Ermöglicht durch offene Cloud-Plattform Intelligente Infrastruktur erfordert digitale Zwillinge

Der Prozess der Digitalisierung und Nachrüstung erfolgt als Reaktion auf kritische und vielfältige gesellschaftliche Anforderungen wie erhöhte Resilienz, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit sowie verbesserte Sicherheit und Wohlbefinden der Anwender. Neue Technologien wie das Internet der Dinge (IoT), Realitätserfassung, künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) sowie erweiterte oder virtuelle Realität (AR/VR) ermöglichen und beschleunigen diesen Wandel und beeinflussen die Art und Weise, wie wir die gebaute Welt planen, entwerfen, bauen, betreiben und pflegen.

Mit dem Bau neuer intelligenter Infrastrukturen und der Nachrüstung bestehender Anlagen wird der Bedarf an einem digitalen „zentralen Nervensystem“ von einer Innovation zur Notwendigkeit. Dieses zentrale Nervensystem für Infrastrukturanlagen ist der digitale Zwilling der Infrastruktur.

„Smart“ wird zur neuen Normalität

Wie bei vielen der Finalisten der Going Digital Awards 2022 zu beobachten ist, wird digitale Technologie zu einer grundlegenden Komponente, die in die Infrastrukturanlagen eingebettet ist, die Bentley-Kunden heute entwerfen und bauen. Vom intelligenten Wasserschutz über intelligente Städte und Flughäfen bis hin zu intelligenten Dämmen – die meisten, wenn nicht sogar alle Infrastrukturprojekte, die in den letzten Jahren bei The Year in Infrastructure und den Going Digital Awards ausgezeichnet wurden, werden zu einer Infrastruktur führen, die mit hoch entwickelten digitalen Sensoren und Aktuatoren ausgestattet sind, um den Bau, die Wartung und den Betrieb zu erleichtern. Sie sind von Anfang an digital. Digitales Enablement ist nicht auf neue Infrastruktur beschränkt, sondern wird zunehmend auch als zusätzliche Technologielösung von Technologieanbietern und Integratoren angeboten.

Neue Infrastruktur, insbesondere kritische Infrastruktur, wird so konzipiert und gebaut, dass sie eine breite Palette digitaler Komponenten und Materialien umfasst. Digital unterstützte Infrastrukturanlagen sollen vom ersten Tag an einen umfangreichen Datenstrom liefern und sogar verbrauchen.

Zu diesen Daten gehören nicht nur der Status der Anlage, sondern auch Betriebsdaten wie die automatische Erkennung von Zwischenfällen, Luftqualität und -temperatur sowie der Energieverbrauch. Im Rahmen des ITER-Projekts wird der größte Tokamak-Fusionsreaktor der Welt gebaut, um die Machbarkeit dieser Energiequelle für die kohlenstofffreie Energieerzeugung in großem Maßstab zu prüfen. Dieses Projekt ist ein bemerkenswertes Beispiel für eine Infrastruktur, die von vornherein digitalisiert werden muss, da sie ohne ein KI-System, das von einer Vielzahl von Sensoren gespeist wird, um das Plasma im Kernfusionsreaktor sicher zu steuern, nicht funktionieren kann.

Darüber hinaus entwickeln Infrastrukturtechnologieunternehmen und Systemintegratoren neue und spannende Anwendungen, um bestehende Infrastruktur für eine Vielzahl von Anwendungen digital zu unterstützen. Ein gutes Beispiel ist SmartViz, ein Unternehmen für Immobilientechnologie, das auf der Bentley-iTwin-Plattform eine Analyselösung für digitale Zwillinge für die Gebäudeleistung und -optimierung entwickelt hat. Die Lösung integriert IoT-Daten, Energieverbrauch und Belegungsanalysen und ermöglicht es der KI-Engine, die Gebäudeleistung zu analysieren und Prognosemodelle zu erstellen, die zur Steigerung der Energieeffizienz und Leistung von Gebäuden beitragen und gleichzeitig die Erfahrung und das Wohlbefinden der Bewohner verbessern.

Realitätserfassung ist zum Greifen nah

Einst die Domäne hoch spezialisierter Firmen, die teure und anfällige Geräte einsetzen, wird die Realitätserfassung jetzt immer zugänglicher, erschwinglicher und vielseitiger. Die Formfaktoren der Sensoren werden immer kleiner, die Verarbeitungssoftware immer intelligenter und automatisierter und die Aufnahmeplattformen immer vielfältiger und vielseitiger. Diese Tatsachen ermöglichen eine rasante Zunahme der Nutzung und eine Ausweitung der Anwendungen für Realdaten über die Planungs- und Bauphase hinaus bis hin zum Betrieb.

