Digitale Zwillinge im Infrastrukturmanagement und Kommunen: Vision, Anwendungsbereiche, Umsetzungsschritte

Digitale Zwillinge gelten als vielversprechende Schlüsseltechnologie für die Digitalisierung, mit Blick auf öffentliche Infrastruktur, das Bauwesen und die Kommunalverwaltung. Sie eröffnen Bund, Ländern und Kommunen erhebliche Steuerungs- und Planungspotenziale – vom Infrastrukturmanagement über den Katastrophenschutz bis hin zur nachhaltigen Stadtentwicklung. Doch was umfasst das Konzept Digitale Zwillinge konkret? Warum werden Digitale Zwillinge in Deutschland nur zögerlich umgesetzt – welche Vorhaben existieren bereits? Was sind zentrale Handlungsfelder für die Implementierung Digitaler Zwillinge und welche übertragbaren Erfolgsansätze lassen sich identifizieren?

Ein Forschungsteam des interdisziplinären Think Tanks iRights.Lab hat diese und weitere Fragen im Rahmen des BMDV-geförderten Projekts “Digitale Zwillinge für Infrastruktur, Bau und Wohnen – von Theorie und Konzeption in die Praxis” untersucht. Es analysiert den Status quo der Umsetzung Digitaler Zwillinge in der Infrastruktur und Kommunen und identifiziert Handlungsfelder, Herausforderungen und Lösungsansätze. Die Erkenntnisse basieren auf einer systematischen Analyse von über 135 Praxis- und Forschungsprojekten Digitaler Zwillinge, einer umfassenden Deskresearch sowie Auswertung von 49 qualitativen Expert:inneninterviews. Ergänzend wurden vier öffentliche Fachveranstaltungen organisiert, und durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) ausgerichtet (siehe ergänzende Hinweise am Ende dieses Beitrags).
Im Ergebnis ist eine umfassende Studie mit einer praxisnahen Landkarte bestehender Anwendungen entstanden. Zudem dient ein Praxisleitfaden Umsetzer:innen Digitaler Zwillingsvorhaben, wie Kommunen und Infrastrukturbetrieben, als strukturierter Werkzeugkasten.
Die Erkenntnisse eröffnen für die öffentliche Verwaltung wichtige Perspektiven: Sie zeigen, dass Digitale Zwillinge kein Selbstzweck oder Standardprodukt sind, sondern Steuerungsinstrumente, die in bestehende Verwaltungslogiken und auf den jeweiligen Use Case zugeschnitten sein müssen, um ihr volles Potenzial zu entfalten.

Digitale Zwillinge: Mehr als Visualisierung

Digitale Zwillinge sind virtuelle, dynamische Abbildungen physischer Objekte, Prozesse oder Systeme. Sie basieren auf einer umfassenden Datenbasis meist vielfältiger Datenquellen und werden in Echtzeit aktualisiert. So ermöglichen sie nicht nur präzise Zustandserfassungen, sondern eröffnen etwa durch Simulations- oder Vorhersagefunktionen neue Möglichkeitsräume für vorausschauende und ressourceneffiziente Planung und Entscheidungsunterstützung im gesamten Lebenszyklus öffentlicher Infrastrukturen – beispielsweise von Brücken, Häfen, Schiene oder Smart Cities.

Digitale Zwillinge sind keine abgeschlossene Technologie, sondern ein offenes, dynamisches Konzept, dessen Umsetzung auf unterschiedlichen technologischen Komponenten basiert, darunter digitale Modelle, um physische Gegebenheiten zu simulieren sowie Sensoren, Datenplattformen und Anwendungen (vgl. Abb. 1).

Was in der Industrie 4.0, etwa in vollautomatisierten Produktionsstraßen, bereits seit vielen Jahren etabliert ist, findet in der Auseinandersetzung zur Verwaltungsmodernisierung und -digitalisierung zunehmend Gehör. Denn öffentliche Aufgaben und Daseinsvorsorge sind datenintensiv und komplex, dabei zunehmend bereichsübergreifend vernetzt und häufig auf langfristige Steuerung ausgelegt – ideale Bedingungen für den Einsatz Digitaler Zwillinge. Doch die Verwaltung ist kein Fabrikgelände; ihre Anforderungen sind spezifisch, ihre Umsetzungskontexte wie die gesellschaftlichen Bedarfe sind vielfältig und oft von Ermessensentscheidungen geprägt.

