Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart
Forschende am HLRS haben in den vergangenen Jahren eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten für digitale Zwillinge aufgezeigt, die für das Umweltmanagement relevant sind, unter anderem für die Stadt- und Regionalplanung. Die am HLRS entwickelten digitalen Zwillinge vereinen geografische Daten mit Gebäude-, Mobilitäts- und Sensordaten sowie Umweltinformationen, Bürgerfeedback und weiteren Datentypen zu immersiven, interaktiven Visualisierungen. Wenn diese in einer Virtual-Reality-Anlage wie der CAVE des HLRS präsentiert werden, können Fachleute, Amtsträger und die breite Öffentlichkeit die potenziellen Auswirkungen von Planungsmaßnahmen in ihren Gemeinden leichter nachvollziehen, sich darüber austauschen und letztendlich Lösungen finden, die die vielfältigen Bedürfnisse und Interessen aller Betroffenen in Einklang bringen.
Aufbauend auf diesen Erfahrungen erörterten wissenschaftliche Expert:innen für digitale Zwillinge aus verschiedenen Universitäten gemeinsam mit Vertretern öffentlicher Behörden und kleiner Unternehmen während eines Symposiums im Juni am HLRS aktuelle Anwendungsbereiche dieses Ansatzes sowie dessen Herausforderungen und Chancen. Die behandelten Themen gingen über die Stadtplanung hinaus und konzentrierten sich auf Anwendungen digitaler Zwillinge in der Klima- und Wettermodellierung, im Landschaftsmanagement, in der Infrastrukturentwicklung und im Katastrophenschutz. Gemeinsam verdeutlichten die Vorträge und die daraus resultierenden Diskussionen, wie sich mittels digitaler Zwillinge Städte, Industrie und Landschaften nachhaltiger gestalten lassen.
Da europäische und nationale Gesetze die Verringerung von Treibhausgasemissionen vorschreiben, arbeiten Kommunen europaweit an Strategien zur Erreichung der Emissionsminderungsziele. Laut Kimmo Lylykangas, Professor und Leiter der Akademie für Architektur und Stadtforschung an der Technischen Universität Tallinn, ist dies jedoch eine große Herausforderung.
Bevor Gemeinden ihre Treibhausgasemissionen senken können, müssen sie zunächst ihre Emissionen erfassen. Wie sich dies bewerkstelligen lässt, ist keine einfache Frage, da Emissionen auch bei der Herstellung und dem Import von Waren außerhalb einer Gemeinde entstehen können. Gleichzeitig sind die Emissionen nicht gleichmäßig über eine Stadt verteilt, sondern können von den Aktivitäten bestimmter Branchen oder Unternehmen, einzelner Einwohner, Stadtteile oder der Stadt als Ganzes verursacht werden. Nur wenn Gemeinden ein klareres Verständnis dieses komplexen Systems erlangen, können sie sinnvolle Maßnahmen identifizieren und gleichzeitig deren mögliche Nebenwirkungen erkennen.
Für eine aussagekräftigere Erfassung der Treibhausgasemissionen in Gemeinden schlug Lylykangas ein Konzept vor, bei dem Emissionsdaten mit Metadaten versehen und in einem digitalen Zwilling dargestellt würden. Dies ermögliche, verschiedene Perspektiven auf Emissionsszenarien zusammenzuführen und zu vergleichen sowie die Quellen von Treibhausgasemissionen auf verschiedenen Detailebenen besser zu charakterisieren. Auf dieser Basis könnten lokale Entscheidungsträger wirkungsvollere Strategien zur Emissionsminderung, zur Steigerung der Kohlenstoffbindung und zur Reduzierung der Emissionen aus den Lieferketten der Stadt ermitteln. Zum Abschluss seines Vortrags forderte Lylykangas Expert:innen für digitale Zwillinge auf, sich mit diesem Problem auseinanderzusetzen und ein noch nützlicheres Werkzeug zur Modellierung von Emissionsszenarien zu entwickeln.
Im nächsten Vortrag erläuterte Andres Maremäe, wie die Stadt Tallinn in Estland digitale Zwillinge für das Stadtmanagement in Echtzeit einsetzt. „Ein digitaler Zwilling ist keine Visualisierung, sondern ein Datenfluss“, erklärte er. In Tallinn erfasst das Stadtmanagement kontinuierlich Echtzeitdaten über Infrastruktur und Betriebsabläufe. Mithilfe von Kameras, die beispielsweise an Müllwagen angebracht sind, kann die Stadt künstliche Intelligenz nutzen, um Verkehrswarnungen zu generieren oder Schäden an Straßen zu erkennen. Anhand solcher Anwendungsfälle konnte Maremäes Team den Nutzen von Investitionen in digitale Zwillinge aufzeigen und der Stadt dabei helfen, schneller auf sich ändernde Bedingungen zu reagieren.
