Digitale Zwillinge verstärken die Intelligenz von Großstädten

Die Technologie für digitale Zwillinge hilft Städten dabei, die Planungs-, Bau-, Überwachungs- und Nachhaltigkeitsprozesse in Stadtzentren zu verbessern und so den Weg zu Smart Cities zu beschleunigen. Bei dem Verfahren werden Kopien von physischen Objekten oder Abläufen in einer digitalen Umgebung entwickelt, um verschiedene Szenarien zu simulieren, indem Daten in Echtzeit erfasst werden, oft unter Verwendung von IoT-Sensoren, die Veränderungen in der realen Welt überwachen und mögliche Auswirkungen und Lösungen vorhersagen.

Der Stadtstaat Singapur, der weltweit für einige der fortschrittlichsten digitalen Zwillingsmodelle für Smart Cities bekannt ist – es ist umstritten, ob Singapur als Stadt oder als Land betrachtet werden sollte –, gilt als Vorreiter in der Entwicklung eines semantischen 3D-Modells, das unter anderem Gebäude-, Infrastruktur- und Flächeninformationen enthält, um virtuelle Experimente auf der Grundlage der digitalen Version der Stadt durchzuführen und Szenarien zu simulieren, bevor neue Maßnahmen in der realen Welt umgesetzt werden.

Einer der Grundpfeiler digitaler Zwillinge ist die Bauwerksdatenmodellierung (Building Information Modelling, BIM), eine Disziplin, die von Architekten und Bauherren zur Planung und Gestaltung von Gebäuden, Brücken und anderen Infrastrukturen verwendet wird. Digitale Zwillinge gehen jedoch darüber hinaus und entwickeln sich mit der Zeit weiter, um in jeder neuen Phase des Lebenszyklus mehr Wert zu generieren.

Experten weisen darauf hin, dass digitale Zwillinge nicht nur auf eine statische Repräsentation angewiesen sind, sondern auch auf Erkenntnisse, die kontinuierlich in das System eingepflegt werden, um einen Mehrwert für Smart Cities zu generieren. Die Aufrechterhaltung von Genauigkeit ist dabei entscheidend. Jedes Detail muss aktualisiert werden, sei es mit Daten aus der Umgebung oder von den Infrastrukturen, da der digitale Zwilling die Realität andernfalls nicht korrekt darstellen kann. In die Infrastruktur eingebettete und in der gesamten Stadt installierte Sensoren helfen bei der Aufgabe der Aktualisierungen.

Zusätzlich zu den statischen Daten beinhaltet die Virtual Singapore Plattform zum Beispiel dynamische Wetter- oder Verkehrsinformationen in Echtzeit. Mit stets verfügbaren aktuellen Informationen ist Virtual Singapore in der Lage, Notfallsituationen in der Stadt zu simulieren und die zum jeweiligen Zeitpunkt am besten geeigneten Evakuierungsprotokolle zu generieren.

Darüber hinaus erfährt Singapur Details über die aktuelle Landschaft, um Verbesserungen im Design oder bei Sanierungsprojekten zu gestalten, zum Beispiel durch Visualisierungen, wie sich die Skyline verändern würde, wenn neue Gebäude genehmigt würden. Außerdem können Möglichkeiten zur Erweiterung von Grünflächen, zur Erhöhung des Recyclinganteils in der Stadt oder zur Optimierung der Nutzung unterirdischer Räume identifiziert werden. Weitere Maßnahmen, die durch das Modell der digitalen Zwillinge in Singapur ermöglicht werden, sind:

• Analyse von Verkehrsströmen und Fußgängerbewegungsmustern;
• Identifizierung von Gebieten mit schlechter Telefonnetzabdeckung und wie diese verbessert werden können
• Bewertung von Gebäuden, die das höchste Potenzial für die Erzeugung von Solarenergie haben und sich daher am besten für die Installation von Solaranlagen eignen;
• Aufzeigen von Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher 3D-Anwendungen und -Tools.

Shanghai, die größte Stadt Chinas und eine der bevölkerungsreichsten Städte der Welt, hat ebenfalls einen eigenen virtuellen Klon erstellt, um alles vom Verkehr über Bauarbeiten bis hin zur Wartung von Brücken zu überwachen, Dienstleistungen zu verbessern, Prognosen zu erstellen und die Folgen von Bevölkerungswachstum, Klimawandel, Naturkatastrophen oder Pandemien abzuschätzen.

Ein etwa 4.000 Quadratkilometer großes Gebiet wurde abgedeckt, wobei mehr als 20 markante Bauwerke modelliert wurden. Ein Algorithmus nutzt Daten von Satelliten, Drohnen und Sensoren, um digitale Versionen von anderen Gebäuden, Straßen, Kanälen und Grünflächen zu generieren und den digitalen Zwilling Shanghais nahezu in Echtzeit kontinuierlich zu aktualisieren.

Die Simulation ist in Segmente von zwei Quadratkilometern unterteilt. Nahegelegene Objekte erscheinen detaillierter und zeigen genaue Reflektionen der Umgebung, weiche Schatten auf Oberflächen und realistische Schattierungseffekte, abhängig vom Wetter.

Jenseits von Städten

Das Konzept der digitalen Zwillinge ist nicht neu und geht auf die Zeit zurück, als die NASA Spiegelsysteme zur Rettung der Weltraummission Apollo 13 einsetzte. In den letzten Jahren hat es jedoch durch seine Anwendung in verschiedenen Branchen einen neuen Aufschwung erfahren. Eine Studie prognostiziert, dass die Erstellung digitaler Nachbildungen realer Infrastrukturen bis zum Jahr 2026 rund 48,2 Mrd. US-Dollar auf dem Markt ausmachen wird. In jüngster Zeit hat sich die Nachfrage nach digitalen Zwillingen vor allem in der Pharma- und Gesundheitsbranche aufgrund der Covid-19-Pandemie zugenommen.

Der wirtschaftliche Nutzen von digitalen Zwillingen variiert stark und ist von den gewählten Monetarisierungsmodellen abhängig. Im Dienstleistungssektor oder bei komplexen und teuren Industrie- oder Geschäftsprozessen ist beispielsweise die Reduzierung der Ausfallzeiten von Anlagen und der Wartungskosten äußerst wertvoll, was die Initiativen für digitale Zwillinge attraktiver macht. „Digitale Zwillinge werden das Geschäftsfeld des Internets der Dinge (IoT) vorantreiben, indem sie eine leistungsstarke Möglichkeit zur Überwachung und Steuerung von Assets und Prozessen bieten“, sagt Alfonso Velosa, Research Vice President bei Gartner.

Er warnt jedoch davor, dass für eine wirkliche Wertschöpfung aus digitalen Zwillingen wirtschaftliche und geschäftliche Modelle entwickelt werden müssen, die den Nutzen vor dem Hintergrund der Entwicklungskosten und des laufenden Wartungsbedarfs von digitalen Zwillingen berücksichtigen. Die Entwicklung und Sicherstellung des Supports für digitale Zwillinge erfordert eine kontinuierliche Aktualisierung der Datenerfassungs- und Kuratierungsfunktionen sowie adaptive Algorithmen und Analysen. „Die Komplexität von digitalen Zwillingen wird je nach Anwendungsfall, Branche und Geschäftsziel variieren“, fügt der Gartner-Experte hinzu.