Funktionen Digitaler Zwillinge: Vom Monitoring bis zur automatisierten Entscheidungsfindung

Als virtuelle Abbilder physischer Objekte, Prozesse oder Systeme ermöglichen Digitale Zwillinge neue Wege der Datenintegration und -nutzung. Besonders für Infrastrukturen und in der Kommunalplanung bieten sie innovative Ansätze, um die Effizienz von Prozessen zu steigern, Ressourcen zu schonen und fachübergreifend die Zusammenarbeit zu fördern. Damit bieten sie Funktionalitäten, die weit über bestehende Konzepte und Lösungen im Bauwesen oder in der Stadtplanung, wie Building Information Modeling (BIM), geografische Informationssysteme (GIS) oder andere Digitale Modelle, hinausgehen.

Das Nutzenpotenzial Digitaler Zwillinge entfaltet sich stets kontextabhängig. Verantwortliche müssen daher vor der Umsetzung prüfen, ob der Einsatz eines Digitalen Zwillings im jeweiligen Anwendungsbereich und -fall (etwa Klimaanpassung im Stadtgebiet) der beste Lösungsansatz für die bestehenden Herausforderungen ist. Die Analyse zeigt, dass der übergreifende Nutzen Digitaler Zwillinge für Kommunalverwaltungen und Infrastrukturbetreiber insbesondere in folgenden Anwendungskontexten liegt:

• Optimierung von Bestandsobjekten und -bauwerken in ihrem gesamten Lebenszyklus, die durch fundiertere Entscheidungen auf Basis von Analyse- und Simulationsfunktionen möglich werden.
• Steigerung der Datenkonsistenz und -integration in bestehenden Prozessen und somit erhebliches Potenzial zur Ressourcenschonung.
• Verbesserung der externen Kommunikation mit Bürger:innen, aber auch organisationsintern zwischen (Verwaltungs-)Mitarbeiter:innen: komplexe Sachverhalte können sichtbar gemacht werden und dadurch Entscheidungsprozesse nachvollziehbarer gestaltet werden.

Demgegenüber lassen sich funktionsspezifische Nutzen differenzieren, zum Beispiel zur vorausschauenden Instandhaltung von Infrastrukturobjekten, die entlang eines Komplexitätsstufenmodells in sechs Stufen dargestellt werden können (vgl. Abb. 3).
Das Modell kann die Umsetzer:innen von Digitalen Zwillingsprojekten dabei unterstützen, klare Zielsetzungen für ihre Vorhaben zu definieren und im Sinne eines Baukastenprinzips die Entwicklungs- und Ausbaumöglichkeiten zu planen.

Einsatzbereiche Digitaler Zwillinge in Kommunen

Das Förderprojekt untersuchte digitale Zwillingsanwendungen in den Infrastrukturbereichen Straße, Wasserwege, Schiene, Bauwesen und Energieversorgung sowie in zahlreichen Kommunen. Denn: Kommunen sind zentrale Akteure in der Gestaltung, Steuerung und Resilienz öffentlicher Infrastrukturen.

Viele der untersuchten Zwillingsvorhaben betreffen Anlagen, deren Planung oder Betrieb in kommunaler Verantwortung liegt, wie Verkehrswege, Energieversorgung oder Bauleitplanung. Digitale Zwillinge ermöglichen den Verantwortlichen in Verwaltungen, diese Systeme nicht nur technisch zu überwachen, sondern auf unterschiedlichen Ebenen zu analysieren und strategisch zu steuern.