Wie die Arbeit am HLRS zeigt, sind digitale Zwillinge auch leistungsstarke Werkzeuge, die bei der Planung der Energiewende Verständnis, Dialog und Konsens in der Bevölkerung fördern können. Als Partner der Stuttgarter Forschungsinitiative DiTEnS untersucht das HLRS, wie in virtueller Realität dargestellte digitale Zwillinge die partizipative Planung neuer, nachhaltigerer Energie- und Wärmekonzepte unterstützen können. Wie Kilian Türk, Wissenschaftler am HLRS, auf dem Symposium erläuterte, hat das DiTEnS-Team kürzlich seine erste Studie abgeschlossen, deren Schwerpunkt auf der Entwicklung eines neuen Energie- und Heizungskonzepts am Vaihinger Campus der Universität Stuttgart lag. Das HLRS erstellte einen digitalen Zwilling, der Photogrammetriedaten, Baupläne des Heizungsnetzes der Universität, Gebäudedaten, BIM-Daten (Building Information Model) sowie eine Punktwolke aus einem Laserscan der neuen Heizungsrohre mit Simulationsdaten des Energiesystems des Campus zusammenführte. Das mithilfe von Virtual Reality präsentierte Konzept diente als Grundlage für Workshops, in denen die Beteiligten Vorschläge sammelten, Optionen erörterten und den Übergang der Universität zur CO₂-Neutralität planten.
In den kommenden Monaten wird DiTEnS eine neue Pilotstudie in einem Stuttgarter Stadtviertel starten. Mithilfe eines am HLRS entwickelten digitalen Zwillings werden die Anwohner:innen und andere Interessengruppen Optionen für eine nachhaltigere Heizungsinfrastruktur bewerten können.
In mehreren Vorträgen wurde auf dem Symposium zudem untersucht, wie sich mittels digitaler Zwillinge die Integrität wichtiger regionaler und lokaler Landschaften bewahren lässt. In einer speziellen Sitzung wurde erörtert, wie digitale Zwillinge den Landschaftsschutz der Weinberge auf den Terrassenhängen entlang des Neckars unterstützen könnten. Wie der Umweltschützer Claus-Peter Hutter, lokale Winzer und Vertreter der Behörden auf dem Symposium erläuterten, wird diese Kulturlandschaft seit Hunderten von Jahren bewirtschaftet und hat für die lokalen Gemeinden sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus kulturellen Gründen große Bedeutung. Aufgrund des Klimawandels, demografischer Veränderungen und sich wandelnder wirtschaftlicher Rahmenbedingungen kämpft der Neckar-Weinbau jedoch ums Überleben.
Wie Thomas Obst, Visualisierungswissenschaftler am HLRS, erklärte, arbeitet das HLRS gemeinsam mit dem Landkreis Ludwigsburg und dem Weinbau-Start-up ExNicrum an der Entwicklung eines digitalen Zwillings der terrassierten Neckar-Weinberge bei Hessigheim. Das Modell kombiniert photogrammetrische Daten, die mit einer Drohne aus der Luft erfasst wurden, um ein dreidimensionales Modell der steilen Hanglandschaft in virtueller Realität zu erstellen. Mithilfe einer KI-gestützten Bilderkennungssoftware lassen sich die Daten aus Drohnenflügen, die über mehrere Monate hinweg aufgenommen wurden, miteinander vergleichen, um erodierende Stellen in den Weinbergen früh zu identifizieren. Mithilfe des digitalen Zwillings können Forschende auch simulieren, wie Wasser bei starken Regenfällen den Hang hinunterfließt. Dadurch erfassen sie Bereiche, in denen die Gefahr von Erdrutschen besteht. Darüber hinaus ermöglicht der digitale Zwilling Analysen der Sonneneinstrahlung. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, die Auswahl und Anpflanzung von Rebsorten angesichts von Umweltveränderungen zu optimieren oder das Potenzial der Terrassenlandschaft für andere Nutzungen, wie beispielsweise die Solarstromerzeugung, zu bewerten.
In weiteren Vorträgen auf dem HLRS-Symposium wurden andere Anwendungsbereiche für den Landschaftsschutz beleuchtet: Andreas Hänsler, Professor für Hydrologie an der Universität Freiburg, beschrieb die Arbeit seines Forschungsteams zur Verbesserung der Hochwasservorhersage nach Starkregenereignissen im Schwarzwald. Die Forschenden haben einen digitalen Zwilling entwickelt, der topografische, hydrologische und meteorologische Faktoren kombiniert. Damit wollen sie eine hochauflösende Echtzeit-Frühwarnung vor Sturzfluten erstellen, die potenzielle Sachschäden vorhersagen können.
