Digital Twin Railway: die Zukunft des Eisenbahnmanagements

Die Technologie der digitalen Zwillinge revolutioniert auch den Eisenbahnsektor und bietet neue Lösungen für die Planung, den Bau und die Wartung von Infrastrukturen. Diese fortschrittlichen virtuellen Modelle könnten jedoch ihr volles Potenzial nicht ausschöpfen, ohne die Einführung internationaler Standards wie das IFC (Industry Foundation Classes)-Format, das die Interoperabilität und Konsistenz der Daten über die verschiedenen Phasen des Lebenszyklus der Infrastruktur hinweg gewährleistet. Insbesondere die Entwicklung von Erweiterungen wie IFC Rail geht auf die spezifischen Bedürfnisse des Eisenbahnsektors ein und sorgt für eine effizientere und skalierbare Datenverwaltung.

Dieser Artikel untersucht die Anwendungen von digitalen Zwillingen im Bereich der Eisenbahnen, mit besonderem Augenmerk auf ihre Auswirkungen auf die operative Effizienz, Sicherheit und die Optimierung der Wartung während des gesamten Lebenszyklus.

Wenn Sie Ingenieur, Architekt oder, Fachplaner im Bauwesen sind und sich für GIS- und BIM-Technologien interessieren, wird Ihnen dieser Leitfaden einen umfassenden Überblick über das Thema geben und Ihnen die Werkzeuge von Digitale Twins Softwares vorschlagen, die Sie nutzen können, um mit der Innovation Schritt zu halten.

Was ist ein Digital Twin im Eisenbahnsektor?

Ein digitaler Zwilling ist ein 3D-Modell, das ein bestehendes Modell treu und realistisch nachbildet. Was ist sein Zweck? Er wird erstellt, um den gesamten Lebenszyklus des Gutes von der Planung an zu verwalten, wenn es noch nicht realisiert ist, bis zu seiner Demontage am Ende seines Lebenszyklus.

Das Konzept des digitalen Zwillings Eisenbahn bezieht sich auf eine virtuelle Nachbildung einer Eisenbahninfrastruktur oder eines damit verbundenen Vermögenswerts. Diese virtuelle Darstellung wird in Echtzeit mit Daten aus der physischen Infrastruktur aktualisiert, was eine kontinuierliche Überwachung und fortgeschrittene Simulationen ermöglicht. Die kombinierte Nutzung von GIS- und BIM-Technologien ermöglicht ein ganzheitliches Management der Infrastrukturen und erleichtert die Planung und Wartung des gesamten Eisenbahnsystems, auch wenn es sich um sehr weitläufige lineare Infrastrukturen handelt.

Navigation des digitalen Zwillings des Eisenbahnmodells

Vorteile von digitalen Zwillingen im Eisenbahnwesen

Sehen wir nun die Vorteile, die mit der Implementierung im Bereich der Eisenbahninfrastruktur verbunden sind.

