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ICT
Digitale Zwillinge sind virtuelle Darstellungen eines Objekts, Prozesses oder Systems, mit denen Simulationen zur Optimierung der Effizienz durchgeführt werden können. Städte können sie nutzen, um Verkehrssysteme zu planen, sich auf Naturkatastrophen vorzubereiten und optimale Standorte für die Installation von Sonnenkollektoren zu ermitteln.
Industrie, Innovation und Infrastruktur
Nachhaltige Städte und Gemeinden
Klima-Aktion
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Beschreibung
Digitale Zwillinge werden zunehmend zur Unterstützung von Stadtplanungsprozessen eingesetzt - durch die Visualisierung von städtischen Daten, die Darstellung von Zukunftsszenarien und viele andere Anwendungsfälle. Im Allgemeinen sind digitale Zwillinge virtuelle Darstellungen eines Objekts, Prozesses oder Systems, mit denen Simulationen zur Optimierung der Effizienz und zur Untersuchung von Was-wäre-wenn-Szenarien durchgeführt werden können. Die Technologie wurde bisher vor allem in der Fertigung eingesetzt, um Produkte zu testen (z.B. verfügte GE 2018 über 1,2 Millionen digitale Zwillinge für 300.000 Arten von Vermögenswerten), weitet sich aber mit dem Fortschritt der digitalen Planungstechnologie schnell auf Gebäude, Lieferketten und ganze Städte aus(Castro, 2019). Die Integration von Daten aus dem Internet der Dinge (IoT) mit den fortschrittlichen Modellierungsfähigkeiten von Technologien wie Geoinformationssystemen (GIS), virtueller und erweiterter Realität (VR/AR) und Gebäudedatenmodellierung (BIM) ermöglicht es Regierungen und der Industrie, Vorhersagen darüber zu erstellen, wie Systeme auf Daten aus der realen Welt reagieren und reagieren werden. Die Schaffung einer Rückkopplungsschleife zwischen der virtuellen und der realen Welt führt zu erheblichen Verbesserungen von Prozessen und Auswirkungen, mit zeitlichen und finanziellen Vorteilen.
Das Konzept der digitalen Zwillinge ist nicht neu. Die NASA führt beispielsweise schon seit Jahrzehnten Simulationen von Raumfahrzeugen durch, aber die rasante Zunahme vernetzter Sensoren und Endpunkte mit dem Aufkommen des Internet der Dinge und die Fortschritte bei der künstlichen Intelligenz haben dem Planungs- und Analysetool eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnet. Potenzielle Einsatzmöglichkeiten für digitale Zwillinge werden immer noch erdacht. Für Städte werden digitale Zwillinge derzeit u.a. zur Planung von Verkehrssystemen, zur Vorbereitung auf Naturkatastrophen und zur Ermittlung optimaler Standorte für die Installation von Solaranlagen eingesetzt. Künftige Anwendungen könnten die Vorhersage der Ausbreitung einer Krankheit und die Information über optimale Abriegelungen und Krankenhausreservierungen umfassen oder die Nutzung des Tools zur Erleichterung der Zusammenarbeit mit anderen Städten, die gleiche Probleme und gemeinsame Ziele haben.
Zu lösende Probleme:
Erleichterung komplexer Entscheidungen
Effizientere Stadtplanung ermöglichen
Effizientere Projektdurchführung und -überwachung
Bessere Vorbereitung auf Notfallsituationen
Städtische Daten leichter verständlich machen
Vorteile
Der Nutzen zeigt greifbar, wie die Umsetzung einer Lösung die Stadt oder den Ort verbessern kann.
Das Hauptziel von Digital Twins ist es, Stadtplanungsprozesse zu erleichtern, Daten zu nutzen und die Transparenz zu erhöhen. Darüber hinaus erzielt die Lösung die unten aufgeführten Vorteile. Während einige Vorteile bereits mit einer Basisimplementierung der Lösung erfüllt werden können, hängt die Erfüllung der potenziellen Vorteile von den in einem bestimmten Projekt implementierten Funktionen ab.
