Digitale Zwillinge Zukunftssicherheit dank intelligenter Infrastruktur

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Marode Bausubstanz, Wartungsprobleme, leere Kassen: Deutschlandweit stehen Kommunen unter Druck, ihre Brücken sanieren zu müssen, während diese bereits an ihre Belastungsgrenzen stoßen. Doch digitale Zwillinge könnten die Infrastruktur-Wartung revolutionieren.

Das zunehmende Verkehrsaufkommen stellt Kommunen vor die große Herausforderung, Brücken langfristig sicher und belastbar zu erhalten. Viele Überführungen in Deutschland wurden in den 1960er und 1970er Jahren gebaut und waren weder auf die SUV-Schwemme noch auf den heutigen intensiven Schwerlastverkehr ausgelegt. Das Ergebnis ist deutlich sichtbar: schneller Verschleiß und zunehmende Sanierungsfälle, die in der Regel nur unzureichend oder verzögert bearbeitet werden können. Finanzielle Engpässe und bürokratische Hürden erschweren schnelle Lösungen zusätzlich. Als wohl prominentestes Beispiel hat der partielle Einsturz der Carolabrücke in Dresden im Jahr 2024 verdeutlicht, welche Verantwortung mit der Brückenwartung einhergeht.

Digitale Zwillinge als Lösung für Wartungsprobleme

Digitale Zwillinge können genau an diesem kritischen Punkt einen echten Wandel einleiten, denn sie liefern virtuelle Abbilder real existierender Strukturen, die kontinuierlich mit Sensordaten gespeist werden. Digitale Zwillinge sind bereits seit Jahren erfolgreich in der industriellen Produktion etabliert. Ursprünglich entwickelt, um Fertigungsprozesse zu optimieren und Maschinenzustände genau abzubilden, ermöglichen digitale Zwillinge eine präzise Steuerung und Überwachung komplexer Anlagen.

30 Praxisbeispiele

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Bei Brücken können Sensoren permanent Zustandsdaten wie Dehnungen, Schwingungen, Temperaturen oder auch Umweltfaktoren wie Wind, Luftfeuchtigkeit und Sonneneinstrahlung erfassen. Diese Messungen wiederum geben Auskunft über die reale Belastung und den Zustand der Brücke. Auf dieser Datengrundlage lassen sich Schäden erkennen, lange bevor sie kritisch werden. Genau hierin liegt der größte Vorteil gegenüber herkömmlichen Wartungsmethoden, die häufig zeit- oder schadenbasiert erfolgen und erstrecht keine umfassenden Echtzeitdaten berücksichtigen.

Pioniere der digitalen Wartungsmethodik

Eine Allianz aus Forschung, IT und Bauwesen zeigt: Mit smarter Infrastruktur und Daten lässt sich nicht nur der Zustand von Bauwerken in Echtzeit überwachen – sondern auch gezielt und vorausschauend handeln. Die Kooperation zwischen NetApp, der Universität der Bundeswehr München und dem Fraunhofer IESE im Rahmen des Projekts „RISK.twin“ demonstriert, wie interdisziplinäre Forschung die Wartungsmethodik revolutionieren kann. Jede Institution bringt dabei ihre spezifische Expertise ein:

• Die Universität der Bundeswehr München liefert, unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Thomas Braml und Dr.-Ing. Stefan Küttenbaum, umfangreiches technisches Ingenieurwissen zu Brückenbauwerken.

• Das Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE bringt mit der Open-Source-Software Eclipse BaSyx umfassendes Software-Know-how für digitale Zwillinge mit ein.

• NetApp stellt eine intelligente Dateninfrastruktur bereit und bereichert die Kooperation mit seiner mehr als 30-jährigen Erfahrung im Datenmanagement, speziell in Bezug auf sichere Speicherung und Verarbeitung großer Datenmengen.

Ein Projekt, das die Leistungsfähigkeit digitaler Zwillinge verdeutlicht, ist die „Digitale Brücke Schwindegg“ in Bayern. Bei diesem Pilotprojekt wurden zahlreiche marktverfügbare und neu entwickelte Sensoren zur umfassenden Zustandserfassung getestet. Langfristiges Ziel ist es, ein ganzheitliches Bild nicht nur einzelner Brücken, sondern ganzer Infrastrukturnetze zu generieren.

