Digitale Zwillinge sind virtuelle Repräsentationen der realen Welt, die physische Objekte, Prozesse, Beziehungen und Verhalten umfassen. Digitale Zwillinge lassen sich vielfältig einsetzen: Zur Abbildung der genauen historischen Gegebenheiten, zum Performance-Monitoring sowie zur Erforschung und Vorhersage eines Zustands.
Die Entwicklung und die Aufmerksamkeit rund um Digitale Zwillinge wurde in den letzten Jahren hauptsächlich durch das verstärkte Zusammenlaufen von georäumlichen Technologien mit den Bereichen BIM (Building Information Modeling) und interaktive 3D-Visualisierung vorangetrieben: Endlich lassen sich Fragestellungen anhand der Simulation einzelner Anlagen, ganzer Städte oder gar großer natürlicher Systeme beantworten. Häufig kommen im Gespräch Fragen dazu auf, welche Rolle GIS innerhalb der Strategie zu Digitalen Zwillingen für unsere Kunden spielt. Die Antworten dazu liefern wir hier im Überblick.
Was ist ein Digitaler Zwilling?
Digitale Zwillinge sind virtuelle Repräsentationen der realen Welt und umfassen physische Objekte, Prozesse, Beziehungen und Verhalten. Sprechen wir von Digitalen Zwillingen im Zusammenhang mit GIS, dann geht es in aller Regel um die Erstellung virtueller Modelle von Anlagen oder natürlichen Systemen, die zusammen mit Informationsmodellen, Daten, Berichten, Analysen und Benutzererlebnissen visualisiert werden, um als Momentaufnahme eines Zustands zu dienen oder für die Performance-Überwachung verwendet zu werden. Darüber hinaus lassen sich Digitale Zwillinge auch für Vorhersagen zu potenziellen Ergebnissen oder Ereignissen einsetzen. Digitale Zwillinge bilden den aktuellen, vergangenen und sogar den zukünftigen Zustand von Anlagen oder Objekten ab. Dabei entsprechen sie nicht zwingend dem tatsächlichen Zustand, der in der realen Welt gerade existiert und zu sehen ist. Das Konzept des Digitalen Zwillings stammt aus der Produktfertigung: Präzise digitale Modelle komplexer Objekte, wie beispielsweise Flugzeuge oder Kraftfahrzeuge, lassen sich in einer Datenbank zu Reporting- oder Analysezwecken erfassen und zur Simulation und zum Testen ihrer Performance verwenden. Die ursprüngliche Idee des Digitalen Zwillings trug demzufolge dazu bei, dass die auf Finanzierungszwecke und Kostenkalkulation begrenzte Nutzung der Daten, die zu einem Objekt oder einer Anlage vorlagen, produktiv ausgeweitet werden konnte: Die Daten werden nun zum Zwecke von Performance- und operativen Analysen eingesetzt, deren Ergebnisse dann wiederum in die finanzielle Sichtweise auf die Herstellung und den Vertrieb eines Objektes einfließen.
Heute geht es bei den Gesprächen mit Kunden bereits um den Einsatz des Digitalen Zwillings für die Darstellung von Infrastruktur oder Gebäuden in der realen Welt bis hin zur Abbildung von großmaßstäblichen Systemen wie ganzen Städten oder natürlichen Umgebungen. Die Vorstellung, dass das Modell einer Anlage zum Verständnis von deren Performance, zur Kostenkontrolle und bei möglichen Bauvorhaben nützlich ist, hat Potenzial; doch das Konzept des Digitalen Zwillings auf bewohnte Systeme auszuweiten, bei denen es darum geht, durch Menschen ausgeführte Aktivitäten, wie z. B. Wartungs- und Betriebstätigkeiten, zu visualisieren, bringt uns einen großen Schritt voran. Gleichzeitig steigert sich dadurch natürlich auch die Komplexität.
