Betrieblicher Herausforderungen in U-Bahn-Stationen mit digitalen Zwillingen meistern

Metro Istanbul, eine Tochtergesellschaft der Stadtverwaltung Istanbul (Istanbul Metropolitan Municipality, IMM) und einer der wichtigsten öffentlichen Verkehrsbetriebe der Stadt, befördert täglich mehr als 3 Millionen Menschen über ein Netz von 18 U-Bahn-Linien mit einer Länge von 241 km. Im Bestreben, die Servicequalität stetig zu optimieren, arbeitet das Unternehmen konsequent daran, Ausfallzeiten zu minimieren und die Effizienz seiner Bahnsysteme, Stationen und Anlagen dauerhaft zu gewährleisten. Mit dem Anspruch, die Servicestandards auf Spitzenniveau zu halten, setzt das Betriebs- und Wartungsteam von Metro Istanbul auf einen digitalen Zwilling – realisiert mit Autodesk Tandem. Die Initiative verfolgt das Ziel, einen reibungslosen Übergang vom Bau zum Betrieb zu gewährleisten, höchsteffiziente Betriebsabläufe sicherzustellen, durch proaktive Lösungen ein erstklassiges Reiseerlebnis zu bieten und die Ressourcenauslastung der Stadt zu optimieren.

Ein digitaler Zwilling ist eine präzise digitale Nachbildung eines physischen Objekts oder Systems. Zwar spielt die Gebäudedatenmodellierung (Building Information Modeling, BIM) eine entscheidende Rolle bei digitalen Zwillingen, doch ihr Potenzial reicht deutlich weiter. Ein digitaler Zwilling bildet die Eigenschaften, die Leistung und das Verhalten seines physischen Gegenstücks nach und erleichtert so die Analyse, Vorhersage und Optimierung in Echtzeit. Mithilfe des digitalen Zwillings stellt Metro Istanbul sicher, dass alle Abläufe rund um den U-Bahn-Betrieb – bis hin zu Rolltreppen und Aufzügen – effizient und unterbrechungsfrei funktionieren. Metro Istanbul hat sich dem Ziel verschrieben, den Bürgerinnen und Bürgern Istanbuls pünktliche, komfortable und kosteneffiziente Transportdienste zu bieten. Mit Autodesk Tandem, der Plattform für digitale Zwillinge, senkt das Unternehmen Betriebs- und Wartungskosten, steigert die Effizienz und erkennt potenzielle Probleme frühzeitig.

Generaldirektor Dr. Özgür Soy ist Präsident der Region Eurasien und Vizepräsident des Internationalen Verbands für öffentliches Verkehrswesen (International Association of Public Transport, UITP), einer Organisation mit mehr als 2.000 Mitgliedern in über 100 Ländern. Er war maßgeblich an der Organisation der 100. UITP Metro Assembly beteiligt, die im Dezember 2023 in Istanbul stattgefunden hat. Im Jahr 2022 hat sich Metro Istanbul im Rahmen des National Quality Movement Award Program dem EFQM Competence Assessment unterzogen und ist damit die weltweit erste und einzige Schienenverkehrsgesellschaft mit einer 6-Sterne-Bewertung.

Özgür Soy erklärt: „Wir verfolgen bei Metro Istanbul einen nachhaltigen Managementansatz. Dafür setzen wir auf genau die Technologien, die wir für diesen Weg als notwendig erachten. Der Einsatz digitaler Zwillinge für den Betrieb und die Wartung von Schienenverkehrssystemen steht weltweit betrachtet noch am Anfang. Das Ziel ist es, unser Projekt, das derzeit in einer unserer Stationen läuft, auf alle unsere Stationen auszuweiten. Das Projekt unterstützt unsere Vision, die Entwicklung der Branche anzuführen.“

Metro Istanbul unterhält eine Vielzahl technischer Anlagen über 18 Linien und 234 Stationen – Tendenz steigend durch den kontinuierlichen Ausbau des Streckennetzes. Die umfangreiche Infrastruktur – von Traktionstransformatoren über Transformatoren für Nebenleistungen bis hin zu Beleuchtungssystemen und HLK-Anlagen – bildet ein stetig wachsendes Netzwerk. Mit dem Hinweis, dass auf den fast 2 Millionen Quadratmetern Betriebsfläche von Metro Istanbul mehrere Hunderttausend Glühbirnen, Heiz- und Klimaanlagen sowie verschiedenste elektromechanische Systeme betrieben werden, erklärt Dr. Özgür Soy: „Hinzu kommen mehr als 2.000 Rolltreppen und Aufzüge, um unseren Fahrgästen einen komfortablen Zugang zu den Stationen zu ermöglichen. Viele davon sind aufgrund der topografischen Gegebenheiten Istanbuls sehr tief gelegen. Bei der Anzahl der Rolltreppen und Aufzüge belegen wir weltweit den ersten Platz. Oberste Priorität genießt der ständige Betrieb all dieser Systeme und die Einsparung von Energie durch deren effiziente Nutzung. Wir verwalten eine äußerst umfangreiche Anlagenstruktur, wobei 60 % unserer Zeit in den Fahrgastbetrieb und 40 % in die Wartung fließen. Deshalb ist der Einsatz digitaler Zwillinge unerlässlich.“

