Bentley Systems // Ist die Transportindustrie bereit für digitale Zwillinge?

Steve Cockerell, Industry Marketing Director, Rail and Transit: "Zu Beginn des Jahres 2022 verfasste ich einen Blogbeitrag zum Thema Die Zukunft der Verkehrsinfrastruktur wird jetzt gestaltet und wie digitale Zwillinge angesichts des raschen Bevölkerungswachstums, der Verstädterung und der dringenden Notwendigkeit, die Kohlendioxidemissionen deutlich zu senken, der Schlüssel zu einer besseren Infrastruktur sein werden.

Doch ist die Bahn- und Verkehrsindustrie – der oft vorgeworfen wird, dass sie sich nur langsam auf Veränderungen einlässt – bereit für die Art von digitaler Transformation, die erforderlich ist, um das Potenzial von digitalen Zwillingen voll auszuschöpfen? Sind digitale Zwillinge in dieser komplexen Industrie bereits in den Mittelpunkt gerückt, oder befindet sich die Branche noch in der Anfangsphase ihrer Einführung und Bereitstellung?

Was ist ein digitaler Zwilling?

Um das Potenzial digitaler Zwillinge zu untersuchen, ist es wichtig zu verstehen, was ein digitaler Zwilling ist. Für viele ist die Definition eines digitalen Zwillings vielleicht nur ein 3D-BIM-Modell einer physischen Anlage. In unserer Welt könnte das ein Gleisabschnitt, eine Brücke, ein Tunnel oder ein Bahnhof sein. Ohne eine Verbindung zwischen der digitalen Version und ihrem physischen Gegenstück in der realen Welt ist es aber nur eine digitale Momentaufnahme einer Anlage zu einem bestimmten Zeitpunkt.
In diesem Szenario laufen Anwender nicht nur Gefahr, dass eine Version nicht mit der anderen synchronisiert ist, was zu Nacharbeit, Verzögerungen und/oder höheren Kosten führt, sondern sie verlieren auch die Möglichkeit, die Daten hinter dem Entwurf, dem Bauzeitplan oder der operativen Anlage zu sehen und diese Erkenntnisse für eine bessere Entscheidungsfindung und bessere Geschäftsergebnisse zu nutzen.
Bei Bentley definieren wir einen digitalen Zwilling als eine realistische und dynamische digitale Darstellung von physischen Anlagen, Prozessen oder Systemen in der gebauten oder natürlichen Umwelt. Ein digitaler Zwilling verbindet die physische und die digitale Welt, sodass die digitale Welt Veränderungen in der physischen Welt dynamisch widerspiegelt. Ein digitaler Zwilling stellt daher nahezu oder tatsächlich in Echtzeit den Status, den Arbeitszustand oder die Position seines physischen Gegenstücks dar.
Während des gesamten Lebenszyklus einer Anlage – vom Konzept und der Planung über den Entwurf und die Konstruktion, den Bau und die Inbetriebnahme bis hin zu Betrieb und Wartung – macht diese Verbindung, diese Konnektivität, den Unterschied aus. Dadurch bieten digitale Zwillinge bessere Visualisierungs-, Analyse- und Simulationsmöglichkeiten. Die Nutzer eines digitalen Zwillings können jederzeit und überall die Informationen einsehen, überwachen und sammeln, die sie benötigen, um Entscheidungen zu treffen, welche die Effizienz, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit verbessern.

Digitale Zwillinge im Schienenverkehr heute

In Zusammenarbeit mit New Civil Engineer, dem offiziellen Magazin der Institution of Civil Engineers des Vereinigten Königreichs, führte Bentley kürzlich eine Umfrage durch, um den aktuellen Stand der Branche zu ermitteln und das Potenzial und die Hindernisse für die Einführung digitaler Zwillinge in der Infrastruktur zu untersuchen.
Die Branchenexperten, die auf unsere Fragen antworteten, repräsentierten jede Phase des Lebenszyklus von Verkehrsanlagen sowie viele der verschiedenen beteiligten Fachdisziplinen. Rund 30 % waren Eigentümer/Betreiber oder staatliche Behörden, während 60 % innerhalb ihrer Lieferketten als Ingenieure, Architekten und/oder Bauunternehmer arbeiten. Die übrigen Beiträge stammten von akademischen Organisationen oder Technologieentwicklern.
Sie alle bestätigten die dringende Notwendigkeit, unsere Arbeitsweise digital umzugestalten. Vor dem Hintergrund knapperer Budgets und kürzerer Terminvorgaben hat Bentley erkannt, dass Unternehmen nach neuen und innovativen Wegen suchen, um die Produktivität und Effizienz sowie die Qualität der bereitgestellten und betreuten Anlagen während des gesamten Betriebs zu verbessern.
Angesichts der negativen Auswirkungen des Klimawandels, einschließlich der zunehmenden Häufigkeit und Schwere von Unwettern, die sich direkt auf den sicheren und effizienten Betrieb unseres Schienenverkehrs auswirken, ist es meines Erachtens klar, dass die Branche einen echten Wandel braucht. Es ist nicht länger ein Problem der Zukunft.
Ich habe bereits früher darüber geschrieben, dass die weltweite Pandemie ein Weckruf für uns alle war. Die Erfahrungen der letzten zwei bis drei Jahre haben gezeigt, wozu wir fähig sind, wenn wir zu Veränderungen gezwungen werden. Dies zeigt auch, welche Chancen der Wandel bietet, wenn er Teil einer Strategie ist und nicht nur eine Reaktion auf Herausforderungen, denen wir in unserem Arbeitsalltag begegnen.
In diesem Zusammenhang war es erfreulich zu sehen, dass digitale Zwillinge in den nächsten fünf Jahren Teil der Geschäftsprozesse der Unternehmen sein werden.  Darüber hinaus gab etwa ein Viertel der befragten Unternehmen an, dass digitale Zwillinge eine entscheidende Komponente für ihren zukünftigen Erfolg sein werden. Die Mehrheit, nämlich fast drei Viertel, bestätigte auch, dass sie entweder das Potenzial, das digitale Zwillinge ihrem Unternehmen bieten, erkunden oder bereits dabei sind, einen Ansatz für digitale Zwillinge einzuführen.