GIS kommt seit Jahren zur Modellierung von Real-World-Systemen mit hoher Genauigkeit zum Einsatz. Sowohl Versorgungsnetzmodelle als auch Grundstücksgrenzen und Verkehrsnetze wurden bisher zu Asset-Management-Zwecken sowie für Wartungs- und Planungsaufgaben mit GIS dargestellt. Das Konzept des Digitalen Zwillings baut auf bewährten Verfahren und Technologien zum Data-Warehousing, zu föderierten Systemen und objektbasierten Datenmodellen auf: Hinzu kommen realistische Darstellungsweisen, ein interaktives Benutzererlebnis sowie hochauflösende 3D- und 4D-Modelle von Anlagen und Systemen. Im Grunde genommen muss der Digitale Zwilling da zum Einsatz kommen, wo er den Besitzer oder Betreiber des Objektes, der Anlage oder des Systems der realen Welt dabei unterstützt, unternehmens- oder betriebskritische Anwendungsfragen zu lösen: Die Investition in den Digitalen Zwilling und auch die Prozessänderungen, die notwendig sind, um den Digitalen Zwilling mit Daten zu versorgen und zu betreiben, sollen ja rentabel und gerechtfertigt sein.
Welche Fragestellungen lassen sich mithilfe eines Digitalen Zwillings lösen?
Die drei großen Anwendungsbereiche des Digitalen Zwillings werden im Folgenden beschrieben:
- Aufnahme eines historischen Zustands: Mithilfe eines Digitalen Zwillings lässt sich der Zustand eines bestimmten Objekts oder Systems archivieren. Grundstücksgrenzaufzeichnungen und Versorgungsnetzmodelle sind gute Beispiele für georäumliche Zwillinge jeweils eines Real-World-Systems, die zu rechtlichen oder betrieblichen Zwecken erfasst werden. Hinter dem Schlagwort Reality Capture, also der Erfassung von Daten der realen Welt, wie z. B. Punktwolken und texturierten Mesh-Ausgaben von SURE for ArcGIS, verbergen sich hochauflösende 3D-Zustandsaufnahmen – Schnappschüsse der realen Welt. Aus diesen Aufnahmen können einige Anbieter sogar BIM-Daten extrahieren, die dann entweder als historischer Datensatz zur Ablage oder als Planungsgrundlage für zukünftige Instandsetzungsarbeiten oder betriebliche Prozesse dienen.
- Monitoring der Betriebsperformance: Einer der großen Vorteile eines virtuellen 3D-Modells einer Anlage liegt im 3D-Erlebnis, das auch Fachunkundigen die Interaktion mit dem Modell ermöglicht: User ohne Fachkenntnisse können das Modell erkunden und erkennen die reale Welt. Aus diesem Grunde wird der Digitale Zwilling vielfach dort eingesetzt, wo er als Dashboard zur Anzeige der aktuellen Performance des eigentlichen Systems dient, einschließlich Live-Feeds und dynamisch aktualisierten Attributen. Diese Systeme sind außerdem häufig mit anderen, föderierten Enterprise-Systemen verknüpft. Der Vorteil, den GIS für den Digitalen Zwilling nutzbar macht, ist die Fähigkeit von GIS zur Speicherung, zum Streaming und zur Bereitstellung von dynamischen Erlebnissen, die es Usern ermöglichen, 3D-Objekte – so klein wie ein Gebäude, aber auch so groß wie eine Stadt – im Kontext ihrer bebauten und natürlichen Umgebung zu erkunden.
- Testen oder Vorhersagen der zukünftigen Performance: Die höchsten Erwartungen im Hinblick auf die Möglichkeiten von Digitalen Zwillingen werden an deren Fähigkeit geknüpft, unter Verwendung einer hochpräzisen Version eines Objektes oder einer Anlage die Zukunft zu simulieren, abzuschätzen oder vorherzusagen. Digitale Zwillinge werden beispielsweise in der Autoindustrie dazu verwendet, die Aerodynamik von Fahrzeugen zu erforschen. In der AEC-Branche dienen aggregierte BIM-Informationen innerhalb der Schlüsseltechnologie Virtual Design and Construction (VDC) dazu, geplante Bauvorhaben virtuell umzusetzen, um mögliche Konstruktions- oder Sicherheitsprobleme zu ermitteln. Auf Ebene der Stadtplanung nutzen Planer die Technologie des Digitalen Zwillings dazu, zukünftige Änderungen zu simulieren, wie beispielweise Veränderungen an der Form eines neuen Gebäudes oder an einer projektierten Autobahn sowie Verbesserungen an Uferbefestigungen. Die Hoffnung, die mit der Nutzung des Digitalen Zwillings auf Stadtebene verbunden ist, besteht darin, zukünftige Änderungen so simulieren und analysieren zu können, dass deren Auswirkungen auf die Performance vorhersehbar und optimierbar bleiben und gleichzeitig die Kosten der Umsetzung solcher Veränderungen möglichst gering gehalten werden.
