Nachhaltige Stadtentwicklung: Wie digitale Zwillinge dazu beitragen

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Städte stehen vor der Aufgabe ihre Infrastruktur nachhaltiger, resilienter und lebenswerter zu gestalten. Dazu kann ein digitaler Zwilling beitragen, der bessere und fundiertere Entscheidungen in der Stadtentwicklung ermöglicht und dabei die Bürger einbezieht. Bentley Systems zeigte auf der Messe Intergeo, was solche digitalen Zwillinge für die Infrastruktur auszeichnet und wie sie sich in der Stadtplanung gewinnbringend einsetzen lassen.

Nachhaltige Stadtentwicklung der Zukunft: Anlagenbetreiber und Dienstleistungsunternehmen setzen die Softwarelösungen von Bent­ley Systems zum Planen, Entwerfen, Herstellen und für den Betrieb ein. Nachdem Bentley Systems in den letzten Jahrzehnten von CAD zu BIM übergegangen ist, sieht das Unternehmen heute seine Hauptaufgabe darin, seinen Anwendern das Erstellen und Betreiben von digitalen Zwillingen zu ermöglichen.

Der digitale Infrastruktur­zwilling ist die digitale und dynamische Darstellung einer physischen Anlage, die bessere und schnellere Entscheidungen ermöglicht und zu besseren Ergebnissen führt. Die Betonung liegt dabei auf dynamisch. Es handelt sich nämlich nicht um ein statisches Modell (wie zum Beispiel BIM), sondern es finden regelmäßig Updates zwischen der Cyber-Welt und der physischen Welt statt. Darüber hinaus ist die Zwei-Wege-Kommunikation zentral, die einen digitalen Zwilling zu einer Basistechnologie der Industrie 4.0 macht: Sie gibt prädiktives Feedback an die reale Welt und bildet cyber-physische Systeme.

Die Technologie der digitalen Zwillinge bringt Engineering-, Operations- und IT-Systeme zusammen. Bentley nennt dies auch die Verschmelzung von ET, OT und IT. Digitale Zwillinge bieten die Möglichkeit, eine Anlage auf einem Bildschirm oder mit einer 3D-Brille zu visualisieren, Änderungen zu verfolgen und Analysen durchzuführen. Somit lässt sich die Anlagen- und Prozessleistung besser verstehen und optimieren. Indem sie eine einheitliche Sichtweise vermitteln, treiben digitale Zwillinge die abteilungsübergreifende, interdisziplinäre und entfernungsunabhängige Zusammenarbeit voran.

Nachhaltige Stadtentwicklung: Vier Antriebskräfte

Digitale Zwillinge können aber noch mehr. Denn sie tragen dazu bei, Emissionsziele zu erreichen, die Resilienz der Infrastruktur zu verbessern und die Kapazität der Infrastruktur zu erhöhen. Im städtischen Kontext können digitale Zwillinge vielfältig eingesetzt werden, zum Beispiel in vertikalen Anwendungen wie Energie, Mobilität und Wasser, oder auch horizontal als stadtweites Entscheidungshilfe- und Automatisierungstool.

Die wichtigsten urbanen Antriebskräfte von heute lassen sich in vier Themengebieten zusammenfassen: Nachhaltigkeit, Resilienz, Wirtschaftswachstum und Bürgerzufriedenheit. Diese vier Antriebskräfte erfordern Aufmerksamkeit und lenken Investitionen in den Städten. Bentley Systems konzentriert seine Softwarelösungen für urbane digitale Zwillinge auf sechs Themen, was den Verantwortlichen für die Stadtplanung und deren Teams dabei hilft, effektiver und effizienter zu arbeiten. Und all diese Ziele sind stark mit den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen verbunden. Mit einer vernetzten Datenumgebung als Grundlage für digitale Zwillinge lässt sich der Wert der zugrundeliegenden Daten voll ausschöpfen.

Seit vielen Jahren kooperiert Bentley Systems mit Pilotstädten und hat daraus wichtige Lehren gezogen. All diese Pilotstädte verfügen über digitale Strategien, engagierte Teams und finanzielle Mittel, woraus bereits einige Schlüsselelemente des Erfolgs ersichtlich werden. Daraus ergeben sich weitere Erkenntnisse: Urbane digitale Zwillinge müssen schrittweise aufgebaut werden. Zentrale Ereignisse (wie ein schweres Erdbeben oder die Olympischen Spiele) erweisen sich als Katalysatoren für das Erstellen eines digitalen Zwillings in einer Stadt und das Engagement der Bürger ist entscheidend für die Akzeptanz.

Die Anwender wünschen sich lebenswerte Städte. Die Zufriedenheit der Bürger resultiert sowohl aus einer hohen Qualität der städtischen Dienstleistungen mit einfachem Zugang zu Informationen und kurzen Reaktionszeiten als auch einer hohen Lebensqualität, die mit einer verbesserten Infrastruktur für eine wachsende Bevölkerung und reduzierten Risiken in Bezug auf extreme Wetterereignisse und andere Beeinträchtigungen einhergeht.

