Welche typischen Anwendungsszenarien gibt es für den digitalen Zwilling der Stadt?

Der folgende Artikel stammt von Digital City Industry Research

Die Digital-Zwilling-Stadt ist eine digitale, virtuelle Stadt, die in der digitalen Welt erschaffen wird und in Erscheinungsbild, Verhalten und Denken mit der physischen Stadt übereinstimmt. Sie ermöglicht die Überwachung, Diagnose, Rückverfolgung, Prognose und Entscheidungssteuerung der realen Welt und dient der ganzheitlichen Lebenszyklusverwaltung der physischen Stadt – einschließlich Planung, Bau, Governance und Optimierung –, um die Effizienz des Stadtbetriebs und die Wohn- und Lebensqualität der Bürgerinnen und Bürger zu verbessern.

Digitale Zwillinge vereinen zahlreiche Zukunftstechnologien wie das Internet der Dinge, Big Data, BIM, GIS und künstliche Intelligenz.

Welche typischen Anwendungsszenarien gibt es für digitale Zwillinge?

         
01 Stadtmanagement    

Die Digital-Zwilling-Stadt bezeichnet die Überführung der physischen Stadt in ein virtuelles digitales Stadtmodell mithilfe von Technologien wie dem Internet der Dinge, der Geoinformationstechnik sowie intelligenten Gebäude- und Stadtmodellen. Durch die Simulation des Betriebs im Modell wird eine Echtzeitüberwachung erreicht, wodurch Funktionen wie Prognose, Analyse und Optimierung verwirklicht werden.

Das Konzept der herkömmlichen Smart City verleiht lediglich einzelnen städtischen Funktionen eine isolierte Intelligenz. Die Digital-Zwilling-Stadt hingegen verbindet bereits auf der Ebene der Gesamtplanung das Virtuelle mit dem Realen: Auf der Grundlage von Digitalisierung und Informatisierung werden physische Entitäten mit ihren jeweiligen Zwillingsmodellen überlagert, wodurch eine Wechselwirkung zwischen virtueller und realer Welt entsteht.

Die Anwendungsszenarien digitaler Zwillinge sind breit gefächert; in Bereichen wie Verkehr, Parks und städtischem Notfallwesen existieren bereits relativ ausgereifte Praxisbeispiele.

         
02 Stadtverkehr

Die digitale Transformation der Verkehrsbranche läuft bereits seit vielen Jahren; die Betriebseffizienz des Straßenverkehrs hat sich spürbar verbessert, dennoch bleiben einige Probleme zu lösen.    

Mit dem Aufkommen der Digital-Twin-Technologie wird auf der Grundlage des virtuellen Raums der Digital-Zwilling-Stadt – kombiniert mit Verkehrsinformationsdaten und hochpräzisen Karten – ein neuartiges intelligentes Verkehrssystem aufgebaut, das Echtzeitfähigkeit, Simulations- und Prognosefähigkeit sowie die Steuerung physischer Entitäten ermöglicht; dies wird die neue Richtung der künftigen Verkehrsentwicklung sein.

Im Verkehrsszenario der Smart City lässt sich die Digital-Twin-Technologie in drei Teilbereichen anwenden: an holografischen Kreuzungen, auf Autobahnen und an Verkehrsknotenpunkten (U-Bahn, Bahnhöfe, Flughäfen usw.).

Holografische Kreuzungen nutzen Sensoreinrichtungen wie Radar und Kameras zur Überwachung. Dabei bestehen jedoch Probleme wie eine instabile Erfassung großflächiger Verkehrsereignisse bei jedem Wetter sowie eine unzureichende Erkennung von Fußgängern und Ausrüstung. Die Darstellung erfolgt überwiegend zweidimensional, sodass in manchen Szenarien (etwa bei der Notfalleinsatzleitung oder der Verkehrsplanung) die Anforderungen an Simulation und Entscheidungsfindung nicht erfüllt werden können.

         
03 Autobahn

Herkömmliche intelligente Autobahnen stützen sich vor allem auf Überwachungskameras, deren Dichte jedoch begrenzt ist und die nur Schlüsselbereiche abdecken. Für Verkehrslage und Ereignisse entlang der gesamten Strecke fehlen geeignete Erfassungsmittel; die Überwachung weist blinde Flecken auf, sodass sich keine wirksame flächendeckende Wahrnehmung aufbauen lässt. Die erhobenen Daten werden nicht genutzt; ihr Wert für die Entscheidungsunterstützung ist gering.

         
04 Verkehrsknotenpunkt

Die Datensysteme an Verkehrsknotenpunkten sind derzeit komplex, umfangreich und untereinander nicht vernetzt. Die Datenverarbeitung folgt weiterhin eindimensionalen statistischen Methoden; die Prognose- und Beurteilungsfähigkeit ist gering. Die Dienstplanung stützt sich im Wesentlichen auf die Erfahrung des Personals. In Spitzenzeiten und an Feiertagen führen Prognosefehler und eine unzureichende Personaleinsatzplanung daher häufig dazu, dass Reisende am Knotenpunkt zurückbleiben.

         
05 Netto-Null-Park

Digitale Zwillinge befähigen Netto-Null-Smart-Parks umfassend und unterstützen die Verwirklichung der „Dual-Carbon“-Ziele (Kohlenstoffspitzenwert und Kohlenstoffneutralität).    

Digitale Zwillinge können Smart Parks befähigen: Sie unterstützen die Parkverwaltung bei den Aufgaben des Parkbetriebs, der Sicherheit und des Geschäftsmanagements, senken die Managementkosten, steigern die Effizienz und verbessern das Arbeits- und Lebensumfeld der Beschäftigten.