Ist GIS für die Erstellung eines Digitalen Zwillings essenziell?
Wird ein Digitaler Zwilling dazu verwendet, historische Genauigkeit abzubilden, Performance zu überwachen oder den zukünftigen Zustand vorherzusagen, dann profitiert jedes dieser Projekte eines Digitalen Zwillings direkt von der Einbeziehung der jeweiligen GIS-Daten und des umgebenden GIS-Kontexts. GIS fließt in die Erstellung von Digitalen Zwillingen der natürlichen und bebauten Umgebung ein und unterstützt die Integration vieler unterschiedlicher digitaler Repräsentationen der realen Welt in das Projekt.
Einzelobjekte, z. B. aus dem Bereich Mechanik, lassen sich in Gänze in einem in sich geschlossenen Datenschema darstellen, das zur Beobachtung und zur Hypothesenüberprüfung verwendet werden kann. Die Daten für feste Anlagenobjekte oder natürliche Systeme hingegen, beispielsweise Daten zu Böden, Anlagenmaterialien, Wetter, Verkehr, Wartung und Versorgung, sind in der Regel in verschiedenen Datenmodellen gespeichert, die meist Unterschiede in Bezug auf die Datenqualität und die Auflösung aufweisen und darüber hinaus auch noch unterschiedliche Eigentümer haben. GIS ist die einzige Technologie, die den kleinsten gemeinsamen Nenner all dieser Daten nutzbar machen kann: Location. Mit GIS werden komplexe Analysen dieser sehr unterschiedlichen Datenmodelle und Datasets möglich.
In den vergangenen Jahren hat Esri viel in ArcGIS investiert, um die notwendigen Fähigkeiten stark auszubauen: GIS eignet sich als Technologie hervorragend, um föderierte Datasets, die in Dashboards oder StoryMaps verarbeitet werden, zusammen mit 2D-, 3D- und 4D-Karten zu visualisieren und dadurch die Kommunikation, das Monitoring und die Analyse komplexer Systeme, wie etwa ganzer Städte, zu unterstützen und überhaupt zu ermöglichen. Denn eine der Stärken von GIS besteht in der folgenden Tatsache: Je mehr Daten dem System hinzugefügt werden, desto größer ist der Nutzen, der daraus gezogen werden kann.
Viele Simulationen zu Dynamiken und zum Verhalten der realen Welt basieren auf GIS-Daten. Für einfache Analysen, wie z. B. die Untersuchung des Schatteneffektes eines geplanten Gebäudes, bietet 3D-GIS dynamische, unkomplizierte Nutzererlebnisse in einem Webbrowser. Komplexere Simulationen benötigen hingegen bereits erweiterte Geoverarbeitungsprozesse, um beispielsweise Veränderungen in einem großen Versorgungsnetz zu simulieren und diese Veränderungen dann auf einem einfachen Dashboard anzuzeigen. Über das hinaus, was ArcGIS leisten kann, bieten unsere Partnerlösungen beispielsweise die Simulation von Luftströmung durch ein großes Stadtzentrum oder von einem Stromausfall bei einem großen Versorger. Die Nachfrage nach GIS-Inhalten und deren Funktionalitäten in Spiel-Engines ist ebenfalls merklich gestiegen und hat uns dazu veranlasst, die Produkte ArcGIS Maps SDK for Unity und ArcGIS Maps SDK for Unreal Engine zu entwickeln.
Welche Aspekte gilt es anfangs zu beachten, um den Umfang eines Digitalen-Zwillings-Projekts zu ermitteln?
Am Anfang eines Digitalen-Zwillings-Projekts ist es wie mit jedem anderen Projekt, dem ein komplexes Systemdesign zugrunde liegt: Der Betreiber des Digitalen Zwillings muss Kriterien als Richtschnur festlegen, die der Begrenzung des Projektumfangs zweckdienlich sind und gleichzeitig eine langfristige Wartbarkeit ermöglichen.