Wichtigste Vorteile
Verbesserte Datenanalyse
Förderung der Bürgerbeteiligung
Verbesserung der Personaleffizienz
Verbesserung der Lebensqualität
Verbesserte Datenerfassung
Potenzielle Vorteile
Erhöhte Datentransparenz
Verbesserte Datenerfassung
Effiziente Integration von erneuerbaren Energien
Funktionen
Funktionen helfen Ihnen zu verstehen, was die Produkte für Sie tun können und welche Ihnen helfen werden, Ihre Ziele zu erreichen.
Jede Lösung hat mindestens eine Hauptfunktion, die zum Erreichen des grundlegenden Zwecks der Lösung erforderlich ist, und mehrere Zusatzfunktionen, die hinzugefügt werden können, um zusätzliche Vorteile zu bieten.
Hauptfunktionen
Verbinden Sie mit Daten über die Stadt
Zugriff auf Daten (z.B. von Sensoren) über die verschiedenen Komponenten einer Stadt
Simulieren Sie Prozesse
Echtzeitdaten nutzen, um Simulationen zu erstellen, die die Leistung eines Produkts oder Prozesses vorhersagen können
Bieten Sie Informationen zur Optimierung von Prozessen
Entscheidungsträgern Informationen zur Optimierung von simulierten Produkten oder Prozessen liefern
Zusatzfunktionen
Bereiten Sie vor. für Notsituationen
Simulieren Sie den Katastrophenfall, um sich optimal vorzubereiten
Kommunizieren Sie an Interessengruppen
Funktionen, die die Beteiligung der Bürger und die Zusammenarbeit der Interessengruppen ermöglichen
Produkte, die diese Funktionen anbieten
Digitaler Zwilling für PEDS
Dieser virtuelle Zwilling konzentriert sich auf den gesamten Energiebedarf (Strom, Fernwärme) und die Stromerzeugung durch Photovoltaik vor Ort.
Die Kombination von geografischen und Gebäudedaten mit Energiesimulationen ermöglicht die Quantifizierung von energiebezogenen und potenziell anderen Indikatoren für Stadtteile.
Eine Variante ist im Allgemeinen etwas, das sich von anderen ähnlichen Dingen leicht unterscheidet. Im Zusammenhang mit Lösungen sind Varianten verschiedene Optionen oder möglicherweise Teilbereiche/Abzweigungen, mit denen die Lösung umgesetzt werden kann, z.B. verschiedene technologische Optionen.
Digitale Zwillinge decken ein breites Spektrum an Anwendungen ab, und die etablierten Kategorien umfassen möglicherweise nicht alle Aspekte jeder Anwendung der Technologie. Die folgenden Kategorien wurden vom High Value Manufacturing Catapult Visualisation and VR Forum (2018) festgelegt.
Beschreibung
Diese einfachste Form des digitalen Zwillings zeigt menschlichen Beobachtern den Live-Zustand eines physischen Objekts oder Prozesses an. Der Wert besteht darin, dass eine Stadt die Menschen dazu bringen kann, aufgrund der bereitgestellten Informationen zu handeln. Eine Stadt könnte zum Beispiel einen digitalen Zwilling haben, der den Zustand von Straßen und Wegen überwacht und den Beobachtern mitteilt, wenn der Zustand eine Wartung erfordert.
Beschreibung
Interaktive digitale Zwillinge übernehmen die Kontrolle über mindestens einen Aspekt des physischen Objekts oder Prozesses, um eine bessere Leistung zu erzielen, entweder durch interne Überwachung oder durch komplexere Analysen. So melden beispielsweise Thermostate in Sozialwohnungen, wenn die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert über- oder unterschritten hat, und lösen automatische Reaktionen aus, um die vom Heizsystem erzeugte Wärmemenge anzupassen.