• Optimierung der Wartung
  Einer der Hauptvorteile der Nutzung von digitalen Zwillingen im Eisenbahnsektor ist die Möglichkeit, die Bedingungen der Assets kontinuierlich zu überwachen. Dies ermöglicht die vorausschauende Wartung, wodurch die Betriebskosten gesenkt und unerwartete Ausfälle verhindert werden, was die überflüssigen Ausgaben erheblich reduziert​.
• Verbesserung des Entwurfs
  Dank 3D-Modellen und Simulationen bieten digitale Zwillinge die Möglichkeit, ein Projekt vor seiner physischen Umsetzung zu visualisieren und zu testen. Während der Planungs- und Bauphase sind digitale Zwillinge unerlässlich, um verschiedene Szenarien zu simulieren und die Auswirkungen von Planungsentscheidungen zu bewerten. Dieser Ansatz reduziert nicht nur die Kosten, sondern ermöglicht es auch, mögliche Probleme vor Beginn der Arbeiten zu lösen. Ein erfolgreiches Beispiel ist das Projekt zur Erneuerung der Eisenbahnsignalisierung in Bristol, bei dem die Verwendung eines digitalen Modells die Planungszeiten erheblich verkürzt hat.
• Betriebliche Effizienz
  Die Integration von Echtzeitdaten aus verschiedenen Quellen ermöglicht eine effizientere Verwaltung von Ressourcen und Eisenbahnbetrieb. Digitale Zwillinge bieten einen umfassenden Überblick über die Aktivitäten und verbessern die Koordination zwischen den verschiedenen operativen Abteilungen​.
• Verbesserte Sicherheit
  Die kontinuierliche Überwachung der Infrastruktur durch digitale Zwillinge ermöglicht es, potenzielle Risiken in Echtzeit zu identifizieren und anzugehen. Zum Beispiel kann die Verwendung einer digitalen Zwillingstechnologie die Integration von Objekten in das Modell vorsehen, die entlang der Gleise erkannt werden und die Durchfahrt von Zügen beeinträchtigen könnten, wodurch die Sicherheit verbessert wird​. Darüber hinaus ermöglicht die Erstellung des 3D-Modells der Infrastruktur die Durchführung von Schulungsprogrammen für die Betreiber (Wartungspersonal, Techniker, Bauarbeiter usw.) direkt in 3D, wobei die Verwendung von VR-Technologie integriert wird. Dies stellt ein wichtiges Szenario sowohl für die Sicherheit der Arbeiter während der Arbeiten als auch für die Sicherung der Infrastruktur im Falle unvorhergesehener Ereignisse dar. Um dieses Thema weiter zu vertiefen, lesen Sie auch Virtual Reality Training: Die Risiken der Baustelle durch VRi kennen und verwalten.
• Überwachung und operationale Simulationen
  Digitale Zwillinge werden verwendet, um die Bedingungen von Zügen und Fahrzeugen, die für den Schienenverkehr eingesetzt werden, in Echtzeit zu überwachen und deren Verwaltung zu optimieren. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion auf mögliche Probleme und gewährleistet, dass die täglichen Operationen reibungslos ablaufen. Der Einsatz von digitalen Zwillingen zur Simulation verschiedener operationale Szenarien ist eine wertvolle Ressource für die Schulung des Personals und für das Testen neuer Szenarien. Zum Beispiel kann die Integration mit KI-Systemen darauf abzielen, Szenarien für das automatisierte Fahren zu simulieren​.

BIM, GIS und IFC: Der Schlüssel zur Verwaltung komplexer Eisenbahn-Infrastrukturen

Die Eisenbahn-Infrastruktur ist aufgrund ihrer Beschaffenheit sehr weitläufig. Wir haben es also mit großen Modellen zu tun, deren Verwaltung eng mit dem Umweltkontext verbunden ist, in dem die Infrastruktur eingebettet ist.

Aus diesem Grund ist die Verwaltung des BIM-Modells einer Eisenbahn notwendigerweise auch mit dem GIS verbunden.

Um sicherzustellen, dass diese Integrationen interoperabel und skalierbar sind, ist es unerlässlich, auf internationale Standards wie das IFC-Format (Industry Foundation Classes) zurückzugreifen, das es ermöglicht, komplexe Daten im openBIM-Rahmen zu modellieren und zu teilen.

Unter den bedeutendsten Entwicklungen des IFC-Formats stellt IFC Rail eine spezifische Unterkategorie dar, die sich auf die einzigartigen Bedürfnisse des Eisenbahnsektors konzentriert. Dank dieser Erweiterung ist es möglich, grundlegende Elemente der Eisenbahn-Infrastruktur detailliert zu beschreiben, wie Schienen, Weichen, Schwellen und andere strukturelle Komponenten, wodurch die Konsistenz und Qualität der geteilten Informationen verbessert wird.

IfcRailDomain: der Standard, der den Eisenbahn-Entwurf umwandelt

Ein entscheidender Aspekt von IFC Rail ist das IfcRailDomain-Schema, das entwickelt wurde, um die Besonderheiten des Eisenbahnsektors zu adressieren, die in den allgemeinen IFC-Schemas keinen Platz finden. Dieses Schema ermöglicht eine detaillierte und standardisierte Beschreibung der wichtigsten Komponenten und fördert eine bessere Verwaltung des Lebenszyklus von Eisenbahn-Infrastrukturen.

