Stuttgart ist bei dem Aufbau Digitaler Zwillinge, im ersten Schritt für die Bereiche Mobilität und Umwelt, mit der PlexMap-Technologie von Geoplex bereits sehr weit gekommen.
Die Landeshauptstadt Stuttgart im 3D-Mesh. Das mit PlexMap
erstellte Modell dient als Basis für den Digitalen Zwilling.
Quelle: Landeshaupttadt Stuttgart
Die Landeshauptstadt Stuttgart ist in mancher Hinsicht besonders. Die sechstgrößte Stadt Deutschlands hat nicht nur eine im Vergleich hohe Einwohnerdichte. Mit mehr als 350 Metern hat sie auch eine außerordentlich große Höhendifferenz auf ihrem Stadtgebiet. Die Stuttgarter Kessellage ist aber auch herausfordernd, gerade vor dem Hintergrund der verkehrstechnischen Erschließung und der durchschnittlich geringeren Windgeschwindigkeit, die für hohe Schadstoffkonzentrationen sorgt. Kein Wunder also, dass die Landeshauptstadt dem Themenkomplex Verkehr und Luftreinheit höchste Priorität zuweist.
Der Green City Plan der Bundesregierung fiel also gerade in der Landeshauptstadt auf einen besonders fruchtbaren Boden. In diesem Zuge wurde in den vergangenen vier Jahren der Digitale Zwilling Mobilität und Umwelt (DZMU) aufgebaut. Die Leitung hat dabei das Stadtmessungsamt. Partner sind das Tiefbauamt sowie die Ämter für öffentliche Ordnung, für Umweltschutz und für Stadtplanung und Wohnen. Die wissenschaftliche Begleitung kam von der Hochschule für Technik Stuttgart. Die Gesamtmittel beliefen sich auf etwa vier Millionen Euro.
Mit dem Digitalen Zwilling Mobilität und Umwelt soll eine digitale Repräsentanz der Realwelt erzeugt werden, um das Ziel einer Optimierung der städtischen Verkehrssysteme und des Verkehrsmanagements zur Gestaltung einer nachhaltigen und emissionsfreien Mobilität zu erreichen. Der DZMU stellt ein System aus Systemen dar: Er baut auf den bestehenden Strukturen, Systemen und Datenbeständen auf, dient der technischen und organisatorischen Vernetzung der bereits bestehenden Datenbestände, Systeme und Abläufe und der Schließung von Datenlücken. Zur Abbildung der Realwelt mit ihren Eigenschaften und ihrem Verhalten beinhaltet der DZMU neben statischen Daten auch intelligente Strukturen und Algorithmen zur Abbildung dynamischer Veränderungen.
Der technische Aufbau des DZMU wird durch das Stadtmessungsamt koordiniert und in weiten Teilen auch umgesetzt.
Fachzwillinge in Stuttgart. Die Stadt ist bereits lange Geoplex-Kunde, seit 2015 setzt sie PlexMap 3D zur Visualisierung des 3D-Stadtmodells ein. Bild: Landeshauptstadt Stuttgart
Das Herzstück des DZMU ist der Geobasiszwilling der Stadt Stuttgart, welcher maßgeblich auf dem 3D-Stadtmodell, dem DGM, Daten zur Flächennutzung und dem Straßennetz basiert. Um den Detaillierungsgrad des Geobasiszwillings so weit wie möglich an die Realität anzunähern, wurden zu Beginn des Projekts verschiedene Maßnahmen zur Datenerfassung durchgeführt. Dazu gehörte die Erfassung des Straßenraumes über entsprechende Befahrungen. Die resultierenden Straßenpanoramabilder und Punktwolken dienten der hochgenauen Ableitung des Straßenraumes (u. a. Straßen inkl. Fahrspuren, Stadtmöblierung und städtisches Inventar). Darüber hinaus wurden Schrägluftbilder und True Orthophotos erhoben, aus denen ein hochgenaues 3D-Mesh abgeleitet wurde.
Als zentrale Software für den Aufbau des Geobasiszwillings und für die Ableitung der einzelnen Fachzwillinge kommt die Software PlexMap von Geoplex zum Einsatz. PlexMap wird also nicht nur dazu genutzt, Geobasisdaten zu managen, sondern ist gleichermaßen eine Datendrehscheibe zur Integration von innerstädtischen Fachdaten. Der Schnittstellentechnologie kommt dabei herausragende Bedeutung zu. „Für uns ist es sehr wichtig, dass wir den Datentransfer zu den einzelnen Fachämtern auf Basis offener Standards mit leistungsfähigen Werkzeugen durchführen und dabei immer maximalen Einfluss auf die Ausgestaltung der Workflows haben“, sagt Benjamin Vogel vom Stadtmessungsamt, der das Projekt maßgeblich technisch betreut.
