Städte nachhaltiger und resilienter zu machen, steht auf der Agenda vieler Planungsbehörden ganz oben. Die Grundlage für solche Smart-City-Konzepte liefern Digital Twins, also virtuelle Abbilder von kompletten Stadtquartieren. NTT Ltd., ein führendes, weltweit tätiges IT-Dienstleistungsunternehmen, erklärt, wie sich mit Hilfe von digitalen Zwillingen Infrastrukturen und Prozesse steuern, analysieren und kontinuierlich verbessern lassen.

Ursprünglich wurden digitale Zwillinge entwickelt, um Fertigungsabläufe mithilfe von Simulationen, die auf hochgenaue Modelle einzelner Komponenten zurückgreifen, zu optimieren. Dank der Verfügbarkeit von immer größeren und genaueren Gebäudeinformationsmodellen (BIM) in Kombination mit Big Data, die von IoT-Sensoren 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.

Digital Twins helfen 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 auch, alternative Baustoffe zu erforschen. Bislang kommt kaum ein Neubau ohne Beton aus, dessen Herstellung jedoch 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. In der Folge kommt es durch den unregulierten Abbau zu schweren Umweltschäden, weshalb die Verwendung bauchemischer Alternativen immer stärker in den Mittelpunkt rückt.
  • Nachhaltiger Umgang mit Energie. Grundsätzlich spielen in einer Smart City hybride Energiesysteme, in denen die Erzeugung, Speicherung und Nutzung von erneuerbaren Energien „barrierefrei“ zwischen Gebäuden, Stromnetz, Wärmenetz und Nutzern fließen kann, eine entscheidende Rolle. Idealerweise werden diese mit ökonomischen Anreizsystemen wie Mietstrom-Modellen kombiniert, die den Nutzer als Konsument und Produzent in das System einbinden. Parallel ermöglichen digitale Zwillinge, die Energieeffizienz eines Neubaus zu steigern: Mit den bauphysikalischen Daten aller Gebäudeelemente sowie den relevanten Daten zu Energieversorgung, Beleuchtung, Brandschutz und Gebäudemanagement kann die Klimabilanz eines Hauses bereits vor Baubeginn optimiert werden.
  • Ein allumfassendes Mobilitätsmanagement. Wie lassen sich Staus reduzieren? Wo sollen neue Fahrradspuren angelegt werden? Wie kann der öffentliche Nahverkehr verbessert werden? Ein digitales Abbild einer Stadt oder einer Region ermöglicht es Planern, diese Fragen in einem virtuellen Modell durchzuspielen und alle möglichen Szenarien zu testen. Durch die Kombination der verschiedensten Transportmodelle mit Echtzeitdaten erhalten die Verkehrsbetreiber zudem ein starkes Werkzeug zur Vorhersage, Optimierung und Steuerung des gesamten Netzes. Wenn sich zum Beispiel ein Unfall ereignet, ist das System in der Lage, Optionen für mögliche Maßnahmen wie Straßensperrungen oder Umleitungen zu geben. Das verbessert den Verkehrsfluss, trägt aber auch zur Erhöhung der Verkehrssicherheit und zur Reduzierung von Emissionen bei. Aber auch die Auslastung öffentlicher Verkehrsmittel lässt sich mit Hilfe solcher Planungsmodelle besser steuern.

Daten auf Stadtebene sind inzwischen im Überfluss vorhanden. Sie allerdings sinnvoll zu verknüpfen, ist ein komplexes Unterfangen. Viele Erkenntnisse können nicht gewonnen werden, weil die unterschiedlichen Datenquellen nicht nahtlos in einem kohärenten Rahmen integriert sind. Eine Smart City mit all ihren eingebetteten IoT-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.

Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von NTT arbeitet zudem an der Digital Twin Computing (DTC)-Initiative. Während herkömmliche digitale Zwillinge hauptsächlich zur Überwachung physischer Objekte verwendet werden, geht das DTC-Konzept 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). (rhh)

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