Datenmanagement für proaktive Wartung

Die Sensordaten werden an der Brücke gesammelt, durch intelligente Edge-Geräte vorselektiert und ins Rechenzentrum übertragen. Dort werden sie in einem skalierbaren Objektspeicher festgehalten, angereichert mit Metadaten, was optimale Voraussetzungen für Analysen bieten soll. Jürgen Hamm, Lead Architect Digital Twin Solutions bei NetApp, erläutert: „Basierend auf unserer Kernkompetenz, dem Datenmanagement, bieten wir eine Komplettlösung für die Implementierung von digitalen Zwillingen an, für Unternehmen ebenso wie für Kommunen. Dafür haben wir gemeinsam mit dem Fraunhofer IESE die Softwarelösung ,Eclipse-Basyx‘ entwickelt: Sie ist die Grundlage, um standardisierte digitale Zwillinge zu erstellen und die komplexen Anforderungen effizient zu erfüllen.“

Ziel sei es, auch mittels künstlicher Intelligenz (KI) aus diesen Daten detaillierte Prognosen zu erstellen, die präzise Entscheidungsgrundlagen für eine nachhaltige und optimierte Wartung bieten. Besonders kleinere Kommunen könnten von der Flexibilität der digitalen Lösung profitieren, da diese auch als Software-as-a-Service (SaaS) betrieben werden kann und somit keine großen eigenen IT-Infrastrukturen notwendig sind.

Open-Source und Datenverfügbarkeit: Gewinn für Kommunen

Ein weiterer wesentlicher Vorteil digitaler Zwillinge liegt in ihrer Datenverfügbarkeit. Durch die Nutzung offener Schnittstellen und Standards wie der Verwaltungsschale sind die erfassten Informationen nicht nur langfristig verfügbar, sondern können auch problemlos in bestehende Systeme integriert werden. Die Verwaltungsschale gewährleistet eine rollen- und rechtebasierte Zugriffsteuerung, wodurch höchste Sicherheits- und Datenschutzanforderungen erfüllt werden. Kommunen können von dieser digitalen Transparenz profitieren. Sie erhalten umfassende, leicht zugängliche Dokumentationen und Zustandsdaten ihrer Brücken – und dies dauerhaft. Die digitale Dokumentation ersetzt gegebenenfalls bislang unvollständige oder verlorene Unterlagen.

Neben Sicherheitsaspekten bieten digitale Zwillinge erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Durch präzise Diagnosen und rechtzeitige Wartung können sich die Gesamtkosten deutlich reduzieren: Untersuchungen zufolge sind Einsparungen bei Wartungskosten von bis zu 30 Prozent möglich, da Sanierungen gezielt geplant und unnötige Maßnahmen vermieden werden. Zusätzlich verlängert sich die Lebensdauer der Brücken, was langfristig Kosten einspart. Digitale Zwillinge machen Wartungen somit wirtschaftlicher und effizienter – ein entscheidender Faktor angesichts begrenzter öffentlicher Budgets und steigender Instandhaltungskosten.

Ein Ausblick auf die Zukunft

Digitale Zwillinge könnten also eine effektive, transparente und nachhaltige Lösung für die Infrastruktur der Zukunft sein. Doch die Entwicklung steht trotz der bereits erzielten Erfolge erst am Anfang. Langfristiges Ziel ist es laut Hamm, einen minimalen, kostengünstigen und robusten Satz an Sensoren zu definieren, mit dem eine zuverlässige Prognose des Wartungsbedarfs für jede Brücke möglich wird. Dies dürfte nicht nur die Sicherheit erhöhen, sondern auch den Lebenszyklus der Bauwerke signifikant verlängern. Für Kommunen ergeben sich dadurch nicht nur finanzielle Vorteile, sondern auch eine ökologische Entlastung durch weniger Bauaktivitäten und den damit verbundenem Ressourcenverbrauch.

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