Beschreibung
Dies ist der komplexeste Typ des digitalen Zwillings. Prädiktive digitale Zwillinge überwachen Zustandsinformationen im Laufe der Zeit, um erweiterte Informationen wie Empfehlungen und/oder Warnungen für menschliche Beobachter und/oder andere digitale Systeme bereitzustellen. Um das Beispiel des Straßenüberwachungssystems aus der Überwachungsvariante zu erweitern, könnte das System beispielsweise auf der Grundlage des Verkehrsaufkommens vorhersagen, wann die Straßen gewartet werden müssen. Der Unterschied besteht darin, dass sich die Stadt bei der Überwachungsvariante auf ihre eigene Interpretation des Straßenzustands verlassen muss, während sie bei der Vorhersagevariante direkt darüber informiert wird, wann die Straßen gewartet werden müssen. Dies reduziert den Umfang des erforderlichen menschlichen Urteilsvermögens.
Stadtkontext
Für welche unterstützenden Faktoren und Merkmale einer Stadt ist diese Lösung geeignet? Welche Faktoren würden die Umsetzung erleichtern?
Digitale Zwillinge werden von Städten mit unterstützt:
IoT-Sensoren, die in die Kerndienste der Stadt eingebettet sind
Ein hohes Maß an Konnektivität und nutzbaren Daten
GIS-System vorhanden
Unterstützende Faktoren
Digitale Zwillinge von Smart Cities sind eine neue Anwendung verschiedener Technologien, die interoperabel und leistungsstark sein müssen. Ein fähiges und innovatives Team, das genau weiß, wie diese Technologien und ihre Daten funktionieren, wird eine Stadt dabei unterstützen, das Beste aus ihrem digitalen Zwilling herauszuholen. Es folgt ein kurzer Überblick über einige dieser Technologien, die in digitale Zwillinge integriert sind:
Geografische Informationssysteme: GIS, die zentrale räumliche Modellierungstechnologie des digitalen Zwillings einer Stadt, verbindet verschiedene Arten von Geodaten, um eine einzige Ansicht zu erstellen und fortschrittliche Analysen des Systems zu ermöglichen.
Gebäudedatenmodellierung: In Verbindung mit GIS bietet BIM einen umfangreichen Datensatz für die bebaute Umwelt, um genauere Modelle zu erstellen. Daten in Echtzeit erfordern Interoperabilität mit dem Internet der Dinge.
Erweiterte oder virtuelle Realität: Verbessert die Realitätswahrnehmung digitaler Zwillinge. Dies kann besonders bei kollaborativen und partizipativen Prozessen in der Stadtplanung nützlich sein.
Stakeholder Mapping
Welche Interessengruppen müssen bei der Planung und Umsetzung dieser Lösung berücksichtigt werden (und wie)?
Stakeholder-Karte eines städtischen digitalen Zwillings (BABLE, 2021)
Marktpotenzial
Wie groß ist der potenzielle Markt für diese Lösung? Gibt es EU-Ziele, die die Umsetzung unterstützen? Wie hat sich der Markt im Laufe der Zeit und in letzter Zeit entwickelt?
Über alle Branchen hinweg wurde der globale Markt für digitale Zwillinge im Jahr 2020 auf 3,1 Milliarden USD geschätzt, mit einer erwarteten CAGR von 58% bis 2026, wenn er voraussichtlich 48,2 Milliarden USD erreichen wird. Es wird erwartet, dass die Reaktion auf die COVID-19-Pandemie eine wichtige Triebkraft für das Wachstum des Marktes für digitale Zwillinge sein wird, insbesondere in der Gesundheits- und Pharmaindustrie sowie für Städte, um Ausbrüche besser zu überwachen und auf die durch die Pandemie verursachten Veränderungen im täglichen Leben zu reagieren(Markets&Markets, 2020).
Kostenstruktur
Digitale Zwillinge auf Stadtebene sind immer noch eine im Entstehen begriffene Technologie und die Kostenstrukturen werden stark variieren, je nachdem, wie fortschrittlich die Software und Hardware ist, in die die Stadt investieren möchte. Ein Beispiel, Virtual Singapore, hatte ein Budget von 73 Millionen Dollar für die Entwicklung ihrer digitalen Zwillingsplattform und für die Erforschung der erforderlichen Tools und Technologien(NRF, 2020).
Die Entwicklung dieser Lösung wurde mit EU-Mitteln unterstützt.
Anwendungsfälle
Sehen Sie sich Beispiele für die Umsetzung dieser Lösung in der Praxis an.
