Was ist intelligente Infrastruktur?

Der Begriff bezieht sich auf intelligente Automatisierungssysteme, bei denen fortschrittliche Hardware und Software zusammen intelligente Entscheidungen in Echtzeit treffen. Intelligente Infrastruktur kombiniert Sensoren, IoT-Geräte (Internet of Things), BIMs (Building Information Models), Echtzeit-Datenanalysen und andere anwendungsspezifische Technologien, um physische Infrastruktur zu überwachen und deren Leistung zu optimieren.

Dank dieser intelligenten Funktionen wird physische Infrastruktur effizienter, leistungsfähiger und arbeitet emissionsärmer. Beispiele für intelligente Infrastruktur in der Gesellschaft sind das öffentliche Verkehrswesen, das Stromnetz, Versorgungsunternehmen, intelligente Gebäudetechnik und Smart-City-Infrastrukturen.

Die Fähigkeiten von intelligenter Infrastruktur sind nur aufgrund ihrer grundlegenden Bausteine möglich. Dazu gehören die folgenden Elemente:

Sensoren

Sensoren sind der Eckpfeiler intelligenter Infrastruktur. Von einfachen Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren bis hin zu fortschrittlichen IoT-Sensoren erfassen sie die Daten zu ihrer Umgebung. Ohne diese Daten wäre das größere intelligente Technologiesystem nicht in der Lage, Entscheidungen in Echtzeit oder fundierte Entscheidungen zu treffen, da es keine Kenntnis von seiner Umgebung hätte.

Neben herkömmlichen Sensoren werden bildgebende Kameras eingesetzt, um Videos aufzuzeichnen, Geräte und Anlagen zu erkennen sowie Objekte in einer Umgebung zu verfolgen. Diese Kameras können im Freien an Masten, in Innenräumen an Wänden oder auch an Drohnen, Satelliten oder anderen Fluggeräten angebracht werden, um Infrastruktur im großen Maßstab zu überwachen. Während herkömmliche Sensoren umweltbedingte Stimuli erfassen, liefern bildgebende Kameras eine Bilddarstellung der Umgebung.

Drahtlose Kommunikation

Intelligente Infrastruktur ist von sämtlichen Hardware- und Softwarekomponenten abhängig, die in Echtzeit miteinander kommunizieren. Ohne effiziente Kommunikationstechnologien wäre intelligente Infrastruktur (und intelligente Technologie im Allgemeinen) nicht möglich. Drahtlose Netzwerke werden heutzutage über 5G-Mobilfunkverbindungen gesteuert, die Sensoren, bildgebende Kameras und IoT-Geräte mit zentralen Steuerungssystemen für die Software-Analyse verbinden.

Building Information Models

BIMs erstellen 3D-Modelle von Gebäuden, Versorgungseinrichtungen oder Verkehrsumgebungen, indem geometrische Daten mit den Konstruktionseigenschaften für die beabsichtigte Infrastruktur (Materialdaten, Kosten usw.) kombiniert werden. Die in BIM enthaltenen Daten ermöglichen eine Überwachung in Echtzeit sowie Arbeiten zur vorausschauenden Wartung, um Infrastruktur sicherer und nachhaltiger zu gestalten sowie optimal zu platzieren.

BIMs sind zwar keine neuen Technologien, wurden aber in den letzten Jahren weiterentwickelt. Sie bieten mittlerweile mit digitalen Zwillingen mehr Informationen über den Lebenszyklus von physischer Infrastruktur sowie deren Alterungsprozesse und optimalen Betrieb.