Generaldirektor Soy betont die Einzigartigkeit der U-Bahn als unvergleichliches Transportmittel: „Gerade bei U-Bahn-Systemen, die 50 oder sogar 100 Jahre alt sind – oder deren Lebensdauer ungewiss ist – ist eine sorgfältige Planung unerlässlich. Bereits in der Planungsphase von U-Bahn-Systemen werden wichtige Faktoren wie Betriebskosten über 50 oder 100 Jahre, Ausfallhäufigkeiten und Fahrgastkomfort festgelegt. Je früher wir diese Informationen erhalten, desto besser können wir potenzielle Probleme im Betrieb proaktiv angehen und Kosten senken. Mit Autodesk Tandem haben wir schon in der Planungsphase den digitalen Zwilling der Çırçır-Station auf der M7-Yıldız-Mahmutbey-Linie entwickelt. Die Vorteile eines digitalen Zwillings einer Station zeigen sich im späteren Betrieb besonders dann, wenn er bereits in der Planungsphase entwickelt wird. Mit dem digitalen Zwilling lassen sich alle Betriebsabläufe einer Station digital steuern, ausgenommen die physische Wartung. Über das System können Funktionsstörungen visualisiert werden, sodass die Wartungsteams bestens vorbereitet zum Einsatz geschickt werden können. Wir beabsichtigen, die Implementierung digitaler Zwillinge auf das gesamte Stationsnetz auszuweiten.“

Dr. Özgür Soy, Generaldirektor von Metro Istanbul, erklärt: „Im Grunde genommen ist das Ziel des digitalen Zwillings, die Ressourcen der Stadt möglichst effizient zu nutzen. Wir streben eine Effizienzsteigerung der Betriebsabläufe von bis zu 37,5 % sowie Einsparungen von bis zu 25 % bei Energieverbrauch und Wartungskosten an. Der Einsatz digitaler Zwillinge für den Betrieb und die Wartung von Schienenverkehrssystemen steht weltweit betrachtet noch am Anfang. Der mit Autodesk Tandem implementierte digitale Zwilling ist für uns ein zentraler Baustein unserer Vision, die Weiterentwicklung der Branche aktiv mitzugestalten.“

„Eine der größten Hürden bei der Entwicklung eines digitalen Zwillings war es, für Linien und Stationen ohne vorhandene BIM-Modelle neue, hochwertige BIM-Modelle zu erstellen. Wir nutzen die Punktwolken-Technologie ReCap von Autodesk, um genau diese Hürde zu überwinden,“ so Ertan Toprakal, Manager des Design Centers von Metro Istanbul.

Hande Akkoyunlu, Führungskraft im Bereich Architekturdesign bei Metro Istanbul, ergänzt: „Die Entwicklung von BIM-Modellen gestaltet sich besonders schwierig bei Linien und Stationen, die vor 2015 geplant wurden. Dass BIM-Modelle seit 2015 fester Bestandteil von U-Bahn-Projekten sind und bei der Übergabe nach Abschluss der Bauarbeiten bereitgestellt werden, bringt uns einen erheblichen Vorteil.“

Laut Ertan Toprakal sind für die Entwicklung eines digitalen Zwillings neben BIM-Modellen auch Informationen über Echtzeit-Anlagendaten, Wartungsverfahren und den Datenfluss aus Asset-Management-Systemen sowie Informationen über den Verwendungszweck des Modells erforderlich.

„Eine weitere Herausforderung bestand darin, die Daten aus den Echtzeitsystemen über ein einheitliches Kommunikationsprotokoll auf die Plattform des digitalen Zwillings zu übertragen“, berichtet Toprakal im Rückblick auf das Projekt. „Unsere Daten stammen aus einem großen System. Die Verarbeitung, Analyse und Nutzung dieser Daten als Entscheidungsgrundlage war für uns ein bedeutender Schritt in der Weiterentwicklung unseres Know-hows. Wir investieren weiterhin in IoT- und Sensorlösungen, um die Zahl der Datenquellen für unseren digitalen Zwilling kontinuierlich auszubauen.“

Bei Metro Istanbul genießt der exzellente Service für seine Fahrgäste oberste Priorität. Dafür setzt das Unternehmen auf schnelle, flexible Lösungen, um auf alle möglichen Herausforderungen vorbereitet zu sein. Die regelmäßige Wartung von Fahrzeugen, Linien und Stationen sowie Reparatur-, Überholungs- und Erneuerungsmaßnahmen tragen maßgeblich dazu bei, dieses Ziel zu erreichen. Beim Betrieb von Schienenverkehrssystemen wirkt sich der Energieverbrauch unmittelbar auf die Kosten aus. Deshalb kommt in allen Bereichen das Energiemanagementsystem nach ISO 50001 zum Einsatz, um eine effiziente und effektive Nutzung der Energieressourcen zu gewährleisten.