Trotz der breiten Diversität an Anwendungsfällen für Digitale Zwillinge gibt es einige allgemeine Überlegungen, die Sie anstellen können, um den Umfang Ihres Projekts zu begrenzen und Ihre Anforderungen trotzdem zu erfüllen:
- Zeitraum: Soll der Digitale Zwilling lediglich für ein einzelnes Projekt verwendet werden? Oder soll der Digitale Zwilling den Lebenszyklus einer Anlage oder eines Objektes komplett begleiten? Im VDC-Bereich ist es beispielsweise die Regel, den Digitalen Zwilling nur für den reinen Projektzyklus zu nutzen. Es wird also von vornherein nicht davon ausgegangen, dass der Digitale Zwilling anschließend auch für den Betrieb einer Anlage einsetzbar ist.
- Vielfalt der Projektbeteiligten: Sind die Projektbeteiligten, die am Digitalen Zwilling arbeiten oder von ihm profitieren, aus einem einzelnen Team oder stammen die Projektbeteiligten aus den unterschiedlichsten Branchen und Berufszweigen?
- Systemkomplexität: Die Komplexität eines Digitalen Zwillings wächst, höchstwahrscheinlich exponentiell, mit der Anzahl der modellierten Systeme. Diese Faustregel gilt für Gebäudesystemtechnik, wie Sanitär-, Elektro-, Mechanik-, Sicherheits- und Telekommunikationsinstallationen. Aber für ganze Universitäts- oder Werksgelände oder gar Städte gilt sie erst recht. Um die Komplexität eines Digitalen Zwillings zu beschränken, sollte die Anzahl der Modellierungen auf die Systeme eingegrenzt werden, die zur tatsächlichen Problemlösung beitragen.
- Datenhoheit: Die Datenhoheit bestimmt sowohl die Zugriffsrechte auf die Daten als auch die Möglichkeiten, die Datasets miteinander zu verknüpfen. Eigentümer einer Einrichtung, eines Geländes oder auch einer Reihe von Gewerbebauten haben die Datenlage sicher gut im Griff und können ihrerseits Anforderungen für eingehende Datasets festlegen. Für die Verantwortlichen eines Universitätscampus oder gar einer Stadt kann die Erstellung eines Digitalen Zwillings, der den geplanten Anwendungsfällen dienen soll, zur Herausforderung werden. Denn möglicherweise sind nicht alle Systeme, wie Einrichtungen oder Stadtwerke, die den Betrieb in irgendeiner Weise beeinflussen, auch unter der Kontrolle der Projektverantwortlichen.
- Datensicherheit: Die Sicherheit eines Digitalen Zwillings unterliegt direkt den Anforderungen des sichersten Datasets im System, das den Digitalen Zwilling ausmacht. Doch ein solch hochsicheres Dataset im Digitalen Zwilling kann im Gegenzug zu Problemen führen -wie etwa Zugriffsbeschränkungen- wodurch die Anforderungen der Projektbeteiligten oder sogar die Fähigkeiten des Digitalen Zwillings beschnitten werden könnten. Hier gilt es abzuwägen, ob ein solches Dataset in die Erstellung des Digitalen Zwillings überhaupt einbezogen werden muss oder sollte.
Ein Digitaler Zwilling ist ein virtuelles Modell eines Objekts aus der realen Welt: In der Wissenschaft verwendet man solche Modelle zur Überprüfung von Hypothesen oder zur Vorhersage von Systemzuständen. Wissenschaftliche Modelle sind meist exakt darauf zugeschnitten, bestimmte Elemente des Systems zu testen und können demzufolge nicht dazu dienen, Szenarien zu überprüfen oder vorherzusagen, die bei der Erstellung des Modells gar nicht in die Überlegungen eingeflossen sind. Bei der Erstellung eines Digitalen Zwillings ist also die Überlegung, welche Ziele erreichbar sind und mit welchem Projektumfang sie erreichbar sind, ein Erfolgsgarant. Bei der Planung sollte dies also im Vordergrund stehen und nicht die Lösung aller möglichen, zukünftigen Probleme mit dem Digitalen Zwilling.
Was sind einige der Erfolgsgaranten, die in die Erstellung eines Digitalen Zwillings einfließen?