Die Auswirkungen des raschen technologischen Fortschritts bei der Realitätserfassung wurden durch die jüngste Pandemie noch verstärkt. Viele Ingenieurbüros und Eigentümer/Betreiber haben den erheblichen Vorteil erkannt, der sich aus der Möglichkeit ergibt, sich auf die Daten der Realitätserfassung zu verlassen, um kritische Aufgaben zu verbessern und sie effizienter und sicherer zu gestalten. Dies hat die Art und Weise revolutioniert, wie Projektteams Inspektionen, Begehungen und Besprechungen mit dem Eigentümer und den Interessengruppen durchführen, abgesehen von den Aktivitäten für Planung, Bau und Übergabe.

Für die digitale Erschließung von Infrastrukturanlagen bedeutet dies eine ständig wachsende Menge an Daten, die Wartung und Betrieb sowie Eingriffe in Infrastrukturanlagen bereichern und mit Informationen versorgen, aber auch eine starke Technologieplattform erfordern, die diese reichhaltigen und umfangreichen Daten verarbeiten und für die Analyse und Visualisierung bereitstellen kann.

Ein gutes Beispiel für diesen Trend ist der Anbieter von digitalen Zwillingsdaten Allvision.ai. Allvision.ai hat seine schnellen digitalen Zwillings-Audits, die aus Felddaten und KI generiert werden, als föderierte Quelle in die Bentley iTwin-Plattform integriert, die es Entscheidungsträgern im Bereich Mobilität ermöglicht, ihre Arbeitsabläufe zu verbessern und Veränderungen an der Infrastruktur zu überwachen.

Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen sind der Schlüssel

Die digitalen Zwillinge der Infrastruktur führen ein breites Spektrum von Daten zusammen. Viele der vorhandenen Infrastrukturdaten sind in undurchsichtigen Dokumenten wie PDF-Dateien und Zeichnungen gespeichert, die Computer nicht lesen können. In anderen Fällen können neue Daten – insbesondere Daten zur Realitätserfassung – in ihrer Menge und Detailgenauigkeit überwältigend sein. Mithilfe von maschinellem Lernen können diese Daten entschlüsselt und aus verschiedenen Quellen zusammengeführt werden.

Darüber hinaus wird KI zu einem unverzichtbaren Werkzeug, um Muster und Trends in den wachsenden Datenmengen zu erkennen, die durch digitalisierte Infrastruktur erzeugt werden. KI bietet Einblicke, die den Entscheidungsfindungsprozess von Ingenieuren, Eigentümern/Betreibern und Nutzern von Infrastruktur ergänzen und verbessern. Der Entwickler von technischen Anwendungen Phocaz nutzte die Bentley iTwin-Plattform und KI, um eine Lösung zur Zusammenführung von Verkehrsentwurfsdaten und grafischen Workflows für Verkehrsbehörden zu entwickeln.

Phocaz setzte KI ein, um Berichtsdatensätze mit Merkmallokalisierung zu synchronisieren, sodass Verkehrsingenieure Entwurfsprobleme wie fehlende Längen, Kostenpositionen oder Trassennamen in Straßenentwürfen verfolgen können.

Eintritt in das Metaversum

AR und VR, zusammen mit Gaming-Engine und fortschrittlichen Grafikverarbeitungstechnologien, ermöglichen allmählich ein Metaversum für die Infrastruktur. Das Metaversum erlangte im Jahr 2022 eine gewisse Sichtbarkeit, vor allem durch die Ankündigungen mehrerer Mainstream-Technologieunternehmen als nächste Evolution des Webs als eine Erfahrungstechnologie.

Der Begriff Metaversum wurde 1992 von Neal Stephenson in seinem Roman Snow Crash geprägt und anschaulich beschrieben. Er gilt als Inspirationsquelle für andere bahnbrechende Technologien wie zum Beispiel Google Earth. Das Metaversum ist zu einem Oberbegriff geworden, der die Technologien umfasst, die es uns ermöglichen, reale oder imaginäre Welten auf kollektive und kollaborative Weise mit anderen Menschen an jedem Ort der Welt virtuell zu erleben.

VR ermöglicht es, Infrastruktur virtuell zu erleben. Das bedeutet, dass Projektteams und Interessengruppen in das „Infrastruktur-Metaversum“ eintauchen können, um einen Projektentwurf oder eine Bestandsversion zu besichtigen, einschließlich Realitätserfassungsdaten für eine virtuelle Begehung, um Probleme zu beheben und wichtige Entscheidungen zu treffen. Diese Technologie hat sich nicht nur während der Pandemie als unschätzbar wertvoll erwiesen, sondern hat sich auch als sehr viel sicherer und bequemer Ansatz für ehemals riskante und aufwendige Aktivitäten, wie zum Beispiel Brückeninspektionen, erwiesen.

AR gibt den Anwendern vor Ort die Möglichkeit, Entwurfsdaten, Simulationen und Analysen mit der physischen Infrastruktur zu überlagern, um die erwarteten Auswirkungen geplanter Entscheidungen oder Eingriffe zu erleben, anstatt sie zu lesen, und um kontextualisierte Daten aus dem digitalen Zwilling der Infrastruktur virtuell in die Praxis zu bringen. Eine der nützlichsten Funktionen von erweiterter Realität ist ihre Fähigkeit, zu visualisieren, was sich an einem bestimmten Ort hinter Mauern und unter der Erde befindet.

