Une grande ville d’Allemagne utilise la technologie du “jumeau numérique” dans le cadre d’un énorme projet européen sur les villes 3D

Eine deutsche Stadt nutzt den digitalen Zwilling, als wesentliche Technologie für Smart Cities

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Bei einem „digitalen Zwilling“ handelt es sich um eine virtuelle Nachbildung eines Objekts, eines Prozesses oder eines Systems. Diese Technologie hat bereits zahlreiche Sektoren revolutioniert, wie beispielsweise die Industrie, das Ingenieurwesen oder die Medizin. Sie ist zu einem Schlüsselkonzept bei der Entwicklung von Smart Cities geworden. Der Echtzeit-Zugang zu diversen Daten ermöglicht eine ununterbrochene Innovation, eine quantifizierbare Entscheidungsfindung sowie Einsparungen (sei es bei Geldmitteln, Wasser oder Energie), die bis zu mehreren Milliarden pro Jahr betragen können. All das beginnt mit hochpräzisen und äußerst ausführlichen Daten!

Digitaler Zwilling vs. 3D-Modell

Bei einem digitalen Zwilling handelt es sich nicht nur um ein hochpräzises 3D-Modell. Der Unterschied zwischen den beiden besteht im bidirektionalen Datenfluss zwischen der physischen und der digitalen Welt. Diese Datensynchronisierung ermöglicht ein ununterbrochenes Aktualisieren des digitalen Zwillings in Echtzeit, was diesen zu einem effizienten Tool zum Ausführen virtueller Simulationen und und zur Planung diverser Szenarien macht.

Wie bereits in der Digital Twin Origin to Future Studie definiert

  • Ultrahohe Präzision des physikalischen Objekts, die häufig durch mehrere Datenquellen ermöglicht wird. Je höher der Detaillierungsgrad, desto besser eignet sich der digitale Zwilling als effizientes und zuverlässiges Tool. So können „intelligente Städte“ (Smart Cities) Daten zu Infrastruktur, Fahrzeugverkehr, Umweltverschmutzung und Demografie erhalten.
  • Dynamisches und bidirektionales Mapping zwischen der physischen und der digitalen Welt. Ein digitaler Zwilling stellt ein lebendiges Modell dar, das hauptsächlich in 3D vorliegt. In diesem Modell müssen daher Echtzeitdaten sowie die Historie dieser Daten berücksichtigt werden.
  • Selbstentwickelnd und selbstanpassend. Die reale Welt befindet sich permanent im Wandel – ebenso wie der digitale Zwilling. Aus diesem Grund muss er sich selbst optimieren. Dazu greift er auf Quellen von Daten zurück, die in der realen Welt erfasst werden.
Der digitale Zwilling verwendet überlappende Datenbestände für eine komplette und dynamische Darstellung.
Bildquelle: Ouster

Der digitale Zwilling, eine Kerntechnologie für Smart Cities

Auf der ganzen Welt haben Städte mit der Erforschung der Digitaler-Zwilling-Technologie begonnen, um Anwendungen zu entwickeln wie:

Stadtplanung

Mithilfe einer Simulation von „Was wäre, wenn?“-Szenarien unter Verwendung digitaler Zwillingen können Stadtplaner die Auswirkungen neuer Infrastrukturen einschätzen, was diesen den Prozess der Entscheidungsfindung erleichtert. Beispielsweise können Forscher die Auswirkungen des Baus neuer Radwege auf die Sicherheit von Radfahrern, den Verkehrsfluss, das Parken auf Bürgersteigen und sogar auf die Luftverschmutzung simulieren. So können mithilfe eines digitalen Zwillings Faktoren wie Sicherheit, Zugänglichkeit, Kosten uvm. optimiert werden.

Verkehrsmanagement, u.a. die Integration von vernetzter und autonomer Fahrzeuge

Wie auch bei der Stadtplanung, können digitale Zwillinge zum Simulieren des Verkehrs verwendet werden. Durch das Kombinieren von Modellen digitaler Zwillinge mit Echtzeitdaten können Verkehrsbetreiber die Sicherheit und den Verkehrsfluss verbessern. Mit dem Aufkommen vernetzter und autonomer Fahrzeuge können Forscher Simulationen durchführen, um ein besseres Verständnis für die Auswirkungen dieser Fahrzeuge auf den Verkehr zu entwickeln und die verschiedenen Funktionen der V2X Technologie (Vehicle-to-Everything, wortwörtlich die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und dem Rest der Welt) zu testen.

