DigiTal Zwilling: Wuppertal datenbasiert vernetzt – von Mobilität bis Klimaanpassung

Interdisziplinäre Zusammenarbeit für den Paradigmenwechsel
Das persönliche Engagement des Kernteams, den Dialog mit den Fachverwaltungen gezielt zu fördern, hat eine langfristige, interdisziplinäre Zusammenarbeit ermöglicht. Von Beginn an wurden Fachabteilungen wie zum Beispiel Stadtplanung, Klima und Mobilität aktiv in die Entwicklung eingebunden, sodass Anwenderinnen und Anwender ihre Anforderungen direkt einbringen konnten. So sind beispielsweise Feuerwehrleute mit IT-Spezialistinnen und -spezialisten, Stadtplanung und Klimabeauftragte, Mobilitätsexpertinnen und -experten und Katastrophenmanagerinnen und -manager an den Anforderungen für die Fachzwillinge beteiligt. Dadurch konnte Wuppertal von vielfältigen Perspektiven und Fachkenntnissen profitieren und diese praxisnah in die Produktentwicklung einfließen lassen.

Schrittweise Umsetzung und Darstellung der Mehrwerte
Das Gesamtprojekt gliedert sich in klar definierte Teilprojekte (Fachzwillinge), die schrittweise umgesetzt werden. Jedes fertiggestellte Element kann sofort genutzt werden, wodurch direkt greifbare Mehrwerte entstehen. Zur anschaulichen Vermittlung komplexer Themen lädt das Projekt Bürgerinnen und Bürger zu interaktiven Workshops ein. Mithilfe von Live-Demonstrationen und Visualisierungen an Planungstischen werden Inhalte anschaulich präsentiert und aktiv erlebbar gemacht. 

Integration in bestehende Systeme
Der Zwilling ist nahtlos in bestehende Systeme eingebunden, um Medienbrüche zu vermeiden und die Zusammenarbeit der Fachabteilungen zu optimieren. Der DigiTal Zwilling greift auf Fachdaten zurück und lässt Anwenderinnen und Anwender eigene Ansichten in 2D oder 3D generieren, die über einen Link mit anderen Nutzenden geteilt werden kann. Das erlaubt eine Fachdiskussion mit verschiedenen Perspektiven und führt zu nachhaltigen Entscheidungen. Der DigiTal Zwilling stellt eine zukunftsorientierte Weiterentwicklung des Wuppertaler Navigations- und Datenmanagementsystems dar und ermöglicht einen reibungslosen Informationsaustausch durch die Anbindung dieser Fachsysteme. So können beispielsweise Stadtplaner:innen Simulationen zu Klimaanpassungen durchführen, indem sie nahtlos auf Geländedaten, Klimamodelle und städtische Messungen zugreifen, oder Einsatzkräfte können aktuelle Verkehrsinformationen und Infrastrukturdetails in Echtzeit einsehen.

Aus Sicht der Nutzenden entsteht die Erfahrung, in einem System zu arbeiten, obwohl im Hintergrund auf unterschiedliche Datenquellen und Fachsysteme zurückgegriffen wird. Der Zwilling zieht auch externe Daten, wie Wetterdaten, Verkehrsinformationen oder Umweltdaten heran, um stets die aktuellste Sichtweise zu ermöglichen, beispielsweise für Prognosen zu Starkregenereignissen oder Verkehrsstaus. 

Praxisorientierter Wissenstransfer in interdisziplinären Netzwerken
Zur Förderung des Wissensaustauschs und der gemeinsamen Problemlösung beteiligt sich die Stadt Wuppertal aktiv an interdisziplinären Communitys of Practice, wie zum Beispiel beim Wupperverband, dem Deutschen Dachverband Geoinformation oder im Netzwerk Bergisches Städtedreieck Wuppertal, Solingen, Remscheid zu Hochwasserthemen. Lösungen und Best Practices werden auf regionaler, nationaler und internationaler Ebene diskutiert und Erfahrungsberichte bereitgestellt, um anderen Kommunen bei ähnlichen Herausforderungen zu helfen.

Entwicklung auf Open-Source-Basis und transparente Dokumentation 
Auch wenn der DigiTal Zwilling zunächst als maßgeschneidertes Instrument für lokale Problemstellungen und Fachverfahren entwickelt wird, basiert er auf transparent dokumentierten, replizierbaren Open-Source-Technologien. So ist die Nachnutzung für andere Kommunen mit ähnlichen Ausgangslagen und Verwaltungsstrukturen gewährleistet. Alle Ergebnisse und Prozesse werden auf offenen Plattformen wie GitHub und später auf CODE-DE veröffentlicht.

