RISK.twin – Intelligente kritische technische Infrastruktur

Von der Realität zum hybriden digitalen Zwilling

Bei der kritischen technischen Infrastruktur der Zukunft kommt dem Zusammenspiel von realem Objekt und seinem digitalen Zwilling im virtuellen Raum sowie deren Verbindung mittels daten- und physikbasierter Informationen eine herausragende Bedeutung zu. Das heute noch weitgehend ungenutzte Potenzial leistungsfähiger digitaler Zwillinge für solche Objekte in der Systemzustandsüberwachung und Risikovorhersage sowie als Werkzeug zur politischen Entscheidungsunterstützung und Kommunikation ist enorm. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens werden hybride digitale Zwillinge für die kritische technische Infrastruktur durch ein interdisziplinäres Projektteam des Forschungszentrums RISK – Risiko, Infrastruktur, Sicherheit und Konflikt der UniBw M in Zusammenarbeit mit der HSU/UniBw H erstmals im breiten Maßstab von der grundlagenwissenschaftlichen Methodik (computergestützte Simulation, maschinelles Lernen) bis hin zu ganz konkreten Anwendungsszenarien und Objekten (Brücken, Hochbau, Wasser, Energie) entwickelt und deren Nutzbarmachung für politische und ministerielle Akteure bei kritischen Entscheidungen untersucht – sowohl für den zivilen als auch für den militärischen Einsatz. Die Gesamtergebnisse werden in anwenderorientierte Handlungsempfehlungen überführt.


Projektlaufzeit: 01.01.2021 bis 31.12.2024


Kritische technische Infrastruktur

Die Systemzustandsüberwachung und Risikovorhersage im Bereich der kritischen technischen Infrastruktur sind von großer Bedeutung für das staatliche Gemeinwesen. Bei deren Ausfall oder Beeinträchtigung treten nachhaltig wirkende Versorgungsengpässe, erhebliche Störungen der öffentlichen Sicherheit und andere dramatische Folgen ein. Die Forschung zur kritischen technischen Infrastruktur im Bauingenieurwesen und in den Umweltwissenschaften wird an der UniBw M im Forschungszentrum RISK zwar sozial-, natur- und ingenieurwissenschaftlich gebündelt, profitiert bislang jedoch noch nicht umfassend von den neusten technologischen Möglichkeiten der Digitalisierung. Gerade bei kritischen Bauwerken und Anlagen sind über die gesamte Lebensdauer simulierbare und datenunterstützte virtuelle Abbilder besonders wertvoll. Sie verbessern die Prognosefähigkeit hinsichtlich Belastungen, Wartung (»Predictive Maintenance«) und Störfällen sowie für Extrem- und Versagensszenarien: Gebäude, Brücken, Wasseraufbereitungsanlagen oder Anlagen der Energieversorgung sind besonders komplexe Systeme, die sowohl physikalische Prozesse als auch nicht-physikalische Informationen in sich vereinen. Sie weisen eine lange Lebensdauer mit variablem Wartungsbedarf und enormer Kritikalität auf – von technischen Schadensfällen bis hin zu Risiken für Leib und Leben. Bislang mangelt es allerdings noch an zur Verfügung stehenden Daten aus unterschiedlichen Anwendungsfällen und deren Nutzung. Werden solche Daten mithilfe umfassender Sensorik an realen Objekten gewonnen, so können mit Hilfe digitaler Zwillinge neue, auf künstlicher Intelligenz (KI) basierende Prognosemodelle entwickelt und eine entscheidende Forschungslücke geschlossen werden. Das Forschungszentrum RISK mit seinen deutschlandweit anerkannten und weithin sichtbaren Forschungsschwerpunkten bietet hierfür einen einzigartigen institutionellen Rahmen.



Kritische Infrastrukturen (KRITIS) sind Organisationen und Einrichtungen von zentraler Bedeutung für das staatliche Gemeinwesen, unter anderem in den Sektoren Transport und Verkehr, Wasser, Energie, sowie Staat und Verwaltung, Notfall- und Rettungswesen einschließlich Katastrophenschutz.
© Adobe Stock/zephyr_p, filmbildfabrik, urbans78, Kalyakan (v. l. n. r.)