Der Weg zum dynamischen Fachzwilling
Die Umsetzung der einzelnen Fachzwillinge findet in enger Zusammenarbeit mit den jeweiligen Fachämtern, insbesondere dem Tiefbauamt, dem Amt für öffentliche Ordnung und dem Amt für Umweltschutz statt. Ausgangsbasis zur Ausgestaltung eines Fachzwillings ist jeweils der Geobasiszwilling. Aufgabe eines Fachzwillings ist es, weiterführende Analysen und Simulationen zu ermöglichen, die auf individuellen Fachdaten und Funktionen aufsetzen. „Wir haben im Grunde genommenen mehrere fachspezifische Digitale Zwillinge aufgebaut, und dabei einzelne Bausteine und Features kombiniert“, sagt Sina Röhner, Projektmitarbeiterin im Stadtmessungsamt Stuttgart. Konkrete Anwendungsfälle sind derzeit unter anderem Luftschadstoffe oder Verkehrsereignisse. „Die Anwendungsfälle wachsen beständig und die Fachämter kommen immer mehr mit konkreten Ideen auf uns zu“, ergänzt Röhner.
System aus Systemen
In Stuttgart wird dieser Ansatz intern auch als „System aus Systemen“ bezeichnet. Das bedeutet, dass keine voneinander unabhängigen Insellösungen entstehen, sondern Lösungen, die verschiedenen Fachanwender:innen gebündelt und vernetzt zur Verfügung stehen. „Welche konkreten Aufgaben dann übernommen werden, wie tief die Integration ist und wie die Visualisierungsanforderungen sind, wird jeweils im Vorfeld intensiv evaluiert“, sagt Röhner. Kernkomponente ist das DZMU-Portal, in dem diese Daten und Lösungen mit PlexMap gesammelt zur Verfügung gestellt werden. Je nach Themenbereich gibt es verschiedene Viewer und je nach Fragestellung, Verlinkungen auf externe Inhalte wie Dashboards. Entscheidend ist hier die Komponente PlexMap Switchboard, mit dem die einzelnen Workflows völlig frei realisiert werden können. Die vorhandenen Strukturen, Systeme und Datenbestände werden dort verknüpft und erweitert. „Fachanwendungen der Stadt arbeiten damit effizienter zusammen und schaffen neue Anwendungsmöglichkeiten“, so Röhner.
Straße und Verkehr
„Als Beispiel können wir die Objekterkennung aus Straßenpanoramadaten als großen Projektteil hervorheben“, sagt Röhner. In enger Zusammenarbeit mit weiteren Fachämtern wurden die Anforderungen an die Abbildung des Straßenraums im DZMU herausgearbeitet. Auf dieser Basis erhielt ein Dienstleister den Auftrag, die Objektklassen Verkehrsschilder, Fahrbahnmarkierungen, Realflächen (Flächentyp und Oberflächenbeschaffenheit) sowie Bäume, Büsche und Hecken zu erfassen. Dabei wurden umfangreiche Kataloge mit detaillierten Spezifikationen vorgegeben, u.a. im Hinblick auf Lagegenauigkeit und Aktualität.
Eine weitere Besonderheit ist die Zusammenarbeit mit der Integrierten Verkehrsleitzentrale bei der Verknüpfung der beiden Projekte DZMU und der digitalen Verkehrsflussoptimierung (mit dem Amt für öffentliche Ordnung). Ebenso wurde ein Proof of concept für eine IoT-Plattform mit dem Tiefbauamt durchgeführt, den die Stadt aktuell weiterentwickelt.
Der DZMU ist bereits für verschiedene Bereiche sinnvoll. Er integriert Fachdaten je nach Fragestellung und Themenschwerpunkt in verschiedenen Viewern und zeigt so z. B. die Themen Radverkehr oder Solarpotenziale anschaulich für die entsprechenden Nutzer:innen. Zudem können mit der nötigen fachlichen Tiefe in den Themenbereichen Szenarien simuliert und so im DZMU experimentiert werden.
„Stuttgart ist aus unserer Sicht beim Thema Digitaler Zwilling schon sehr weit gekommen, weil eine sehr offene und kreative Zusammenarbeit der einzelnen Ämter stattfindet und die softwareseitig verfügbaren Möglichkeiten bereits jetzt sehr intensiv genutzt werden“, sagt Frederik Hilling, Geschäftsführer von Geoplex.