Realitätsaufnahme und Kartierung mit geografischen Informationssystemen

Durch die Kombination von BIMs und Lösungen für die Realitätsaufnahme und Kartierung wie Laserscannen oder Photogrammetrie mit Geoinformationssystemen (GIS) lassen sich Umgebungsinformationen mit mehr Kontext ergänzen. Dies verbessert die Entscheidungsfindung des Systems mit einem Standort- und Kontextbezug und sorgt für mehr Präzision und Effizienz. Beispiele für Informationen, die sich mit GIS kontextualisieren lassen:

• Standorte von zukünftigen Gebäuden auf Grundlage von Gelände- und Höhendaten
• für Gebäudeinfrastruktur zu verlegende Arten von Versorgungsleitungen und Transportnetzen

Diese kontextbezogenen Informationen sind wichtig, da dies die Bestimmung von geografischen und ökologischen Faktoren vor dem Bau von Infrastrukturstruktur vereinfacht. Werden nach Baubeginn Einschränkungen bei der Bebauung oder Probleme mit Versorgungsanschlüssen offensichtlich, ist es viel schwieriger und kostspieliger, solche Planungsprobleme im Nachhinein zu beheben.

Heute gibt es viele Arten intelligenter Infrastruktur, die alle unterschiedliche Technologien zur Überwachung und Optimierung ihrer Platzierung und des täglichen Betriebs verwenden. Sehen wir uns einige Haupttypen an:

Intelligente Stromnetze

Intelligente Stromnetze verändern die Art der Energieerzeugung und des Energiemanagements durch Stromnetze. Durch Digitalisierung werden Stromnetze energieeffizienter, nachhaltiger und verbrauchen weniger Energie. Außerdem wird dadurch eine engere Vernetzung des gesamten Energie-Ökosystems möglich. Viele alte Stromnetze sind nur zur unidirektionalen Kommunikation zwischen Energieversorgern und Verbrauchern fähig. Intelligente Stromnetze hingegen ermöglichen bidirektionale Kommunikation. Darüber hinaus verfügen diese intelligenten Netze über mehrere Sensoren und IoT-Geräte (bei Altausrüstung nachrüstbar), um Energielasten aus dezentraler Energieerzeugung zu verwalten. Zur dezentralen Energieerzeugung gehören erneuerbare Energiequellen und Elektrofahrzeuge, die intermittierend und örtlich begrenzt Energie zuführen bzw. entnehmen.

Dezentrale Steuerungssysteme verbessern den Energiefluss in Spitzenzeiten durch Echtzeit-Erfassung und -Überwachung von Anlagen im Netz. Dies erleichtert die Vorhersage von Ausfallzeiten, schnelle Erkennung von Stromausfällen und Fehlern in Übertragungsleitungen (ohne manuelles Eingreifen), schnellere Wiederherstellung der Stromversorgung nach einem Ausfall sowie die Integration erneuerbarer Energien ins Netz.

Bei Lastbedarf können intelligente Stromnetze von Elektrofahrzeugen und anderen Energieverbrauchern verursachte lokale Spitzen identifizieren. Außerdem können intelligente Stromnetze erkennen, ob zu viel Energie aus erneuerbaren Quellen ins Stromnetz fließt und dadurch lokale Engpässe bei Übertragungsleitungen entstehen. Durch die Beobachtung der Laständerung in Echtzeit kann die Leistung umgeleitet werden, um das Übertragungsnetz zu optimieren und entweder die Stromversorgung von einer Leitung zu trennen oder je nach Lastanforderungen Leistung hinzuzufügen, damit es nicht zu lokalen Stromengpässen kommt.

Intelligente Verkehrsmanagementsysteme

Verkehrsmanagementsysteme sind ein weiteres Beispiel für intelligente Infrastruktur. Diese Systeme werden nach Uhrzeit oder vordefinierten Zeitfenstern gesteuert und regeln rund um die Uhr die Ampelschaltung auf Grundlage des erwarteten Verkehrsaufkommens. Der Verkehrsfluss variiert jedoch täglich und bei Unfällen kann dies die Verkehrsdynamik vollständig verändern. Um unerwarteten Situationen gerecht zu werden, verfügen intelligente Verkehrsmanagementsysteme über erweiterte Planungsfunktionen für eine dynamische Verkehrssteuerung in Echtzeit.

Dank einer Kombination aus modernen Kameras, Antennen zur Fahrzeugzählung bei jedem Halt und fortschrittlichen Algorithmen lassen sich die Signale dynamisch anpassen, um den Verkehrsfluss zu optimieren. Dies trägt auch zur Sicherheit von Fußgängern bei, da die Zeit zur Überquerung von Straßen angepasst werden kann.