Mit dem Voranschreiten der „Dual-Carbon“-Strategie Chinas entstanden in der Folge Netto-Null-Parks. Nach Angaben der Internationalen Energieagentur entfallen auf die Industriegebiete Chinas rund 69 % des gesamten gesellschaftlichen Energieverbrauchs und etwa 31 % der landesweiten Kohlenstoffdioxidemissionen, mit weiterhin steigender Tendenz. Die Bedeutung des Aufbaus von Netto-Null-Parks liegt damit auf der Hand: Sie werden zur nächsten Entwicklungsstufe der Smart Parks.

Digitale Zwillinge befähigen den Aufbau von Netto-Null-Parks, das heißt: Aufbauend auf dem Digital-Zwilling-Park werden über Sensortechnik Daten zu Kohlenstoffemissionen erfasst und – kombiniert mit KI-Algorithmen – Aufgaben wie die Simulation und Prognose der Kohlenstoffemissionsplanung, die Kohlenstoffbilanzierung und die Überwachung der Energieeffizienz übernommen. Durch den Aufbau effizienter, sicherer und intelligenter Netto-Null-Parks wird die frühzeitige Verwirklichung der Dual-Carbon-Ziele der Parks unterstützt.

         
06 Stadt-Notfallmanagement

Digitale Zwillinge stärken das intelligente Notfallmanagement und festigen die Sicherheitslinie der Stadt.    

Die Anwendung der Digital-Twin-Technologie im städtischen Notfallwesen beginnt bereits, ihre Überlegenheit und ihr Anwendungspotenzial unter Beweis zu stellen. Durch die Überwachung und Analyse von Echtzeitdaten und -informationen kann zeitnah auf verschiedenste Notfallereignisse reagiert werden. Digitale Zwillinge lassen sich in Szenarien des städtischen Notfallwesens einsetzen – etwa bei Notfallübungen, der Katastrophenwarnung und Entscheidungsunterstützung, der Umweltüberwachung und -bewertung sowie dem Gefahrgutmanagement.

Dadurch lassen sich das städtische Management und die Effizienz der Rettungseinsätze verbessern und Schäden verringern. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie und der ständigen Erweiterung der Anwendungsszenarien wird die Digital-Twin-Technologie die Verantwortlichen in den Städten dabei unterstützen, ein intelligenteres und effizienteres städtisches Notfallmanagementsystem aufzubauen. Dies ist zugleich von großer humanitärer und wirtschaftlicher Bedeutung.

         
07 Intelligente Industrie

Digitale Zwillinge haben ihren Ursprung in der Industrie. Mit der Reifung der Digital-Twin-Technologie wird die Industrie auch zu einem der Bereiche mit den breitesten Anwendungen digitaler Zwillinge.    

Nachdem Industrieunternehmen über das Internet der Dinge und Edge Computing relevante Daten hochgeladen haben, können sie mithilfe der Digital-Twin-Technologie Aufgaben wie Produktions-, Energie-, Anlagen-, Konstruktions- und Fertigungsmanagement bewältigen und damit die vier zentralen Werte verwirklichen: Qualitätssteigerung, Kostensenkung, Umsatzsteigerung und Effizienzverbesserung.

Je nach den im Produktionsprozess eingesetzten Arbeitsgängen lässt sich die Industrie in Prozessindustrie und diskrete Industrie (Einzelfertigung) unterteilen; im Folgenden wird die Anwendung digitaler Zwillinge in diesen beiden Industrieformen jeweils vorgestellt. 

         
08 Autonomes Fahren

In der Digital-Twin-Testumgebung können reale Testfahrzeuge die in Echtzeit erfassten Daten an die Digital-Twin-Plattform übertragen, um damit das virtuelle Fahrzeugmodell anzutreiben und die Verarbeitung und Analyse der realen dynamischen Daten durchzuführen; auf der Grundlage von Bewertungsdimensionen und Datenbanken wird anschließend das Verhalten der Fahrzeuge bewertet.    

Gleichzeitig übermittelt die Digital-Twin-Plattform die Szenariodaten an die Steuergeräte der realen Testfahrzeuge, die auf der Grundlage ihrer eigenen Algorithmen Entscheidungen treffen. Durch die Kombination von virtueller und realer Welt werden der Aufbau der virtuellen Fahrzeugmodelle und die Erstellung der Testszenarien vereinfacht, wodurch die Effizienz der Tests für das autonome Fahren gesteigert wird.

         
09 Intelligente Medizin

Die Technologie des medizinischen digitalen Zwillings erfasst und berechnet in Echtzeit reale, mehrdimensionale und vielfältige Daten – etwa aus medizinischen Geräten und medizinischen Informationssystemen –, modelliert auf der Grundlage von KI und überführt unter Einbeziehung von Technologien wie BIM und CIM den physischen Raum des Krankenhauses in ein Zwillingsmodell des Krankenhauses. Über Funktionen wie Prognose und Analyse werden damit Aufgaben wie das medizinische Betriebsmanagement, das Ambulanzmanagement und das Gerätemanagement präzise umgesetzt.

          

Darüber hinaus werden auf der Grundlage von DICOM-Daten Rekonstruktionstechniken eingesetzt, um hochpräzise Modelle des menschlichen Körpers zu erstellen und chirurgische Abläufe sowie Behandlungspläne als digitale Zwillinge abzubilden.    

Die Anwendung medizinischer digitaler Zwillinge ist von großer wirtschaftlicher und gesellschaftlicher Bedeutung. Allerdings ist die Digital-Twin-Technologie im medizinischen Bereich noch nicht ausgereift; sie steht weiterhin vor Herausforderungen wie Datensicherheit, Schutz der Privatsphäre und ethischen Fragen.

          

          

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