Viele der Elemente, die in einen erfolgreichen Digitalen Zwilling einfließen, sind dieselben Elemente, die auch gelungene branchenübergreifende IT-Implementierungen begünstigen. Der Digitale Zwilling basiert im Grunde auf Daten und auf der Fähigkeit, diese Daten zu verknüpfen und Benutzererlebnisse zu erzeugen, sowie Antworten auf Fragen zu finden, die zu mehr Verständnis und fundierteren Entscheidungen führen.
- Klar definierte Ausgaben: Die identifizierten Problembereiche und die resultierenden Anforderungen, die an das Reporting und die Analysen gestellt werden, haben direkten Einfluss darauf, welche Datenanforderungen und Benutzererlebnisse für den Digitalen Zwilling erstellt werden. Nur indem am Projektbeginn klare Vorgaben für die gewünschten Ziele, Berichte und Analysen festgelegt werden, kann der Digitale Zwilling maximal erfolgreich sein. Natürlich ist keine Technologieimplementierung statisch, daher könnten zukünftige Iterationen des Digitalen Zwillings sicherlich um weitere Anforderungen wachsen.
- Die Methode Design Thinking: Umfassende Kenntnisse dessen, wie der Digitale Zwilling eingesetzt werden soll, um die vorhandene betriebliche Praxis zu unterstützen, fließen in die Umsetzung von Benutzererlebnissen ein. Wie geplant lässt sich dann der Zwilling auch wirklich zur Erledigung der unterschiedlichen Aufgaben verwenden: Als Dashboard-Ansicht für Echtzeitsysteme gestaltet sich das Benutzererlebnis anders als ein Benutzererlebnis für Planungs- und Simulationswerkzeuge auf Cross-Reality-Basis (XR), mit denen zukünftige Veränderungen erforscht werden sollen. Ein Verständnis für das jeweils benötigte Benutzererlebnis lässt sich nur in der direkten Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten während der Planungs- und Entwurfsphase des Digitalen Zwillings erlangen.
- Klar formulierte Anforderungen an die Informationsarchitektur: Nigel Stroud, der die erfolgreiche Integration von BIM und GIS für den London Heathrow Airport begleitet, formuliert es so: „Wer die richtigen Fragen stellt, bekommt auch die richtigen Antworten.“ Wer den Digitalen Zwilling erstellt, muss ein tiefes Verständnis der geplanten, zukünftigen Nutzung des Zwillings haben – und dann eben die Bereitstellung von Daten und Services gemäß den Anforderungen anfragen, um die richtigen Antworten zu erhalten. Dies kann anfangs zu höheren Investitionskosten führen, ist aber die einzige Möglichkeit, standardisierte, qualitätsgesicherte Daten zur Fütterung des Digitalen Zwillings zu erhalten.
- Open Data-Standards und APIs: Da die Daten- und Systemintegration einen großen Teil der Probleme vor der Erstellung eines Digitalen Zwillings ausmacht, ist es wichtig, dass von vornherein offene Standards festgelegt werden, die es allen Projektbeteiligten ermöglichen, aus vielen verschiedenen Anwendungen zuverlässig und über längere Zeiträume hinweg auf Daten zugreifen zu können. Dies gilt für BIM-Modelle, die als Dateityp nach Industriestandard bereitgestellt werden, sowie auch für Echtzeitdaten-Feeds, auf die über eine offene REST API zugegriffen werden kann.
- Standardisierte Authentifizierung und Lizenzierung: Der Zugriff auf und die Authentifizierung gegen einen Digitalen Zwilling durch ein recht kleines Team stellen kein Problem dar. Soll der Digitale Zwilling allerdings von vielen Projektbeteiligten aus unterschiedlichen Abteilungen einer Organisation, wie z. B. einer Stadt, genutzt werden können, müssen die Anforderungen klar festgelegt sein, damit der Zugriff auf föderierte Datasets über standardisierte Authentifizierungsmethoden und Nutzerprofile erfolgt. Über die Standardlizenzierung von ArcGIS Enterprise kann innerhalb einer Organisation hervorragend zusammengearbeitet werden. Für den großen Kreis der Projektbeteiligten ermöglicht ArcGIS Hub Premium darüber hinaus die Bereitstellung von Inhalten, z.B. an Bürger*innen und Beteiligte in Städten bzw. Gemeinden.