Projektabwicklung versus Anlagenleistung

Diese Erkenntnis ist zwar eine gute Nachricht, aber was machen diese Unternehmen mit ihren digitalen Zwillingen? In welchen Bereichen des Lebenszyklus von Anlagen des Schienen- und Verkehrswesens haben digitale Zwillinge der Umfrage zufolge den größten Einfluss? Fast drei Viertel der Befragten gaben an, dass sich ihr Einsatz auf die Bereiche Planung und Engineering beschränkt. Diese zentrale Phase des Anlagenlebenszyklus und die Digitalisierung in der Bauindustrie bildeten die beiden wichtigsten Anwendungsfälle für digitale Zwillinge innerhalb der vertretenen Unternehmen.
Bestehende papierbasierte Arbeitsabläufe und/oder das Fehlen direkter Verbindungen zum aktuellen oder zum Ist-Zustand der Anlagen wurden als Hauptgründe für die aktuell geringe Akzeptanz genannt. Der derzeitige Schwerpunkt auf der Projektabwicklung wird von der überwältigenden Mehrheit der Befragten bestätigt, die der Meinung sind, dass 3D-Planung und 4D-Modellierung zur Simulation und Optimierung der Bauzeitpläne die wichtigsten Elemente jeder Lösung für digitale Zwillinge der Infrastruktur sind.
Ob durch die verbesserte Zusammenarbeit und Koordination von Teams und Interessengruppen oder durch die Ermöglichung besserer Einblicke und Entscheidungen – rund drei Viertel der Befragten haben das Gefühl, dass digitale Zwillinge der Schlüssel zur Optimierung von Planungs- und Engineering-Ergebnissen sein werden. Zu diesen Ergebnissen gehören die Steigerung der Produktivität, die Erkundung von mehr Entwurfsalternativen, die Bereitstellung hochwertigerer und nachhaltigerer Anlagen sowie die Verbesserung des Dienstleistungsniveaus für ihre Kunden und Interessengruppen.

