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Digital Twins als Grundlage für die Smart City

Nachhaltigkeit und Resilienz – das steht auf der Agenda vieler Smart-City-Konzepte. Grundlage dafür sind Digital Twins, also virtuelle Abbilder von Quartieren. Der IT-Dienstleister NTT Ltd. erklärt, wie sich damit Infrastrukturen analysieren, steuern und verbessern lassen.

Digitale Zwillinge wurden ursprünglich entwickelt, um Fertigungsabläufe mithilfe von Simulationen, die auf hochgenaue Modelle einzelner Komponenten zurückgreifen, zu optimieren. Dank der Verfügbarkeit von immer größeren und genaueren Gebäudeinformationsmodellen in Kombination mit Big Data, die von Sensoren im Internet der Dinge und anderen Datenquellen generiert werden, lassen sich inzwischen Digital Twins von ganzen Städten erstellen. Diese beinhalten digitale Abbilder von Objekten wie Gebäuden und Straßen, aber auch von Prozessketten wie Mobilitätsströmen und Treibhausgasemissionen sowie sozialen Interaktionen.

Der digitale Zwilling liefert damit ein virtuelles Stadtmodell, das als Entscheidungsgrundlage für die Planung von urbanen Infrastrukturen und bei der Optimierung von Prozessen dient sowie Kosten, Sinnhaftigkeit und Risiken von Projekten erschließt. Der digitale Zwilling kann seinem physischen Bruder sogar direkt Rückmeldungen geben und zu einem sich selbst verbessernden System werden. Den Stadtplanern helfen Digital Twins in drei wichtigen Bereichen: Städtebau, Energie und Mobilität.

  • Effizienz vor dem ersten Spatenstich

Die Baubranche gehört weltweit zu den ressourcenintensivsten Wirtschaftssektoren. Mit Hilfe eines digitalen Zwillings lassen sich bereits in der Planungsphase Prozesse optimieren und damit nachhaltiger gestalten. Zudem können Risiken wie Kostensteigerungen, Planungsfehler oder Ablaufstörungen frühzeitig erkannt und vermieden werden. Nach der Fertigstellung des Projekts stehen dann die gesammelten digitalen Informationen, die den kompletten Lebenszyklus umfassen, für die Planung einer ressourcenschonenden Bewirtschaftung zur Verfügung. Ein digitaler Zwilling hilft dabei, alternative Baustoffe zu erforschen. Bislang kommt kaum ein Neubau ohne Beton aus, dessen Herstellung jährlich Milliarden Tonnen klimaschädliches CO2 verursacht. Hinzu kommt: Beton braucht als Hauptzutat Sand vom Meeresgrund, der inzwischen mit bis zu 50 Milliarden Tonnen pro Jahr laut dem UN-Umweltprogramm UNEP einer der wichtigsten Handelsrohstoffe weltweit ist. Durch den unregulierten Abbau kommt es zu schweren Umweltschäden, und bauchemische Alternativen rücken deshalb ins Blickfeld.

  • Nachhaltiger Umgang mit Energie

Eine wichtige Rolle in einer Smart City spielen hybride Energiesysteme, in denen die Erzeugung, Speicherung und Nutzung von erneuerbaren Energien barrierefrei zwischen Gebäuden, Stromnetz, Wärmenetz und Nutzern fließen kann. Idealerweise werden diese Systeme mit ökonomischen Anreizsystemen wie Mietstrom-Modellen kombiniert, die den Nutzer als Konsument und Produzent in das System einbinden. Parallel dazu steigern digitale Zwillinge die Energieeffizienz eines Neubaus: Mit den bauphysikalischen Daten aller Gebäudeelemente sowie den Daten zu Energieversorgung, Beleuchtung, Brandschutz und Gebäudemanagement kann die Klimabilanz eines Hauses bereits vor Baubeginn optimiert werden.