Wohin geht die Reise mit ArcGIS und dem Digitalen Zwilling?
Mit ArcGIS stehen Kunden heute viele Möglichkeiten offen: Sie können Reality-Capture-Daten (3D-Mesh), 2D-, 3D- und planimetrische Daten sowie Echtzeitdaten-Feeds in dynamische, interaktive Benutzererlebnisse einfließen lassen, mit denen sich Fragestellungen zu einzelnen Einrichtungen, großen Versorgungsunternehmen und Verkehrsnetzwerken oder ganzen Städten beantworten lassen. Digitale Zwillinge, die mit ArcGIS erstellt wurden, können sowohl auf mobilen Geräten als auch in einem Webbrowser oder über multifunktionale Desktopanwendungen von Esri und seinen Partnern erkundet werden. Auf die Geodatabase, die als ein Teil des Digitalen Zwillings in ArcGIS Online oder ArcGIS Enterprise gespeichert ist, kann über eine ganze Reihe von APIs, Services und Datenformaten nach offenen Standards zugegriffen werden: Diese bieten Funktionalitäten zum Austausch und zur Integration mit anderen Enterprise-Systemen, wie u. a. IBM Maximo und Autodesk BIM 360.
Viele unserer Kunden haben den Sprung nach vorn bereits gewagt und profitieren schon jetzt von den Möglichkeiten des Digitalen Zwillings:
- Der Amsterdam Airport Schiphol hat einen dynamischen Digitalen Zwilling des Flughafengeländes erstellt: Über die FME-Schnittstelle von Safe Software sind BIM-Daten nach offenen Standards in ArcGIS integriert worden, darunter Livedaten-Feeds zu Flugzeug- und Bodenfahrzeugpositionen.
- Das Infrastrukturunternehmen HNTB verwendet innovative, webbasierte 3D ArcGIS-Apps zur Visualisierung von Zeit- und Kostenfaktoren in Bauprojekten. Das Projekt Long Island Railroad ermöglicht es den beteiligten Teams beispielsweise, den Projektfortschritt visuell zu verfolgen und darüber hinaus Szenarien für zukünftig geplante Arbeiten zu entwickeln, um Auswirkungen auf Zeit- und Budgetpläne abzuschätzen.
- Der Hartsfield-Jackson Atlanta International Airport hat einen Digitalen Zwilling aus CAD-, BIM- und GIS-Daten und unter Einbeziehung von Informationen aus der direkten Umgebung erstellt: Dieser Digitale Zwilling speist nun Wegeführungs- und Geräteplatzierungssysteme, aber auch Aufgaben aus den Bereichen Risikoanalyse und Flächenmanagement lassen sich jetzt leichter lösen.
- Das Design-Engineering-Unternehmen Hazen and Sawyer unterstützt seine Kunden bei der Bereitstellung von sicherem Trinkwasser sowie beim Schutz vor Wasserverschmutzung: GIS dient dem Unternehmen dabei als Aggregator für BIM- und Reality-Capture-Daten sowie Systeminformationen aus kompletten Wasseraufbereitungsanlagen, die allesamt in eine Dashboard-Ansicht der Betriebsabläufe und des Wartungszustands der Anlagen fließen.
Fazit
GIS spielt für Kunden bei der Modellierung, Analyse und im Monitoring ihrer Anlagen und Systeme bereits seit Jahrzehnten eine entscheidende Rolle. Neue hinzukommende Technologien, wie Spiel-Engines und Echtzeitdaten-Feeds, eröffnen weitere Möglichkeiten: Es entstehen interaktivere, umfassendere Benutzererlebnisse, die es Kunden erleichtern, ihre Anlagen und Objekte, auch im umgebenden Kontext, zu untersuchen, zu analysieren und weiterzuentwickeln.
Esri wird auch weiterhin verstärkt in neue Technologien und Werkzeuge investieren, um unsere Kunden mithilfe von Reality Capture, BIM- und Gebäudesystemintegration sowie IoT dabei zu unterstützen, die Digitalen Zwillinge der Zukunft mit ArcGIS zu entwickeln.
Dieser Beitrag ist eine Übersetzung von Chris Andrews Blogbeitrag.
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