In Zukunft könnte es auch möglich sein, Echtzeit-Verkehrssensorsysteme in autonome Fahrzeuge zu integrieren, so dass Fahrzeuge und Verkehrssignale miteinander kommunizieren. Dies könnte Teil eines umfassenderen intelligenten Verkehrssystems und Smart-City-Umgebungen sein, in denen alles noch stärker vernetzt ist als bei heutigen intelligenten Systemen.

Intelligente Wasserwirtschaftssysteme

Intelligente Wasserwirtschaftssysteme sind ebenfalls ein wichtiges Element intelligenter Infrastruktur. Solche Systeme können zur Lösung zahlreicher Probleme bei der Wasserversorgung und Wartung bestehender Rohrleitungsinfrastruktur eingesetzt werden. Sensoren dienen derzeit in Versorgungsunternehmen zur rechtzeitigen Erkennung möglicher Probleme, bevor diese größeres Ausmaß annehmen. Intelligente Wasserwirtschaftssysteme können eingesetzt werden, um:

• mögliche Lecks zu erkennen (und präzise zu verorten) und zu reparieren, damit sich Schäden in Grenzen halten und Verbraucher schneller wieder Wasser erhalten,
• den pH-Wert, die Trübung und Verunreinigungen in Rohren zu messen, um die Trinkwasserqualität zu gewährleisten oder
• durch Messen der Wasserqualität Pumpenausfälle und Filterverstopfungen zu erkennen.

Intelligentes Gebäudemanagement

Die nächste Gebäudegeneration mit integrierter fortschrittlicher Sensortechnologie wird geringere Umweltauswirkungen haben. Diese Gebäude werden dank intelligenter Technologien, die die interne Umgebung anhand der Belegung bestimmter Räume im Gebäude überwachen, energieeffizienter sein. Von der automatischen Beleuchtungssteuerung über die Anpassung von HLK-Einstellungen zur Steuerung von Luftqualität und Luftfeuchtigkeit bis hin zur Messung der Innentemperatur und des CO2-Gehalts schaffen intelligente Gebäude zudem eine komfortablere Wohnumgebung und höhere Lebensqualität für die Bewohner*innen.

Im Objektbetrieb können intelligente Überwachungssysteme auch sicherstellen, dass alle Aspekte des Gebäudes – Aufzüge, Pumpen und elektrische Systeme – jederzeit funktionieren. Zudem können die Systeme Programme für vorausschauende und vorbeugende Wartung planen, um unerwartete Ausfallzeiten zu vermeiden.

Wie jede neue Technologie gibt es immer Vorteile und Einschränkungen bei der Umsetzung und Verwendung.

Die Vorteile von Technologien für intelligente Infrastruktur sind:

• höhere Effizienz durch geringere Verschwendung und weniger Abfall sowie Verbesserung der Systemleistung
• geringere Lebensdauerkosten durch ein optimiertes Energie-, Betriebs- und Wartungsmanagement, was die Lebensdauer von Systemkomponenten und Geräten verlängert
• größere Nachhaltigkeit durch Verringerung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen
• höhere Ausfallsicherheit von Systemen durch fortschrittlichere Prognosefunktionen
• bessere Echtzeit-Überwachung und -Wartung von Anlagen mit schnelleren Korrekturmaßnahmen bei Problemen
• höhere Infrastruktursicherheit

Andererseits hat die heutige Technologie für intelligente Infrastruktur einige Grenzen wie:

• Hohe Vorlaufkosten für IoT-Sensortechnologien, die die Bereitstellung in großem Umfang erschweren und wodurch sich nur finanzstarke Gemeinden die technologischen Vorteile leisten können. Bis die Kosten sinken, könnte dies zu Unterschieden in der Infrastruktur zwischen Wohnvierteln führen und womöglich soziale Probleme anheizen.
• Wenn sich alle Daten in der Cloud befinden, wird die Technologie anfällig für Cyberangriffe. Bis standardisierte Komponenten mit robusten Cybersicherheitsprotokollen durchgängig verwendet werden, stellen mehrere potenzielle Zugangsknoten, die über ein digital verbundenes Netzwerk kommunizieren, immer ein Cyberrisiko dar.
• Möglich ist auch, dass die Gesellschaft die Technologie wegen Datenschutzbedenken ablehnt und eine umfassende Skalierung erst möglich ist, wenn soziale und technologische Herausforderungen bewältigt wurden.