Hindernisse für die Einführung und Bereitstellung

Die potenziellen Vorteile für digitale Zwillinge im Schienenverkehr gehen deutlich über die Projektabwicklung hinaus. Doch während die Inbetriebnahme und Zustandsbewertung von Anlagen sowie das Asset Performance Management und die Optimierung als wichtige Anwendungsfälle in den Umfrageergebnissen genannt wurden, zeigte sich auch, dass im Bereich Betrieb und Wartung weniger digitale Zwillinge im Einsatz sind. 
Vielleicht liegt der Grund dafür in den größten Herausforderungen, die aus unserer Umfrage hervorgingen, denen Unternehmen bei der Implementierung digitaler Zwillinge heute gegenüberstehen. Nur sehr wenige der Befragten gaben die Verfügbarkeit der digitalen Zwillingstechnologie als größtes Hindernis für die Einführung an. Die meisten Befragten nennen als größte Hindernisse für die Einführung und Bereitstellung eines digitalen Zwillings die mangelnde Zustimmung des Eigentümers oder Kunden, die fehlende Unterstützung durch die Geschäftsleitung und die vermeintlichen Kosten für die Einrichtung und Pflege eines digitalen Zwillings.
Wie unsere diesjährigen Beiträge für die Going Digital Awards zeigen, werden die Belege dafür, dass die Vorteile digitaler Zwillinge ihre Kosten überwiegen, immer deutlicher – insbesondere wenn sie über die gesamte Lebensdauer einer Anlage berechnet werden. Tatsächlich nennen alle Finalisten in unserer Kategorie Bahnverkehr und Verkehrswesen in diesem Jahr digitale Zwillinge als wichtiges Element dafür, dass ihr Team in der Lage ist, Spitzenleistungen über den gesamten Lebenszyklus von Anlagen zu erbringen.
Auf den Philippinen arbeitet Oriental Consultants Global an Phase 1 des U-Bahn-Bauprojekts Metro Manila und entwickelt ein gemeinsames digitales Engineering-System und eine einzige zentrale Informationsquelle unter Verwendung der integrierten Technologie und digitalen Zwillingsanwendungen von Bentley. Das Ergebnis ist eine gemeinsame Datennutzung in Echtzeit, die dazu beigetragen hat, die Zusammenarbeit zu optimieren und innerhalb der ersten sechs Monate des Projekts 5.000 Ressourcenstunden einzusparen und bereits einen ROI von über 600.000 USD (ca. 584.200 EUR) zu erzielen.
In Jakarta setzte PT Wijaya Karya (Persero) Tbk die offenen Bentley-Anwendungen für den Bauentwurf und das Reality Modeling sowie die digitale Zwillingstechnologie bei der Realisierung der ersten integrierten Hochgeschwindigkeitsstrecke Indonesiens zwischen Jakarta und Bandung ein. Die integrierte Lösung hat dazu beigetragen, die Arbeitsabläufe zu optimieren, die Effizienz und die Entwurfsqualität zu steigern und gleichzeitig den Bauzeitplan um sechs Monate zu verkürzen und 185 Millionen USD (ca. 180 Millionen EUR) an Baukosten einzusparen.
Im Vereinigten Königreich hat Arcadis mithilfe der Technologie von Bentley einen digitalen Zwilling des Bahnhofs Carstairs erstellt, der in der Nähe des wichtigen Bahnknotenpunkts im Süden Schottlands liegt, von dem aus Züge in Richtung Norden zwischen Glasgow und Edinburgh verkehren. Mit der Bentley iTwin-Plattform verbesserte Arcadis die Kommunikation zwischen den Teammitgliedern und ermöglichte die frühzeitige Erkennung und Lösung von Kollisionen, wodurch der Entwurf optimiert und die Modellierungszeit um 35 % reduziert werden konnte.

Die Zukunft der digitalen Zwillinge im Schienenverkehr

Da digitale Zwillinge die Möglichkeit bieten, die Leistung und Zuverlässigkeit von Anlagen zu verbessern, Instandhaltungsstrategien zu verfeinern und verschiedene Optionen für erforderliche Nachrüstungen zu prüfen, sind es wohl die Eigentümer/Betreiber von Bahn- und Verkehrsbetrieben, die vom größeren Potenzial digitaler Zwillinge profitieren werden. Auch wenn die Vorteile, die über den finanziellen Aspekt hinausgehen, schwer zu quantifizieren sind, sollten Eigentümer und nicht die Berater und Bauunternehmer in ihren Lieferketten die Führung bei der Definition des Wertes übernehmen, den digitale Zwillinge liefern sollen.
Es wird nicht immer ein einfacher Prozess sein, Daten und Technologie durch digitale Zwillinge zu nutzen, um unsere Arbeitsweise und unsere Leistungen in jeder Phase des Anlagenlebenszyklus zu verbessern. Wenn sie jedoch Teil der neuen Normalität in unseren Branchen werden sollen, muss jedes Unternehmen in den Wandel investieren und eine klare Strategie dafür haben. Wie bei früheren Beispielen für disruptive Technologien in unserer Branche und darüber hinaus werden diejenigen, die nicht in die Durchführung und Bewältigung dieses Wandels investieren, mit größerer Wahrscheinlichkeit scheitern.
Wir bei Bentley glauben, dass digitale Zwillinge die nächste große digitale Umwälzung in unserer Branche sind. Diese Veränderung findet gerade statt – bei Eigentümern/Betreibern, technischen Beratern, Bauunternehmern und den Unternehmen, die unsere Eisenbahnsysteme auf der ganzen Welt instand halten. Digitale Zwillinge und die verschiedenen Prozesse, die sie ermöglichen, müssen angenommen werden, um die in unserer sich verändernden Welt erforderlichen besseren Geschäftsergebnisse zu erzielen. Auch wenn die digitalen Zwillinge im Schienenverkehr noch nicht in den Mittelpunkt des Interesses gerückt sind, so stehen sie doch schon in den Startlöchern und werden in den kommenden Jahren mit unseren Anwendern als Vorreiter die Art und Weise verändern, wie wir unsere Schienen- und Verkehrsnetze planen, entwerfen, bauen und betreiben."

Text und Bildmaterial: Bentley Systems/ Steve Cockerell, Industry Marketing Director, Rail and Transit bei Bentley Systems. Sie erreichen ihn unter steve.cockerell@bentley.com.