Überwachung von Infrastrukturen (Straßen, Brücken und sonstige Infrastrukturen)

Algorithmen können verwendet werden, um den Zustand und die Abnutzung von Infrastrukturen in Echtzeit zu analysieren und die Aufmerksamkeit von Ingenieuren auf potenzielle (derzeit bestehende oder zukünftige) Probleme zu lenken. Darüber hinaus lässt sich mit ihrer Hilfe vorhersagen, wie diese Infrastrukturen verschiedenen Wetterbedingungen, Verkehr, Vibrationen und sonstigen umweltbedingten Einschränkungen standhalten.

Diese proaktiven Instandhaltungsmaßnahmen werden eine viel effizientere Wartung der Infrastrukturen im Laufe der Zeit sowie Einsparungen in Milliardenhöhe ermöglichen. Einem Bericht zufolge verursachen Verzögerungen bei der Wartung amerikanischer Infrastrukturen schätzungsweise Kosten in Höhe von über 1 Milliarde Dollar (die Wartungsverzögerungen stellen die akkumulierten
Kosten der „verschobenen Wartung“ dar, d.h. die Verzögerung bei Arbeiten aufgrund der Verschiebung laufender Wartungs- und Reparaturarbeiten).

Zu den anderen Anwendungen gehören die Überwachung von Naturkatastrophen, intelligenten Netzen usw.

Dies sind nur einige Beispiele dafür, wie digitale Zwillinge dazu genutzt werden können, die Umsetzung intelligenter Städte zu beschleunigen, was auf lange Sicht erhebliche Einsparungen ermöglichen würde.

Pioniere: Die Hochschule RWTH und die Stadt Aachen (Deutschland) entwickeln digitale Zwillinge für die V2X Simulation unter Verwendung des LiDAR Ouster

Es handelt sich um Europas größtes Infrastrukturprojekt auf der Basis des LiDAR Ouster, Aachen wird im Rahmen dieses Programms auf autonome Fahrzeuge vorbereitet. Dabei wird an der Errichtung einer vernetzten Infrastruktur gearbeitet, die den Verkehr aller Verkehrsteilnehmer erfasst. Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr sowie von privaten Akteuren wie Ford Mobility oder Vodafone finanziert.

Für die Umsetzung dieses Projekts benötigten die Forscher der RWTH Aachen präzise und ausführliche Daten zu den Infrastrukturen sowie zu allen Verkehrsteilnehmern und zu ihrem Mobilitätsverhalten (anonyme und vertrauliche Daten). Um all diese Daten korrekt und präzise erfassen zu können, entschieden sie sich für den LiDAR Ouster.

Simulation réalisée sur un modèle de jumeau numérique avec plusieurs LiDAR Ouster
Simulation erfolgte unter Verwendung eines digitalen Zwillingsmodells mithilfe verschmolzener Punktwolken, die von mehreren LiDAR Ouster Sensoren stammten. Bildquelle: Ouster

Phase 1: Anonyme Erhebung der Daten des digitalen Zwillings mithilfe des LiDAR Ouster

Als Erstes mussten die Forscher der RWTH Aachen den digitalen Zwilling der Infrastruktur entwickeln: hochauflösende Daten, Benutzerverhalten und Fahrzeugbewegungen. Daraufhin waren sie imstande, unter Verwendung dieses digitalen Zwillings autonome Fahrzeuge und V2X Simulationen zu entwickeln und zu testen. Mit über 100 LiDAR OS1 Ouster und über 200 Kameras errichteten die Forscher auf einer Strecke von 4,3 km am Straßenrand 60 Messstationen.

Des stations de mesure équipées de LiDAR Ouster OS1
Mit LiDAR Ouster OS1 ausgestattete Messstationen, die am Straßenrand auf einer Strecke von 4,3 km zum Einsatz kommen. Bildquelle: Ouster

Der LiDAR OS1 Ouster, der einen kritischen Teil des Erkennungssystems darstellt, erhöht die Auflösung der Kameras bei schwacher Beleuchtung oder schlechtem Wetter. Dieser hochauflösende LiDAR liefert millimetergenau präzise Daten zur Position/Lage von Objekten. Mit ihrer Schutzart IP69K bzw. IP68 können LiDAR Ouster ungünstiger Witterung sowie verschiedenen Wetter- und Umweltbedingungen (Vibrationen, Staub) standhalten.