Hybrider digitaler Zwilling

Die erheblichen Fortschritte der letzten Jahre in den Bereichen Sensordatenerfassung, Unsicherheitsquantifizierung, maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz sowie computergestützte Simulation haben ein neuartiges, durchgängig virtuelles Modellierungskonzept in den Fokus der Ingenieurwissenschaften gerückt: den digitalen Zwilling. Digitale Zwillinge sind detailgetreue, daten- und physikbasierte, virtuelle Abbilder realer technischer Systeme, welche sich im Gegensatz zu klassischen Simulationsmodellen durch Sensordaten ständig adaptieren, aktualisieren und weiterentwickeln lassen. Digitale Zwillinge sind für vielfältige Aufgaben bei Optimierung, Simulation (Echtzeitprognosen), Monitoring und Überwachung sowie als virtuelle Lernumgebungen (Virtual Reality) und zur Unterstützung von politischen Entscheidungsprozessen einsetzbar. Während klassische, physikbasierte Simulationsverfahren und datenbasierte Ansätze heute zumeist als unversöhnliche Gegenpole aufgefasst werden, wird in diesem Vorhaben erstmals im Bereich der kritischen technischen Infrastruktur das aktuelle Forschungsparadigma des »hybriden« digitalen Zwillings aufgegriffen und weiterentwickelt. Dadurch können die jeweiligen Vorzüge von physikbasierter Simulation (z. B. parametrische Modelle) und datenbasierten Ansätzen (z. B. direkte Nutzung von Sensordaten und Expertenwissen) miteinander vereint und neue Forschungsimpulse geschaffen werden. Außerdem können »virtuelle Sensoren« in die Computermodelle integriert werden, die sogar dort eine Überwachung ermöglichen, wo gar keine realen Sensoren installiert sind.



Bei kritischen Infrastrukturen sind virtuelle Abbilder, sogenannte Digitale Zwillinge, ein wesentliches Forschungswerkzeug. Hybride Digitale Zwillinge verbinden Physik-basierte Simulationsverfahren und Daten-basierte Ansätze.
© Universität der Bundeswehr München/Seitz, Danwitz, Milani | Adobe Stock/Iuliia Sokolovska (Mitte/oben)

Interdisziplinäre Forschung für die Anwendung

Als innovative Forschungsdimension über die technische Nutzbarmachung digitaler Zwillinge hinaus soll deren Entscheidungsunterstützungspotenzial für politische Akteure untersucht werden. Politische Akteure sind hinsichtlich kritischer technischer Infrastruktur unmittelbar abhängig von bestmöglichen Bewertungen, beispielsweise in Bezug auf Risikoquantifizierung, Lebensdauer und Wartungserfordernisse. Andernfalls ist eine optimale politische Regulierung nicht möglich. Deshalb betrachtet das Projekt auch das politische Potenzial digitaler Zwillinge und untersucht, unter welchen Bedingungen diese eine Entscheidungsunterstützung in Politikprozessen darstellen können. Besonders großes Potenzial sollten digitale Zwillinge in akuten Krisensituationen entfalten können. Dann müssen Politik und Verwaltung unter enormem Zeitdruck entscheiden und die Bedeutung von externem (technischem) Sachverstand ist am größten, weil parteipolitisch strukturierte Policy-Präferenzen in den Hintergrund treten. In diesem Zusammenhang ist als weiteres Projektziel die Nutzbarmachung digitaler Zwillinge zur öffentlichen Kommunikation und zur Verbesserung des technischen Systemverständnisses bei Bauwerken und Anlagen der kritischen technischen Infrastruktur zu nennen. Hierzu kommen spezielle, auf Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) basierende Visualisierungstechniken und Lernumgebungen zum Einsatz, mit denen etwa der aktuelle Systemzustand oder das Systemverhalten in Extremszenarien visuell und für Laien verständlich aufbereitet werden kann.

Als Ergebnis können solche Techniken wiederum für politische Entscheidungsprozesse, aber auch zur Verbesserung der Nutzerakzeptanz digitaler Modelle (z. B. Öffentlichkeitsarbeit) eingesetzt werden.



Beispiel für den Digitalen Zwilling einer Brücke in einer Virtual-Reality(VR)-Lernumgebung. Das virtuelle Modell wird mit Kontext-Informationen angereichert und stellt dem Nutzer in diesem konkreten Fall einen interaktiven dreidimensionalen Bauplan zur Verfügung.
© Universität der Bundeswehr München/Fink, Ertl

Kontakt

Logo der Universität der Bundeswehr München

Projektleitung

Prof. Dr.-Ing. Alexander Popp
Dr. Ing. Max von Danwitz

Universität der Bundeswehr München
Fakultät für Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften
Institut für Mathematik und Computergestützte Simulation

Tel.: +49 89 6004-3082 und -4628
E-Mail: alexander.popp@unibw.de
E-Mail: max.danwitz@unibw.de
www.unibw.de/imcs

Projektbeteiligte

Universität der Bundeswehr München
Fakultät für Bauingenieurwesen und Umweltwissenschaften
Professur für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik

Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Schaum
E-Mail: christian.schaum@unibw.de
www.unibw.de/wasserwesen

Helmut-Schmidt-Universität |
Universität der Bundeswehr Hamburg
Fakultät für Elektrotechnik
Fachgebiet Elektrische Energiesysteme

Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz
E-Mail: detlef.schulz@hsu-hh.de
www.hsu-hh.de/ees