  • Ein allumfassendes Mobilitätsmanagement

Bürger fragen sich, wie sich Staus reduzieren lassen, wo neue Fahrradspuren angelegt werden sollen und wie der öffentliche Nahverkehr verbessert werden kann. Im digitalen Abbild einer Stadt oder einer Region können Planer diese Fragen in einem virtuellen Modell durchspielen und Szenarien testen. Durch die Kombination verschiedener Transportmodelle mit Echtzeitdaten erhalten die Verkehrsbetreiber zudem ein Werkzeug zur Vorhersage, Optimierung und Steuerung des gesamten Netzes. Ereignet sich ein Unfall, gibt das System Optionen für mögliche Maßnahmen wie Straßensperrungen oder Umleitungen. Das verbessert den Verkehrsfluss und trägt zur Erhöhung der Verkehrssicherheit und zur Reduzierung von Emissionen bei. Auch die Auslastung öffentlicher Verkehrsmittel lässt sich mit Hilfe solcher Planungsmodelle besser steuern.

Daten auf Stadtebene sind inzwischen im Überfluss vorhanden. Sie sinnvoll zu verknüpfen, ist ein komplexes Unterfangen. Viele Erkenntnisse können nicht gewonnen werden, weil die unterschiedlichen Datenquellen nicht in einem kohärenten Rahmen integriert sind. Eine Smart City mit Szenarien wie intermodaler Mobilität und digitalem Gebäude- und Energiemanagement ist nur dann erfolgreich, wenn bisher geschlossene Einzelsysteme aus Prozessen und IT-Lösungen zu Ökosystemen zusammenwachsen. Gleichzeitig ermöglicht eine Smart City ihren Bewohnern mehr Transparenz: Anhand der vorhandenen Daten lässt sich quasi mit einem Klick erklären, warum und wo welche Maßnahmen erforderlich sind, was sie kosten und welche Folgen sie haben.

Vernetzte Modelle bilden soziale Interaktionen ab

„In Science-Fiction-Filmen wie ‚Blade Runner‘ oder ‚I, Robot‘ war es noch ferne Zukunft: Autos fahren führerlos oder fliegen sogar durch riesige Städte mit Wolkenkratzern, Magnetbahnen rauschen geräuschlos dahin, aus dem Orbit teilen Stimmen die neuesten Nachrichten mit“, erklärt Marcus Giehrl, Director Digital Transformation bei NTT Ltd. „Manches davon ist heute bereits Realität, trotzdem stellt sich die Frage, wie die Stadt der Zukunft aussieht. Die Grundlagen, um die komplexen Herausforderungen unserer urbanen Realität zu verstehen, zu gestalten und zu lösen, liefern digitale Zwillinge.“ Der Digital Twin einer Stadt sei nicht nur ein Modell, sondern eine ganze Familie von vernetzten Modellen, die auch die Aspekte sozialer Interaktionen enthalten und damit tiefgehende und vorausschauende Analysen zulassen. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen gruppiere der digitale Zwilling Informationen nicht technologie-, sondern nutzerorientiert. Daten würden konsequent auf das Bedürfnis der Menschen zugeschnitten.

NTT engagiert sich als ‚Business Avenger‘ bei der Erreichung der 17 globalen Ziele der Vereinten Nationen für eine nachhaltige Entwicklung. Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von NTT arbeitet zudem an der Initiative Digital Twin Computing. Während herkömmliche digitale Zwillinge hauptsächlich zur Überwachung physischer Objekte verwendet werden, geht das Digital Twin Computing deutlich weiter: In einem diversifizierten Cyberspace aus hochpräzisen digitalen Informationen werden reale Objekte wie Dinge, Menschen und Gesellschaften abgebildet, um so groß angelegte, hochgenaue Vorhersagen und Simulationen zu ermöglichen und gleichzeitig die Kommunikation untereinander zu optimieren. Damit lassen sich beispielsweise wertschöpfende Dienste für Geschäfts- und Bürofunktionen in verschiedene Kategorien unterteilen: Gebäudemanagement (Optimierung von Energiesteuerung, Betrieb und Sicherheit), Ladenbetrieb (Optimierung des Kundenerlebnisses durch individuelle Services), Mietermanagement (flexiblere Nutzung der Flächen), nachhaltige Bewirtschaftung (Vermeidung von Lebensmittelverschwendung) und ein umfassendes Mobilitätsmanagement (Mobility as a Service). Jürgen Frisch