Sehen wir uns unterschiedliche Arten von Simulationssoftware und ähnlicher Software an, die die Entwicklung und Implementierung verschiedener intelligenter Infrastrukturen vorantreiben.

Simulation von intelligenten Stromnetzen

Simulationssoftware hilft bei der Gestaltung fortschrittlicherer intelligenter Stromnetze von der Komponenten- bis zur Systemebene. Im Folgenden finden Sie einige Beispiele für Simulations-Tools:

Der erweiterte Solver für elektromagnetische Felder Ansys Maxwell: Dieses Elektromagnetik-Tool wird zur Konstruktion von Transformatoren, Schaltgeräten und anderen Leistungselektronik-Geräten verwendet, die in intelligenten Stromnetzen verwendet werden. Damit lässt sich der thermische Wirkungsgrad, die Stromstärke und der durch die Komponente fließende Strom untersuchen, um eine hohe Leistung zu gewährleisten.

Die Simulationssoftware Ansys Icepak für Elektronikkühlung: Diese thermische Simulationssoftware bewertet die Leistung von Komponenten in verschiedenen Temperaturumgebungen. Von Leistungselektronik, die durch hohe Stromstärke viel Wärme erzeugt, bis hin zu Geräten und Anlagen, die lange Zeit der Sonne ausgesetzt sind, kann die Software Icepak untersuchen, wie sich Komponenten bei Stoßspitzen verhalten, um deren Überhitzung zu vermeiden.

Die simulationsbasierte Plattform Ansys Twin Builder für digitale Zwillinge und die KI-gestützte Software Ansys TwinAI für digitale Zwillinge: Diese Softwaresysteme erstellen digitale Zwillingsumgebungen, die das intelligente Stromnetz-System auf Gesamtumgebungsebene betrachten. Damit lässt sich der gesamte Steuerungssystem-Algorithmus für das Stromnetz entwerfen. Dies ermöglicht die Bestimmung der Verschlechterung von Komponenten, möglicher Fehler, Wartungszyklen sowie der optimalen Position und Leistung der vielen Sensoren, die im intelligenten Stromnetz eingesetzt werden. Digitale Zwillinge bauen eine virtuelle Umgebung des physischen Netzes auf und können dann viele denkbare Betriebsszenarien anhand von Echtzeitdaten aus den physischen Ressourcen untersuchen.

Simulation von intelligenten Verkehrsmanagementsystemen

Sensoren und Kameras für intelligente Verkehrssysteme werden an Masten montiert und müssen langlebig sein, um Witterungseinflüssen wie Wind und thermischen Belastungen standzuhalten, die im Laufe der Zeit zu Abnutzungserscheinungen führen. Unabhängig davon, ob optische Kameras, Wärmebildkameras oder normale Bildverarbeitungskameras eingesetzt werden, erfasst die Software Ansys Mechanical für strukturelle Finite-Elemente-Analyse die Verschlechterungsdaten dieser Systeme und simuliert, wie sie sich im Lauf der Zeit sowie bei widrigen Witterungsbedingungen wie Nebel und Regen verhalten.

Die Ansys SCADE Suite, die modellbasierte Entwicklungsumgebung für kritische eingebettete Software, hingegen simuliert die der Steuerungssystem-Überwachung zugrunde liegende eingebettete Software. Damit lässt sich sehen, wie die Kameradaten in das Echtzeit-Steuerungssystem eingespeist werden und wie die beiden Technologien miteinander kommunizieren. Dies hilft bei der Identifizierung und Erfassung aller potenziellen Grenzfälle in Verkehrsmanagementsystemen.