Im Gegensatz zu Kameras, in denen zur Berechnung von Entfernungen und Positionierung von Objekten Computervision zum Einsatz kommt, bietet der LiDAR direkte hochpräzise Messungen. Diese Präzision kann beispielsweise im Kontext der Verkehrssicherheit einen Unterschied machen.

Piéton de nuit capturé avec le OS1-128 Ouster VS une caméra
Aufnahme eines Fußgängers in der Nachtzeit mit dem OS1-128 Ouster im Vergleich zu einer Kamera.
Bildquelle: Ouster

Die hochauflösenden Daten des OS1 128-Kanals von Ouster permettent également une plus grande portée de détection. En effet, il améliore la précision de la classification des objets en fournissant plus de nuages de points. Les chercheurs peuvent alors utiliser ces données pour développer des algorithmes qui reconnaissent et classent les voitures, les camions, les piétons, les deux-roues etc.

Résolution du LiDAR OS1 d'Ouster
Die hohe Auflösung verbessert die tatsächliche Reichweite eines Sensors. Alle LiDAR OS1 Sensoren haben eine maximale Reichweite, aber ihre tatsächliche Reichweite hängt von ihrer Auflösung (32, 64 oder 128 Kanäle) ab. Bildquelle: Ouster©Ouster

Im August 2021 verwendeten die Forscher 46 Messstationen auf einer 2,4 km langen Strecke (Straßen und Kreuzungen). Anschließend setzten sie diese Messstationen in ländlichen Gegenden und auf Autobahnen ein. Durch die Schaffung eines digitalen Zwillings, der sich über verschiedene Gebiete von Aachen erstreckte, waren die Forscher imstande, Objekte mit äußerster Genauigkeit und unabhängig von der Art des Geländes und von den Wetterbedingungen zu erfassen.

Phase 2: Entwicklung und Testen der V2X Simulationen am digitalen Zwilling

Die zweite Phase des Projekts bestand im Aufbau einer vernetzten Infrastruktur, in der autonome vernetzte Fahrzeuge in gemischtem Verkehr integriert wären.

Schéma d'une infrastructure connectée entre Aachen et Dusseldorf
Das Projekt zielt darauf ab, eine vernetzte Infrastruktur zu errichten (Bildnachweis: Ouster)

Bei diesem Projekt wird der digitale Zwilling von Aachen für drei Hauptzwecke verwendet:

  • Kommunikation in Echtzeit. Mit On-Board-Sensoren ausgestattete autonome Testfahrzeuge erhalten vom digitalen Zwilling Verkehrsinformationen noch bevor sie diese „sehen“ können. Dank diesen im Voraus zur Verfügung stehenden Informationen haben Fahrzeuge genügend Zeit, zu reagieren und ihren Fahrstil entsprechend anzupassen.
  • Simulation vernetzter und autonomer Fahrzeuge. Da der digitale Zwilling eine reale und dynamische Abbildung der Umwelt darstellt, können Forscher an autonomen Fahrzeugen Tests durchführen und deren Auswirkungen auf die anderen Verkehrsteilnehmer, ebenso wie auf die Umwelt analysieren.
  • Langfristige Planung und Analyse. Die von digitalen Zwillingen stammenden Daten werden in einer zentralen Datenbank gespeichert. Sie dienen zum Analysieren des Verhaltens der Verkehrsteilnehmer und zum Analysieren der Fahrmuster. Dies soll eine langfristige Planung von Anwendungen für autonome Fahrzeuge zu ermöglichen.
  • Einsparungen in Höhe von 280 Milliarden Dollar bis 2030

    Obwohl digitale Zwillinge im Zusammenhang mit Smart Cities noch lange nicht komplett erforscht sind, steht eine Sache fest: in den kommenden Jahren wird dieser Technologie eine wichtige Rolle zukommen.

    Nach Angaben von ABI Research könnten digitale Zwillinge Städten bis 2030 dank einer effizienteren Stadtplanung und einer proaktiven Wartung eine Gesamteinsparung in Höhe von 280 Milliarden US-Dollar ermöglichen.

    Bis 2025 werden über 500 Städte auf der ganzen Welt die Digitaler-Zwilling-Technologie (oder eine gleichwertige Technologie) nutzen.

    Sie möchten wissen, wie Sie Ihre Smart-City-Zielsetzungen mithilfe des LiDAR Ouster erfüllen können? Kontaktieren Sie uns!