Eine Infrastruktur unter Volllast, knappe Budgets, begrenzte finanzielle Ressourcen: Städten und Kommunen sehen sich mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert. Bei der Instandhaltung von Brücken, Straßen und anderen Infrastrukturen können digitale Zwillinge (Digital Twin) helfen, Antworten zu formulieren. Die Digital Twins geben einen Echtzeit-Überblick über den Zustand einer Stadt und ermöglichen neben vorausschauender Instandhaltung auch umfassende Simulationen für die Weiterentwicklung.

Den Zustand von Straßen und Brücken, von Wegen und Leitungen sowie anderen Infrastrukturen überprüfen Städte und Kommunen klassischerweise regelmäßig mit Wartungstrupps. Doch genau darin liegt schon eines der ersten Probleme begründet, mit denen sich Verantwortliche heutzutage konfrontiert sehen: Viele Daten, mit denen sie umzugehen haben und auf deren Basis sie den Zustand von Bauwerken und Infrastruktur beurteilen, sind nicht aktuell. „Regelmäßig“ meint zwischen den Zeiten „eher selten“.

Viele Daten ruhen zudem in den verschiedensten Silos der unterschiedlichen Behörden und unterliegen unterschiedlichen Zuständigkeiten. Klassische Prüfverfahren zeigen stets nur den jeweiligen Ist-Zustand, ein fortwährendes Monitoring hingegen fehlt, Detaildaten stehen nicht zur Verfügung. Weder die Erhaltung der Infrastruktur noch ihr intelligenter Ausbau lassen sich auf dieser Basis gewährleisten.

Doch das muss nicht so bleiben. Der Einsatz sogenannter digitaler Zwillinge (Digital Twin) in der Industrie liefert das Vorbild für einen smarten Umgang mit Brücken, Straßen, Bauwerken aller Art und Leitungen in Städten und Kommunen. Notwendig sind dafür ein IoT (Internet of Things) und Künstliche Intelligenz, die zusammen ein exzellentes Gespann abgeben – zu erleben zuletzt beim ITS World Congress.

Konkret können Sensoren, die in den jeweiligen Bauwerken angebracht sind, permanent Daten zum aktuellen Zustand an ein IT-System funken. Diese Daten wiederum lassen sich anreichern – beispielsweise um Wetter- und Verkehrsdaten, um historische Daten oder auch Informationen, die Drohnen beisteuern. Anstatt eine Brücke alle paar Jahre zu inspizieren, könnten sich Verwaltungen in Echtzeit über die Belastungen des Bauwerks informieren und auch das Zusammenspiel der verschiedenen Einflüsse auf ihre Lebensdauer nachvollziehen. Ähnlich verhält es sich bei Gebäuden, Straßen, Tunneln oder auch Strom- und Abwasserleitungen.

Die Folgen des Datensammelns

Der besondere Clou:  Je mehr Bauwerke und andere Infrastrukturen über die Zeit hinweg in einer Stadt als digitaler Zwilling konstruiert werden, desto mehr Daten lassen sich zur Entwicklung des Zustandes sammeln und damit auch die Zustandsvorhersagen beispielsweise für einzelne Klassen von Bauwerken verbessern. Konkret haben das Sammeln der Daten und ihre Auswertung dreierlei positive Effekte:

1. Die knappen Prüfungsressourcen lassen sich gezielter steuern. Wartungsspezialisten erhalten mehr Zeit für die Analyse der Daten, während gleichzeitig die Qualität und Verfügbarkeit der Daten steigt. Der Zustand von Brücken und anderen Objekten lässt sich auf diese Weise nachhaltig entwickeln.

2. Die ständige Verfügbarkeit der Daten und die Verbindung verschiedener Datenquellen erlaubt den Einsatz von Machine-Learning-Modellen und Künstlicher Intelligenz. KI-Systeme ermöglichen mithilfe der Datensätze den Blick in die Zukunft. Wie wird sich der Zustand eines Bauwerkes entwickeln und warum? Welche Veränderungen sind für eine längere Lebensdauer notwendig? Welche Faktoren lassen sich schon heute anpassen, um eine Reparatur oder Sanierung in 10 oder 15 Jahren überflüssig zu machen? KI liefert passende Hinweise, damit Menschen richtig auf diese Fragen antworten.

3. Die Daten lassen sich innerhalb und außerhalb der öffentlichen Verwaltung bereitstellen. Gepaart mit dem Ansatz einer Open Data Policy können Unternehmen die Daten nutzen, um auf ihrer Basis neue Dienstleistungen und Services für den öffentlichen Raum zu entwickeln. Das beginnt bei den Bauunternehmen, die aus diesen Daten Erkenntnisse für künftige Konstruktionen ziehen können, und reicht bis hin zu Anbietern innovativer Mobilitäts- oder auch Gebäudemanagementdienstleistungen.

In vier Schritten zur intelligenten Infrastruktur

Städte und Kommunen erhalten somit bei konsequenter Umsetzung eine intelligente Infrastruktur, die auch das Planen und den Ausbau vereinfacht. Sie macht den tatsächlichen Bedarf nachweisbar und ermöglicht detailgetreue Simulationen. Wie verändert sich beispielsweise die Belastung einer Infrastruktur, wenn einzelne Bereiche ausgebaut oder abgebaut werden? Welchen Effekt hat beispielsweise eine weitere Brücke tatsächlich? Wie wirkt sich eine neue Kanalröhre in der Kanalisation konkret aus?

Budgets lassen sich bereits mit großem Vorlauf planen und auch direkt als Ergebnis der Simulationen ausweisen oder in diese einbeziehen. Welche Beträge wurden in der Vergangenheit investiert? Wie viel Geld steht zur Verfügung? Was wird benötigt?

Städte und Kommunen, die sich mit der Entwicklung eines Digital Twins und dem Aufbau einer intelligenten Infrastruktur befassen, empfiehlt sich ein Vorgehen in vier-Schritten:

1. Monitoring für die bereits vorhanden Daten aufbauen.
2. Objekte digital erfassen, um so eine Automatisierung der Datenerhebung zu ermöglichen.
3. Interne und externe Daten kombinieren und Erkenntnisse daraus ziehen, mit denen sich Smart Predictions, also intelligente Vorhersagen, treffen lassen.
4. Aufbau vorausschauender Wartungsprozesse (Predictive Maintenance) mithilfe KI-unterstützter Vorhersagen und anderer Lehren, die sich aus dem Datenmaterial ziehen lassen. Eine nachhaltige Lösung bezieht hier auch die zeitliche und finanzielle Planung ein.

Eine intelligente Infrastruktur bietet Städten und Kommunen Antworten auf eine Vielzahl von Herausforderungen. Sie hilft dabei, datengetriebene Entscheidungen zu treffen und vorausschauend zu planen. Sie hilft außerdem dabei, Kosten zu sparen und zielgerichteter zu investieren. Und letztendlich steckt in ihr eine gewaltige Chance: Städte können ihren Bewohnern und Besuchern sowie der lokalen Wirtschaft auf Basis von Daten bessere öffentliche Dienstleistungen anbieten, sie in die Lage versetzten, Innovationen voranzutreiben, und sich so zu Smart Citys entwickeln.

Foto: Getty Images /Eugenio Marongiu