Anwendungsfälle

Im Vergleich zu Expertenanwendungen muss ein urbaner digitaler Zwilling eine noch intuitivere und einfachere Benutzeroberfläche haben. Denn ein solches Portal soll den täglichen Ausgangspunkt einer digitalen Erfahrung für die Entscheidungsträger einer Stadt oder eines Campus bilden und alle relevanten Daten anzeigen und erfolgskritische Anwendungsfälle visualisieren. Neben dem Administrator gibt es hauptsächlich nicht-technische Anwender, die eine schnelle Entscheidungshilfe wünschen. Dies gilt auch für die Öffentlichkeit, die Zugang zu den angegebenen Inhalten erhalten kann.

Beispielsweise wurde für ein Unternehmen ein 3D-Portal erstellt, um sein städtisches Projektportfolio zu verwalten und Projekte nach Kunden, Projektstatus, Sektoren oder ähnlichem zu gruppieren. Wählt man ein Verkehrsprojekt in Stockholm aus, erhält man eine flächendeckende Karte, die mit Realitätsmodellen versehen ist. Sie basieren auf einem Netz von Punktwolken aus Lidar- und Fotodaten und bieten bei Bedarf eine Genauigkeit im Millimeterbereich.

Durch Zuschalten der Transparenz lässt sich die unterirdische Infrastruktur einer im Bau befindlichen U-Bahn-Sta­tion sichtbar machen. Ein solches iModel erfasst 4D-Informationen zur Infrastruktur, zum Beispiel aus einem BIM-Modell und vielen anderen Quellen, und führt sie zusammen.

Wahrscheinlich eines der wichtigsten Themen für Smart Cities ist derzeit die Mobilität. Mit dem Modellierungswerkzeug lassen sich Mobilitätsdaten aus verschiedenen Quellen importieren. Die Darstellung dieser Daten in einem urbanen digitalen Zwilling für Planung oder Betrieb hilft Anwendern, Veränderungspotenzial zu erkennen. Ist das Verkehrssystem nicht leistungsfähig genug? Warum gibt es Staus oder eine ineffiziente Streckenführung? Welche Investitionen lohnen sich am meisten? Wo gibt es Sicherheitsrisiken, die eine Priorisierung bei der Wartung erforderlich machen? Oder wie würden sich Bewegungsmuster ändern, wenn wir die Verkehrssteuerung oder -infrastruktur ändern?

Nachhaltige Stadtentwicklung: So gelingt die Einführung des digitalen Zwillings

Anwender, die einen digitalen Zwilling aufbauen wollen, sollten mit den Daten anfangen, die ihnen vorliegen, und eine erste Ebene in die Plattform von Bentley Systems integrieren. Dabei kann es sich um GIS-Daten oder um ein Realitätsmodell handeln. Dann können sie schrittweise weitere Ebenen hinzufügen, die Genauigkeit der einzelnen Ebenen erhöhen und die Häufigkeit der Aktualisierung der einzelnen Ebenen steigern. Jede Ebene lässt sich der Plattform in beliebiger Reihenfolge hinzufügen und im eigenen Tempo und mit der eigenen Genauigkeit aktualisieren.

Software-Anforderungen

Jeder digitale Zwilling muss den tatsächlichen Zustand einer physischen Anlage zu jedem Zeitpunkt widerspiegeln, damit die Beteiligten diese virtuell, effektiv und gemeinsam betreiben können. Der digitale 4D-Kontext ist die Zusammenführung aller 3D-Realitätsdaten, die zu verschiedenen Zeiten mit einer Vielzahl von Techniken auf tatsächlichen Anlagen erfasst werden. Dieser Kontext spiegelt alle geometrischen, visuellen und raumbezogenen Aspekte der Anlage zum Zeitpunkt der Erfassung in jeder Größenordnung wider. Er ermöglicht Workflows wie Online-Zusammenarbeit, Fernüberprüfung, virtuellen Betrieb, kontextbezogene Planung und Mixed Reality-Anwendungen.

Weitere wichtige Gesichtspunkte sind Wiedergabe und Simulation. Dazu arbeitet Bentley Systems mit Nvidia zusammen und nutzt die Nvidia Omniverse-Plattform für die fotorealistische Echtzeitvisualisierung und Simulation digitaler Zwillinge in großen Industrie- und Infrastruktur-Planungsprojekten. Es besteht eine immersive Sichtbarkeit, zum Beispiel um Abschnitte einer Brücke zu visualisieren, Anmerkungen, Abmessungen und andere Markierungen hinzuzufügen und detaillierte Kontextinformationen für die Baustruktur bereitzustellen.

Zudem benötigt man für eine nachhaltige Stadtentwicklung operative Intelligenz, um Smart City-Dashboards und Online-Projektportale zu erstellen und zu verwenden. Dafür hat Bentley Systems Live-Sensordaten integriert. So können Anwender Attribute und semantische Daten mit Objekten und Komponenten verbinden und mit Engineering-Daten verknüpfen. Auf diese Weise können sie die Gebäudeleistung, die Sicherheit und den Komfort optimieren.

Und schließlich müssen urbane digitale Zwillinge so offen wie möglich sein. Denn oft sind viele Anwendungen und Systeme bereits vorhanden, und eine Stadt kann nicht einfach zu einer neuen Plattform wechseln oder laufende Systeme austauschen. Es muss also Schnittstellen, Konnektoren und APIs geben, die sich integrieren lassen, ermöglicht durch eine kooperative Haltung.

Der Autor Dr. Richard J. Vestner ist für die Entwicklung von urbanen Zwillingen bei Bentley Systems verantwortlich.

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