Simulation von intelligenten Wasserwirtschaftssystemen

Die Software Ansys Fluent für Strömungssimulationen ist ein CFD-Tool (Computational Fluid Dynamics), das den Wasserfluss durch Rohre sowie Leckagen simulieren kann. Rohrabschnitte mit Leckagen erzeugen ein anderes Geräusch als intakte Rohre. Dieses Geräusch kann in der Software Fluent simuliert werden, um intelligente Überwachungsgeräte zu trainieren. Haben die Algorithmen den Unterschied im Rauschen gelernt, können Sensoren am Geräusch des fließenden Wassers leicht lokale Lecks erkennen.

Die Software Twin Builder und die Software TwinAI können auch zur Erstellung einer virtuellen digitalen Zwillingsumgebung des Wasserleitungsnetzes verwendet werden. Digitale Zwillinge können etliche Umgebungen simulieren, darunter:

• Simulation der Rohrintegrität und der Restnutzungsdauer verschiedener Rohre
• Messung der akustischen Schwingungen in den Rohren im Zeitverlauf und Prüfung auf Anomalien, die auf Probleme hinweisen können
• Simulation und Optimierung von Pumpen und Motoren, mit denen Wasser durch die Rohre geleitet wird
• Verfolgung von Rohrdruckschwankungen in Echtzeit
• Betrachtung des Zusammenwirkens aller Aspekte des Rohrnetzes

Simulation von intelligenten Gebäudeumgebungen

Die interne Umgebung eines Gebäudes kann auf verschiedene Weisen simuliert werden. So lassen sich mit der Software Fluent z. B. Luftströmungsmuster in einem Gebäude untersuchen und Temperaturgradienten in Fluren oder Räumen bestimmen. Damit kann simuliert werden, wie die Systeme verschiedene Räume überwachen und stets angenehme Temperaturen gewährleisten können.

Für die Beleuchtung kann Ansys Speos, die CAD-integrierte Software für die optische und Beleuchtungssimulation, die ideale Platzierung von Lampen im Gebäude sowie Energiesparkonzepte aufzeigen, bei denen mit möglichst wenigen Beleuchtungselementen die höchste Lumineszenz erzielt werden soll. Darüber hinaus kann die Software Speos vor der Kabel- und Halterungsinstallation die Platzierung optimieren und so nachträgliche Problemlösungen mit der physischen Platzierung vermeiden.

Mit der Software Maxwell lassen sich die akustischen Schwingungen und Geräuschpegel in einem Gebäude durch Aufzüge, zentrale Klimaanlagen und HLK-Systeme erfassen, um eine ruhigere Umgebung für Bewohner*innen zu gestalten. Die Sensoren können mit den Simulationsdaten trainiert werden, um potenzielle Probleme im Kanal an einem veränderten Rauschen im Kanalsystem zu erkennen. Die Software Maxwell kann auch verwendet werden, um die für den Betrieb intelligenter Gebäude notwendige Steuersystemsoftware und -hardware zu simulieren, damit es beim Betrieb nicht zu Kurzschlüssen oder Überhitzung kommt.

Es gibt bereits physische und digitale Technologien, um verschiedene Infrastruktursysteme in unterschiedlichsten Umgebungen effektiv zu verwalten und zu überwachen. In Zukunft werden viele Technologien für intelligente Infrastruktur mit künstlicher Intelligenz (KI) arbeiten, wobei alle Sensoreingänge von KI-Algorithmen ausgelesen und interpretiert werden. Ähnlich wie softwaredefinierte Fahrzeuge im Automobilsektor werden wir bald softwaredefinierte Gebäude, softwaredefinierte Verkehrsinformationssysteme und softwaredefinierte Wasserwirtschaftssysteme haben.

Wenn Sie erfahren möchten, wie Sie mithilfe von Simulationen robustere, intelligente Infrastruktursysteme entwickeln können, wenden Sie sich an unser technisches Team.

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