Im Einklang mit den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinigten Nationen setzt Metro Istanbul auf eine fortlaufende Verbesserung seines Umweltmanagements. Das Unternehmen verpflichtet sich, seine Anstrengungen zur Reduzierung umweltbelastender Emissionen durch innovative Ansätze weiter zu verstärken.

M. Fatih Gültekin, stellvertretender Generaldirektor von Metro Istanbul, erklärt: „Der digitale Zwilling ist ein wichtiger Meilenstein auf unserem Weg zu einem erstklassigen Service für unsere Fahrgäste. Dank der vielfältigen Möglichkeiten des digitalen Zwillings optimieren wir Wartungsprozesse, Energieverbrauch und Nachhaltigkeitspraktiken – Aspekte, die direkt mit unserem Kernziel verbunden sind.

Ferdi Tatar, Führungskraft im Bereich BIM und visuelles Design bei Metro Istanbul, fasst die Erwartungen an Autodesk Tandem so zusammen: „Wir setzen auf die Technologie des digitalen Zwillings, um unsere Wartungsprozesse zu straffen und spürbare Einsparungen bei den hohen Energiekosten zu erzielen. Auch im Bereich der vorbeugenden Wartung sind unsere Erwartungen hoch. Dafür ist es wichtig, einen raschen Zugang zu Anlagen und Wartungsunterlagen zu ermöglichen. Wir müssen den Zustand der Anlagen vor einem möglichen Ausfall frühzeitig erkennen können. Wir müssen schnell auf die Anlageninformationen sowie Montage- und Wartungsdaten für alle Anlagen zugreifen können. Autodesk Tandem, die Plattform für digitale Zwillinge, dient als Verzeichnis für Facility-Management-Daten. Die Plattform generiert eine Datenbank, die den einfachen Zugriff auf alle relevanten Informationen wie Betriebs- und Wartungshandbücher, Garantien und weitere wichtige Daten ermöglicht. Diese Daten sind mit dem 3D-Modell des Gebäudes verknüpft, sodass Betreibende präzise Vorhersagen darüber treffen können, wie sich mögliche Anlagenausfälle auf ihre Systeme auswirken, und vorbeugende Wartungen planen können.“

Ferdi Tatar führt weiter aus, dass sie auf der Plattform für digitale Zwillinge verschiedene Energieanalysen durchführen, darunter die Gesamt-CER-Leistungsanalyse, den Vergleich des Energieverbrauchs der Züge mit erzeugter erneuerbarer Energie, die Optimierung des Fahrbetriebs der Züge anhand von Geschwindigkeits-Zeit-Profilen sowie die Analyse des Energieverbrauchs der Nebenleistungen an Stationen, um die Energieeffizienz zu optimieren.

Şaban Kuş, Projektleiter für den digitalen Zwilling bei Metro Istanbul, meint: „Autodesk Tandem ist ein effektives Tool in unseren Wartungsprozessen.“ Wartungszyklen der Anlagen können mithilfe von Autodesk Tandem effizient überwacht werden, indem Daten aus dem Asset-Management-Modul des ERP-Systems übernommen werden. So können Wartungsmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet und Ausfälle proaktiv verhindert werden.

Auch die Signalinformationen der Anlagen aus dem Überwachungs- und Steuerungssystem werden in Autodesk Tandem hinterlegt. Şaban Kuş erläutert: „Wir arbeiten weiterhin daran, mithilfe von KI-Anwendungen und der Integration der Signaldaten vorausschauende Analysen unserer Anlagen durchzuführen. Wir gehen Ausfällen und Anomalien innerhalb der Anlagen auf den Grund.“

Laut Şaban Kuş stoßen die Initiativen zur Digitalisierung und zum digitalen Zwilling bei den Mitarbeitenden auf breite Zustimmung – besonders bei den Wartungs- und Reparaturteams. Kuş fügt hinzu: „Unser Fokus lag darauf, die Wartungsprozesse zu optimieren und zu vereinfachen, vor allem für das Personal in den Wartungseinheiten. Auch in bestimmten Entscheidungsprozessen zeigt sich der Nutzen des digitalen Zwillings deutlich. Beispielsweise kann die Einheit für Energiemanagementsysteme anhand der Energiewerte, die über das Modell des digitalen Zwillings erfasst werden, fundiertere Entscheidungen treffen. Wir sind zuversichtlich, dass wir durch die Analyse aller Stationen mit Modellen des digitalen Zwillings unerwartete Ausfälle und Energieverluste künftig vermeiden können.“