Kurz gesagt, VR bietet uns die Möglichkeit, uns virtuell in einen digitalen Zwilling der Infrastruktur zu teleportieren, während AR es uns ermöglicht, den digitalen Zwilling der Infrastruktur in die Praxis zu bringen und ihn mit der realen Welt zu überlagern. Innovatoren wie NearABL und ReScan nutzen die Bentley iTwin-Plattform, um AR- und VR-Erlebnisse auf mobilen Geräten bereitzustellen, mit denen sich Bauwerke und Baustellen visualisieren, erleben und navigieren lassen. So werden digitale Zwillinge der Infrastruktur in die Praxis und Baustellen ins Büro gebracht.

Offene Plattformen und Ökosysteme

Aus technischer Sicht erfordern die digitalen Zwillinge der Infrastruktur, die zur Unterstützung einer digitalisierten Infrastruktur benötigt werden, eine speziell entwickelte Plattform, die offen, herstellerunabhängig und skalierbar ist, um den Anforderungen von Planung, Engineering, Betrieb und Wartung von Infrastruktur gerecht zu werden und um eine dynamische Informationsverbindung von und zu den Anlagen zu unterstützen. Aus der Perspektive des Human Enablement muss eine solche Plattform ein florierendes Ökosystem unterstützen und fördern, das aus zwei äußerst wichtigen Gemeinschaften besteht: einer Praxisgemeinschaft und einer Innovationsgemeinschaft.

Die Praxisgemeinschaft bringt Fachleute aus den Bereichen Ingenieurwesen, Architektur, Bauwesen und Eigentümer/Betreiber (AECO) sowie IT zusammen, um die erforderlichen Verfahren und Standards zu entwickeln, um den Fachleuten das erforderliche Wissen zu vermitteln, das sie benötigen, um digitale Zwillinge der Infrastruktur und ihre digital unterstützten Gegenstücke in der gebauten Welt zu erstellen, zu pflegen und optimal zu nutzen. Organisationen wie das Digital Twin Consortium, der Construction Innovation Hub und das wegweisende Centre for Digital Built Britain (das die Entwicklung der bahnbrechenden Gemini Papers leitete) sind nur einige wichtige Beispiele für diese aufstrebenden Praxisgemeinschaften.

Die Innovationsgemeinschaft besteht aus Fachleuten für die digitale Transformation sowie für Forschung und Entwicklung in AECO-Firmen sowie aus Technologieunternehmen, Beratern und Systemintegratoren, die gemeinsam daran arbeiten, den Stand der Technik bei Infrastrukturtechnologien und -verfahren voranzutreiben.

Warum Sie eine digitalisierte Infrastruktur nicht ignorieren können

„Der Wandel von Atomen zu Bits ist unwiderruflich und unaufhaltsam. Warum jetzt? Weil der Wandel auch exponentiell ist – kleine Unterschiede von gestern können morgen plötzlich gravierende Folgen haben.“ – Nicholas Negroponte, Gründer des MIT Media Lab

Wie bei anderen Aspekten unserer realen Welt, zum Beispiel Telefonen, Autos und Zeitungen, hat die digitale Erschließung auch in unserer gebauten Welt Einzug gehalten. Autos könnten ein guter Indikator dafür sein, was die Zukunft für die Infrastruktur bringen könnte. Schließlich sind Autos, vorangetrieben von Innovatoren wie Daimler-Benz, BMW und Tesla, auf dem Weg zu digitaler Erschließung schon weit voraus. Sie verfügen über eine beeindruckende und ständig wachsende Bandbreite an Sensortechnologien, die es ihnen ermöglichen, ihre externe und interne Umgebung wahrzunehmen und Entscheidungen zu treffen, um die Fahrer zu unterstützen, die Sicherheit zu erhöhen, den Energieverbrauch zu optimieren und den CO₂-Fußabdruck zu verringern.

Die digitale Erschließung von Infrastruktur wird nicht so absolut sein wie die von Zeitungen (auf die sich das Zitat von Negroponte aus dem Jahr 1992 bezog), aber sie wird ebenso bedeutend und möglicherweise sogar entscheidend für unseren Fortschritt als Menschheit sein. Schließlich werden der Infrastruktur rund 79 Prozent aller globalen Treibhausgasemissionen zugeschrieben, wie mein Kollege Rodrigo Fernandes, Director, ES(D)G (Stärkung der Ziele für nachhaltige Entwicklung), Anfang des Jahres feststellte. Jeder Beitrag, den wir gemeinsam als Praxis- und Innovationsgemeinschaft für die Infrastruktur leisten können, wird sich sicherlich für unsere Kinder und deren Kinder für kommende Generationen auszahlen.