Hier sind die wichtigsten Stärken des IfcRailDomain:

• Spezialisierte Elemente für die Schienen: Es definiert Komponenten wie Schwellen, Weichen und Kreuzungen und gewährleistet eine präzise Darstellung der Eisenbahn-Infrastruktur.
• Klassifizierung der Schienen: Es unterstützt die Identifikation und Modellierung verschiedener Schienentypen und sorgt für eine präzise Führung von Fahrzeugen und Maschinen.
• Räumliche Strukturen für Eisenbahnprojekte: Es organisiert Eisenbahn-Infrastrukturen in räumliche Hierarchien, was die Verwaltung komplexer Projekte vereinfacht.

Die Einführung des IfcRailDomain ermöglicht es Fachleuten im Eisenbahnsektor, fortschrittliche digitale Modelle mit Echtzeit-Überwachungssystemen zu integrieren, was die Planung, Wartung und den Betrieb verbessert. Dieses Schema stellt ein essentielles Werkzeug für die Integration von BIM-, GIS- und Digital-Twin-Technologien im Kontext moderner Eisenbahnen dar.

Ein Anwendungsfall der Integration von GIS und BIM für digitale Zwillinge im Eisenbahnsektor

Aber wie wird die Integration zwischen BIM, GIS und digitalen Zwillingen in einem Szenario für eine Eisenbahn-Infrastruktur praktisch umgesetzt?

Es ist die Verwendung spezieller Softwares für Digital-Twins erforderlich.

Um mehr zu erfahren, hier ein Video, das klar und detailliert zeigt, wie GIS-, BIM- und digitale Zwillings-Technologien integriert werden können, um eine fortschrittliche Verwaltung von Eisenbahn-Infrastrukturen zu erreichen. Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht die Erstellung einer vollständigen und detaillierten räumlichen Ansicht, dank der Föderation zwischen einer Punktwolke, die durch Laserscanning erzeugt wurde, und dem bestehenden BIM-Modell der Eisenbahn, das genau aus der Punktwolke modelliert wurde. Das BIM-Modell enthält neben den geometrischen Informationen auch eine Reihe von Eigenschaften und Informationen, die vom Benutzer je nach Bedarf eingegeben werden und direkt aus der Plattformumgebung abgerufen werden können.

Die Verwendung dieser Plattform ermöglicht es, in einer einzigen digitalen Umgebung alle Informationen der openBIM-Objekte anzuzeigen, die in Echtzeit dank der Verwendung der Common Data Environment (CDE) aktualisiert werden.

Zu den Hauptvorteilen der Lösung gehört die Möglichkeit, Fotos, Dokumente und Daten direkt in die Punktwolke und das BIM-Modell zu integrieren, wodurch alle relevanten Informationen für die Verwaltung der Infrastruktur leicht zugänglich sind. Darüber hinaus können die Benutzer das Eisenbahnnetz direkt über einen Browser überwachen, ohne dass komplexe Softwares erforderlich sind, was die Schnelligkeit und Effizienz bei der Kontrolle und Wartung verbessert.

Ein weiterer Vorteil ist die Integration der immersiven Virtual Reality (VRI), die es ermöglicht, eine vollständig realistische Erfahrung der Eisenbahn zu erleben. Die Benutzer können das 3D-Modell navigieren, Objekte auswählen, um die Eigenschaften und zugehörigen Daten zu konsultieren, und sogar das Fahren eines Zuges simulieren, mit einer realistischen Sicht auf die Strecke und die Infrastruktur. Diese Kombination aus BIM, GIS und VRI bietet ein leistungsstarkes Werkzeug zur Optimierung der Planung, Verwaltung und Wartung von Eisenbahnen, wodurch Zeit und Betriebskosten gesenkt werden.

Im Video werden die Hauptfunktionen der Lösung dargestellt:

• Georeferenzierung der Punktwolke der Eisenbahn auf einer GIS-Karte;
• Föderation zwischen der Punktwolke und dem BIM-Modell der Eisenbahn;
• Navigierung des 3D-Modells der Infrastruktur;
• Visualisierung der detaillierten Informationen zu den Objekten des Modells;
• Konsultation der Eigenschaften der Objekte und der zugehörigen Daten des 3D-Modells;
• Immersive Navigation in Virtual Reality der GIS-Karte, des BIM-Modells im IFC-Format und der Punktwolke.

Diese Lösung stellt eine grundlegende Innovation dar, um die Effizienz und Sicherheit des Eisenbahnbetriebs zu verbessern.