the developed prototypes. The tests revealed that usable AR solutions are implementable with current hardware. However, some geometry and user input detection issues by the HoloLens still exist that make it not yet practical enough in real work environments. Furthermore, localization in tunnels with the HoloLens is possible. Regardless, more extensive tests are required to confirm the results for real tunnel construction projects. This thesis serves as a starting point for future research on AR in tunnel construction by providing insights into usability and guidelines for implementing such solutions.

Der Tunnelbau gehört zu den letzten baubetrieblichen Bereichen, die immer noch stark auf papierbasierte Prozesse setzen. Die Erstellung papierbasierter Dokumentationen ist zeitaufwendig und fehleranfällig. Digitalisierung bietet die Möglichkeit diese Prozesse erheblich zu verbessern. Augmented Reality (AR) ist eine Technologie, die dieses Unterfangen unterstützen kann. AR erlaubt Informationen zu bestimmten Positionen im Tunnel durch Lokalisierung automatisch bereitzustellen. Ein weiterer Vorteil von AR ist, virtuelle Informationen in einer realen Tunnelumgebung zu verorten. Durch die große Ausdehnung von Tunnelbauwerken sind andere Technologien zur Positionsbestimmung oftmals ineffizient. Trotz des enormen Nutzens von AR existiert wenig Forschung zu dieser Technologie im Tunnelbau. Dadurch ist es ist unklar, ob AR-Lösungen auf solche Prozesse anwendbar sind und wie die Lösungen implementiert werden können. In dieser Arbeit wurden mithilfe eines Fokusgruppen-Interviews Problemstellungen im Tunnelbau identifiziert, die durch AR verbessert werden können. Anhand des Fokusgruppen- Interviews wurden zwei Problemstellungen ausgewählt, die durch den Einsatz von AR verbessert werden sollen. Zur Lösung dieser Problemstellungen wurden zwei High-Fidelity- Prototypen für die HoloLens 2 entwickelt, welche die Abnahmeinspektion und die Ortsbrustkartierung verbessern. Darüber hinaus wurde eine Lösung zur Lokalisierung im Tunnel entwickelt, die in beiden Protoypen zum Einsatz kommt. Usability-Tests geben qualitative Antworten über die Benutzbarkeit der entwickelten Prototypen. Die Tests haben gezeigt, dass benutzbare AR-Lösungen im Tunnelbau mit aktueller Hardware realisierbar sind. Allerdings gibt es noch Probleme mit der Erkennung von Geometrie und Benutzereingaben der HoloLens, was den Einsatz solcher Lösungen in realer Umgebung noch nicht praktikabel macht. Des Weiteren hat diese Arbeit gezeigt, dass die Lokalisierung mit der HoloLens im Tunnel möglich ist. Es bedarf jedoch umfangreicherer Tests, welche die Resultate für reale Tunnelbauprojekte bestätigen. Indem diese Arbeit Einblicke in die Nutzbarkeit gibt und Guidelines für die Implementierung solcher Anwendungen bereitstellt, dient sie als Startpunkt für zukünftige Forschung im Bereich AR im Tunnelbau.