Die Auswertung zeigt: Die meisten Zwillingsanwendungen in Deutschland befinden sich aktuell noch in frühen Projektphasen, viele sind Pilotprojekte oder Prototypen. Am häufigsten werden Digitale Zwillinge derzeit zur Modellierung, Datenintegration und -visualisierung bestehender Objekte genutzt – beispielsweise von Brücken oder Energieanlagen – entsprechen also eher den niedrigen Komplexitätsstufen (vgl. Abb. 3). Dies ist sowohl durch unzureichende Ressourcen als auch durch bislang unzureichende Erfahrungswerte begründet, wie befragte Expert:innen erläutern.

Das volle Potenzial zeigt sich dort, wo Echtzeitdaten mit diesen Modellen verknüpft werden, um prädiktive Wartung, automatisierte Steuerung oder simulationsgestützte Planung zu ermöglichen, um Szenarien vorausschauend zu modellieren, zu simulieren und zu analysieren. Insbesondere in der vorausschauenden Instandhaltung sehen Expert:innen einen Hebel für Effizienzgewinne, Ressourcenschonung und eine nachhaltigere Infrastrukturentwicklung. Hier lassen sich bundesweit aktuell noch wenige Anwendungen identifizieren.

Besonders deutlich wird der Mehrwert für den Einsatz Digitaler Zwillinge in Kommunen in folgenden Bereichen:

• Krisenmanagement & Klimaanpassungen: Etwa bei der Hochwasservorsorge ermöglichen Digitale Zwillinge die Verknüpfung hydrologischer Modelle mit Echtzeitdaten von Pegeln, Wetterstationen und Notfallrückmeldungen. Behörden können so verschiedene Reaktionsszenarien, etwa zur Detektion von Hitzeinseln, simulieren und ihre Maßnahmen vorausschauender planen.
• Stadtentwicklung & Assetmanagement: Digitale Zwillinge können als dynamische Abbildungen urbaner Räume dienen. Durch eine erweiterte Datenbasis, etwa aus digitalen Beteiligungstools, lassen sich Auswirkungen – beispielsweise von Bebauungsplänen – auf Bevölkerung und Umwelt besser analysieren und in Entscheidungsprozesse einbeziehen. Zudem ermöglichen Digitale Zwillinge ein vorausschauendes Management öffentlicher Infrastrukturanlagen und Gebäude, wenn diese mit Sensorik und digitalen Modellen überwacht und Ausfälle oder Schäden frühzeitig erkannt werden.
• Verwaltungsmodernisierung: Auf einer übergeordneten Ebene lassen sich Prozesse, Zuständigkeiten und Datenflüsse innerhalb der Verwaltung im Sinne eines Smart-City-Dashboards selbst abbilden. Damit werden neue Formen der strategischen Steuerung, Prozessoptimierung und organisationsübergreifenden Zusammenarbeit denkbar.

Der zentrale Mehrwert, der übergreifend von befragten Expert:innen hervorgehoben wurde, liegt in der Verbesserung der Kommunikation und Interoperabilität: Durch Digitale Zwillinge wird eine sogenannte Single Source of Truth möglich, also ein zentrales System oder eine Datenquelle, die als einzige zuverlässige Referenz für alle relevanten Informationen dient, um Konsistenz und Genauigkeit in der Datennutzung zu gewährleisten. Damit bilden sie eine valide Grundlage, um Entscheidungsprozesse vorzubereiten. Die Daten stehen somit allen Beteiligten direkt im Digitalen Zwilling zur Verfügung, sodass idealerweise auch die Transparenz der Entscheidungsfindung erhöht wird.

Der Digitale Zwilling wird so zu einer übergreifenden Informationsplattform, die verschiedene Systeme und Anwendungen miteinander verbindet und ein Werkzeug für das Wissensmanagement darstellt. Angesichts der zunehmend vielschichtigen Anforderungen an die kommunale Planung äußern hier zahlreiche Befragte die Hoffnung, komplexe Zusammenhänge durch einen ausgereiften Digitalen Zwilling schneller verständlich zu machen und Entscheidungsfindungen besser vorzubereiten und zu begründen.