Julian Frey, ebenfalls Professor an der Universität Freiburg, stellte einen Ansatz vor, bei dem digitale Zwillinge für die Waldbewirtschaftung eingesetzt werden. Mithilfe von Drohnen und Laserscannern erfasst sein Team hochauflösende Daten von Wäldern, die sowohl die Verteilung der Baumarten als auch weitere Informationen zu Trockenheit und Waldbrandgefahr enthalten. Der digitale Zwilling ermöglicht es ihnen, verschiedene Szenarien zu testen, um eine effizientere Planung der Waldbewirtschaftung unter sich ändernden klimatischen Bedingungen zu unterstützen.
Mit dem Fortschritt der Forschung im Bereich der digitalen Zwillinge werden immer umfangreichere, allgemeine Modelle zur Grundlage, auf der sich lokalere Simulationen aufbauen lassen. Wie Marvin Schmidt erläuterte, hat das Landesamt für Geoinformation und Landesentwicklung Baden-Württemberg einen digitalen Zwilling namens geoZwilling@bw entwickelt, der ein hochauflösendes digitales Modell des gesamten Bundeslandes bietet. Das Modell wird regelmäßig aktualisiert und bietet damit einen zuverlässigen Datensatz, der sich für die Entwicklung weiterer Simulationen oder für Szenariotests nutzen lässt.
Wie der Physiker Thomas Schwitalla von der Universität Hohenheim am HLRS erklärte, lassen sich mittels Supercomputern das Wetter und das Klima auf globaler Ebene und mit zunehmend hoher Auflösung simulieren. Wissenschaftler:innen können dank der Kombination von Daten zur Atmosphäre, zur Landtopografie, zu Ozeanen, Gewässern, Vegetation und anderen Merkmalen realistischere globale Wetter- und Klimamodelle und faktenbasierte Prognosen über die zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels entwickeln, und zwar bis hinunter auf die regionale und lokale Ebene. Dank dieser Informationen können Städte und Gemeinden sich besser auf ein wärmeres Klima einstellen und sich darauf vorbereiten.
Modelle sagen voraus, dass der Südwesten Deutschlands zu den Gebieten gehört, in denen in den kommenden Jahren mit einem deutlichen Temperaturanstieg zu rechnen ist. Aus diesem Grund arbeitet Bettina Joa aus dem Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald gemeinsam mit Forschenden der Universität Freiburg daran, Datensätze zu visualisieren, die Aufschluss darüber geben können, wie sich der Klimawandel auf die Region auswirken wird. Ein Schwerpunkt liegt auf der Ermittlung von Hitzeinseln, die wegen steigender Temperaturen noch verstärkt werden. In dem Projekt werden Strategien entwickelt, die die Luftzirkulation in der Landschaft verbessern und die Auswirkungen dieser Veränderungen abmildern könnten.
Neben den Chancen, die digitale Zwillinge für das Umwelt- und Klimamanagement bieten, wurden auf dem HLRS-Symposium auch einige technische Herausforderungen beleuchtet. Thomas Schwitalla nutzt beispielsweise für seine Wetter- und Klimasimulationen das MPAS-Modell, das über viele Jahre hinweg von einer Forschergemeinschaft für CPU-Systemarchitekturen entwickelt wurde. Der zunehmende Einsatz von GPU-Beschleunigern in modernen Supercomputern wie Hunter am HLRS verändert die Anforderungen an die Nutzung von Höchstleistungsrechnern. Dadurch könnte der Zugriff auf die enormen Rechenressourcen schwieriger werden. Diese Ressourcen sind erforderlich, um groß angelegte Simulationen durchzuführen und ihre Auflösung weiter zu verbessern. Die Teilnehmenden des Symposiums wiesen zudem auf die Notwendigkeit einer besseren Standardisierung und Koordinierung zwischen digitalen Zwillingen wie geoZwilling@bw hin, insbesondere zwischen den 16 Bundesländern. Obwohl klar war, dass die damit verbundene technische Herausforderung gewaltig sein würde, könnten verbesserte Rechen- und Datenspeicherkapazitäten die Modellintegration verbessern und so detailliertere und umfassendere Simulationen ermöglichen.
— Christopher Williams
Als Mitglied des Gauss Centre for Supercomputing ist das HLRS eines der drei Bundeshöchstleistungsrechenzentren.