ICT
Gebäude
Fotorealistischer Digitaler Zwilling zur Visualisierung der Stadtentwicklung
Das Ziel war es, eine zukünftige Schulerweiterung auf möglichst immersive und fotorealistische Weise zu visualisieren, um sie mit der örtlichen Gemeinde zu teilen.
In den kommenden Jahren wird die Stadt Essen bei der Schadensbewertung von Straßen auf künstliche Intelligenz (KI) setzen. Unter dem Namen TWIN4ROAD hat das Amt für Geoinformation, Vermessung und Kataster gemeinsam mit Point Cloud Technology, HPI Potsdam und Straßen.NRW ein dreijähriges Forschungsprojekt gestartet.
Steigerung der Energieeffizienz in Gebäuden durch KI
TPC hat Verbesserungsmöglichkeiten für das Management der HLK-Systeme von zwei Gebäuden identifiziert. Wir haben eine Analyse der Gebäudeenergieeffizienz mit Hilfe von Techniken der künstlichen Intelligenz durchgeführt, um eine genaue Vorhersage des Energiebedarfs dieser Gebäude zu machen und ihre Energieineffizienz zu reduzieren.
Energiesimulation unterstützt die Stadtteilplanung
3D-Stadtmodelle enthalten eine Vielzahl von Daten über Gebäude. Diese Informationen können verwendet werden, um Gebäude- und Block-Energiesimulationen durchzuführen und verschiedene Verbesserungsszenarien zu bewerten, um die Energiebilanz von Stadtblöcken zu verbessern. Die Visualisierung der Ergebnisse anhand prägnanter Indikatoren spart den Planern Zeit.
BIMROCKET ist eine Open-Source-Plattform für die Verwaltung von Building Information Modelling (BIM)-Projekten, eine kollaborative Arbeitsmethode für den Bausektor. Es ermöglicht die Anzeige und Bearbeitung von Gebäudemodellen und die Speicherung von BIM-Projekten in einer OrientDB-Datenbank.
Kommunizieren Sie städtische Immobilienentwicklungsprojekte mit Hilfe von digitalen Zwillingen
Fällanden führte ein Gemeindeentwicklungsprojekt durch und wollte seiner Bevölkerung eine realistische, interaktive Visualisierung bieten, mit der der Kontext der neu geplanten Gebäude deutlich dargestellt werden konnte. Durch die daraus resultierende Klarheit wurde ein partizipativerer und schnellerer Entscheidungsprozess erreicht.
Bereitstellung eines Co-Creation-Arbeitsbereichs für eine breite Palette von Interessengruppen für ein großes Stadtentwicklungsprojekt, um die Auswirkungen der Entwicklung durch Simulation und Analyse zu analysieren.
Die Grundidee des digitalen Zwillings des Sello-Bausteins ist, dass er genauso aussieht und sich genauso verhält wie der reale, aber aus energetischer Sicht nur eine digitale Kopie ist. Der Anwendungsfall kann für die Energieoptimierung oder das virtuelle Kraftwerk (VPP) verwendet werden.
Ein intelligenter und vernetzter öffentlicher Raum sammelt Daten in öffentlichen Bereichen und zeigt diese an oder reagiert darauf. Die Daten können sicher über Wi-Fi oder andere ähnliche Technologien übertragen werden, d.h. mit einem zentralen System kombiniert werden.
Laut der Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden (EPBD) sind Gebäude für etwa 40% des Energieverbrauchs und 36% der CO2-Emissionen in der EU verantwortlich.
Erweitertes / Interoperables Internet der Dinge (IoT)
Das Internet der Dinge (IoT) ist ein sich ständig und schnell entwickelnder technologischer Fortschritt, der darauf abzielt, die Konnektivität unserer täglichen Aktivitäten zu erhöhen. Das IoT ermöglicht eine effektivere und fundiertere Entscheidungsfindung durch verbesserte Datenanalyse und stärkere Vernetzung.
Urbane Resilienz ist die Fähigkeit eines städtischen Systems und all seiner Bestandteile über zeitliche und räumliche Skalen hinweg, angesichts einer Störung die gewünschten Funktionen aufrechtzuerhalten oder schnell wieder zu erreichen.
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