Von der Pilotierung zur Skalierung: Handlungsfelder und -empfehlungen für die Umsetzung

Ein zentrales Ergebnis des Projekts ist die Identifikation von acht Handlungsfeldern, die bereichsübergreifend besonders relevante Themenbereiche für die Umsetzung Digitaler Zwillingsvorhaben darstellen und daraus resultierende Empfehlungen für Umsetzungsverantwortliche. Dabei zeigt sich: Die größten Hürden bei der Implementierung liegen nicht in unzureichenden technischen Voraussetzungen, sondern in Organisation, (Data) Governance und Ressourcen. Kernherausforderungen und Gelingensbedingungen lassen sich in drei zentrale Handlungsfeldern mit beispielhaften Empfehlungen kondensieren (vgl. für umfassende Analyse Kapitel 5 der Studie):

1. Zielsetzung und Rahmenbedingungen schaffen:

Grundlage für die Planung und Einführung Digitaler Zwillinge ist ein Konsens über dessen Definition und Zielsetzung. Auf dieser Basis spezifizieren Umsetzer:innen den konkreten Anwendungsfall und das Funktionsspektrum des Digitalen Zwillings. Dies umfasst unter anderem die Evaluation alternativer Ansätze, die Bestimmung der Zielgruppe, frühzeitiges Erwartungsmanagement zwischen den Projektbeteiligten und die Prüfung bestehender Organisationsprozesse und -strukturen.

• Anforderungen und Funktionsspektrum spezifizieren: Klar definierte und im Umfang begrenzte Pilotvorhaben bieten eine lernfreundliche Umgebung und ermöglichen es, strukturelle und prozessuale Anforderungen wie Datenaggregation und Schnittstellenmanagement zu testen. Eine schrittweise Erweiterung des Anwendungsfalls bewährt sich gegenüber eines anfänglich zu umfangreichen Anwendungsspektrums des Zwillingsvorhabens.
• Organisatorische Voraussetzungen schaffen: Die frühe Einbindung relevanter Akteur:innen, Veränderungsbereitschaft und Fehlertoleranz in Prozessen und Strukturen sowie Ressourcen und Kompetenzen für das Projektmanagement sind zentral.
• Operative Umsetzung: Die Planung muss sich an den tatsächlichen Nutzer:innengruppen orientieren – in vielen Fällen also Verwaltungsmitarbeiter:innen ohne spezifischen technischen Hintergrund. Maßgeblich ist auch das Zusammenwirken technischer, rechtlicher, organisatorischer und fachlicher Expertisen und die dauerhafte Institutionalisierung solcher Co-Design-Prozesse.
• Personelle Ressourcen und Kompetenzaufbau sicherstellen: Die erfolgreiche Umsetzung Digitaler Zwillinge setzt die notwendigen personellen Ressourcen, Kommunikationswege und Kompetenzen in den Organisationen voraus. Projektverantwortliches Personal und weitere Mitarbeiter:innen müssen entsprechend geschult und weitergebildet werden.

2. Daten und Technik:

Infrastrukturen auf- und ausbauen: Im Planungs- und Umsetzungsprozess Digitaler Zwillinge befassen sich die Verantwortlichen frühzeitig mit der Schaffung und Verwaltung einer Vielzahl von Datenquellen, der Verarbeitung und Speicherung von Daten sowie der Vielfalt technischer, am Markt verfügbarer Komponenten.

• Datenlage systematisch prüfen: Ein Digitaler Zwilling steht und fällt mit der Datenbasis. Eine initiale Dateninventur schafft Transparenz über verfügbare Daten, deren Qualität und -formate. Die Identifikation, Erschließung und Standardisierung weiterer Datenquellen bricht Datensilos auf und legt die Grundlage für konsistente, interoperable Datenflüsse.
• Governance-Strukturen für Daten und Infrastruktur mitdenken: Die in das Projekt eingebundenen Organisationen modernisieren ihre technische Infrastruktur und ergänzen sie um Data-Governance-Strukturen. Die Auswahl offener Standards, Sicherheitsanforderungen und skalierbarer Systeme ist ebenfalls eine wesentliche Grundvoraussetzung. Sie setzen sich damit auseinander, welche Hardware- und Softwarelösungen nicht nur im konkreten Vorhaben, sondern auch langfristig eingesetzt werden können, und schaffen die Voraussetzungen für den Austausch und die Analyse von Daten. Die erarbeitete Data-Governance-Struktur legt über das Projekt hinaus klare Richtlinien, Standardisierungsprozesse und Verantwortlichkeiten für den Umgang mit Daten fest.

3. Rechtlicher und digitalethischer Rahmen – Compliance umsetzen:

Eine rechtssichere Datennutzung und die Berücksichtigung digitalethischer Herausforderungen bei der Umsetzung Digitaler Zwillinge sind wesentlich.

• Rechtslage systematisch analysieren: Die umsetzenden Stellen informieren sich umfassend über die geltenden Rechtsnormen in Bezug auf Datennutzung und -bereitstellung für das konkrete Zwillingsvorhaben.
• Risiken identifizieren und Partizipationsformate aufsetzen: Potenziell betroffene Personengruppen werden identifiziert und digitalethische Herausforderungen – etwa anhand bestehender Leitfäden – systematisch erfasst. Beteiligungsformate ermöglichen den Verantwortlichen Perspektiven der Betroffenengruppen und von Fachleuten zu erfassen und strukturiert einzubeziehen.
• Ergebnisse evaluieren und teilen: Projekterkenntnisse sollten systematisch evaluiert, gesichert und in skalierbare Prozesse überführt werden. Eine offene Kommunikation gegenüber anderen Organisationen und der Fachöffentlichkeit fördert Nachnutzung, Akzeptanz und trägt zur Etablierung übertragbarer Standards bei. Dies gilt gleichsam für die Dokumentation und das Monitoring der identifizierten Risiken, um die Wirksamkeit der umgesetzten Maßnahmen regelmäßig zu überprüfen.

Ausblick: Ein Ökosystem für Digitale Zwillinge

Für den Erfolg Digitaler Zwillinge erweist es sich als essenziell, langfristig zu planen und die bundesweite Vernetzung der Anwendungsakteure sowie der Forschungs- und Praxisprojekte zu fördern. Ziel sollte es sein, innerhalb der Bundesrepublik ein umfassendes Ökosystem Digitaler Zwillinge im Sinne eines Kompetenznetzwerks aufzubauen, das das Know-how und die Anforderungen der verschiedenen Bereiche zusammenführt. Gemeinsame Grundlagen wie ein geteiltes Verständnis Digitaler Zwillinge und ihrer technischen Komponenten könnten sukzessive mit bereichsspezifischem Wissen, etwa zu Urbanen Digitalen Zwillingen oder Infrastrukturzwillingen, kombiniert und verfügbar gemacht werden, sodass ein breites Spektrum an Anwender:innen von den Grundlagen profitiert. Zugleich ist eine Verknüpfung mit dem gesamten Datenökosystem wesentlich für das Heben der möglichen Potenziale und die Entfaltung der intendierten Wirkungen einzelner Digitaler Zwillinge.

Ergänzende Hinweise:

Die Erkenntnisse der Projektarbeit wurden parallel zur Erarbeitung der Publikationen in vier durch das BMDV ausgerichtete Onlineveranstaltungen mit dem Fachpublikum und der interessierten Öffentlichkeit diskutiert:

• Auftaktveranstaltung „Digitale Zwillinge in der Infrastruktur – Potenziale, Anwendungsbeispiele, Handlungsanleitungen“, 19. Sept. 2024
• Kommunen-Workshop „Austausch und Empfehlungen: Digitale Zwillinge in der kommunalen Praxis“, 12. Nov. 2024
• Fachforum I „Data-Governance-Prozesse für Digitale Zwillinge“, 10. Dez. 2024
• Fachforum II „Standards und Richtlinien für Digitale Zwillinge“, 10. Dez. 2024

Weiterführende Informationen bieten die Studie Digitale Zwillinge für Bau, Infrastrukturmanagement und -betrieb: Chancen, Anwendungsbereiche, Umsetzungsoptionen sowie der Praxisleitfaden Digitale Zwillinge im Infrastrukturmanagement und -betrieb in Kommunen planen und umsetzen.