Akzeptanz schaffen und Kompetenzen stärken
Um eine nachhaltige Verankerung des DigiTal Zwillings in den Prozessen der Wuppertaler Fachabteilungen sicherzustellen, wurden diese frühzeitig und aktive in die Entwicklung eingebunden. Zu den genutzten Informations- und Beteiligungsangeboten zählen die gezielte Mitarbeit der Fachabteilungen an einzelnen Arbeitspaketen, umfangreiche Informationen im Intranet sowie Bedarfsumfragen. Diese Maßnahmen fördern Akzeptanz und vermitteln die erforderlichen Kompetenzen, um das System erfolgreich zu nutzen und andere Mitarbeitende zu befähigen, in die Mitarbeit einzubeziehen sowie den Zwilling langfristig in bestehende Prozesse zu integrieren. Der Dialog geht weit über eine Beteiligung hinaus, indem regelmäßige Sitzungen mit Fachabteilungen stattfinden. So wird sichergestellt, dass der DigiTal Zwilling eine verwaltungsweite gemeinsame Entwicklung erfährt und als neue Arbeits- und Kommunikationsplattform in den Arbeitsprozessen integriert ist. Die schrittweise und flexible Entwicklung ermöglicht es, die Fachabteilungen kontinuierlich einzubeziehen und den DigiTal Zwilling gemeinsam zu gestalten. Daraus resultiert eine vertrauensvolle Zusammenarbeit, die gegebenenfalls schnelle Entscheidungen für neue Entwicklungsansätze und Forschung ermöglicht und zur Definition neuer Anwendungsfälle beiträgt.

Reallabore zur praxisnahen Erprobung
Reallabore sind Testumgebungen, in denen Wuppertal konkrete Anwendungsfälle des DigiTal Zwillings risikofrei und praxisnah erprobt. Sie ermöglichen es, den Zwilling künftigen Nutzungsgruppen vorzustellen und testen zu lassen. Erkenntnisse aus den Tests und Rückmeldungen der Teilnehmenden fließen direkt in die Weiterentwicklung des Systems ein und sichern dessen zielgruppenorientierte Anpassung. Wuppertal hat unter anderem Reallabore für die Anwendungsfälle Bodenfeuchtemonitoring, Vegetationsgesundheit und Bodenkühlleistung umgesetzt. 

Langfristige Stellen schaffen
Unbefristete Stellen sichern die Kontinuität von erworbenem Fachwissen und Erfahrungen im Projekt, was für eine nachhaltige Verankerung des digitalen Zwillings entscheidend ist. Wuppertal konnte dies sicherstellen, indem Mittel aus verschiedenen Fachbereichen im Haushalt verankert wurden. Darüber hinaus bewirbt sich die Stadt auf Fördermittel in den Handlungsfeldern Planungsbeschleunigung mit UDZs, Klimaneutrale Quartiere und Klimafolgenanpassung, sowie Bürgerbeteiligung. 

Lokale Herausforderungen

1. Klimawandel und Geographie

Die topografische Lage Wuppertals im engen Tal der Wupper macht die Stadt besonders anfällig für die Folgen des Klimawandels. Starkregenereignisse führen hier verstärkt zu Überflutungen, da die dichte Bebauung nur begrenzte Versickerungsflächen bietet und die steilen Hänge das Abfließen des Wassers beschleunigen. Gleichzeitig stellen Hitzewellen eine Herausforderung dar, da die eng bebauten Stadtteile sich stark aufheizen und Kühlflächen rar sind. Der UDZ ermöglicht durch die Simulation von Wasserflüssen und Hitzeinseln eine gezielte Planung von Maßnahmen, wie zum Beispiel die Schaffung von Retentionsflächen und die Begrünung von Fassaden und Dächern.

2. Mobilität im engen Raum

Wuppertal ist stark vom Individualverkehr geprägt, was nicht nur zu hoher Luftverschmutzung führt, sondern auch den begrenzten Platz in den Talräumen stark beansprucht. Zusätzlich erschweren die geographischen Gegebenheiten die Umsetzung alternativer Verkehrskonzepte. Der Fachzwilling Mobilität bietet die Möglichkeit, den Verkehr unter Berücksichtigung von Wetterlagen zur Optimierung der Luftqualität zu steuern und Rückschlüsse für ein optimiertes Verkehrsmanagement durch die Integration multimodaler Mobilität zu ziehen. Neue Entwicklungen, wie zum Beispiel das Konzept für eine Ladesäuleninfrastruktur, können im Zwilling berücksichtigt werden und Nutzenden als Informationsquelle verfügbar gemacht werden.

3. Herausforderungen in der Stadtplanung

Die dichte Bebauung Wuppertals und die eingeschränkte Verfügbarkeit von Flächen führen häufig zu Nutzungskonflikten. Beispielsweise konkurrieren Flächen für Wohnungsbau mit Grünflächen, die für das Stadtklima wichtig sind. Gleichzeitig gibt es Herausforderungen bei der Abstimmung zwischen verschiedenen Fachbereichen, da wichtige Daten oft in Silos liegen. Der UDZ unterstützt eine datengetriebene, interdisziplinäre Zusammenarbeit, indem er Informationen aus unterschiedlichen Quellen bündelt und für alle Beteiligten zugänglich macht. Dies erleichtert die Entwicklung integrierter, nachhaltiger Planungsstrategien., sind hier entscheidend, um effektive und nachhaltige Lösungen zu entwickeln. 

Planungsziele

Als Schlüsselkomponente der Smart-City-Strategie Wuppertals fördert der DigiTal Zwilling nicht nur die Zusammenarbeit der verschiedenen Fachbereiche, sondern schafft auch konkrete Möglichkeiten zur Beteiligung der Bürgerinnen und Bürger. Mithilfe interaktiver Plattformen und Werkzeuge, wie zum Beispiel. digitalen Planungstischen und virtuellen Bürgerdialogen, können Anwohnerinnen und Anwohner in Zukunft aktiv in Planungsprozesse eingebunden werden. Sie haben die Möglichkeit, Planungsvarianten einzusehen, Feedback zu geben und eigene Vorschläge einzubringen.

Der DigiTal Zwilling trägt so wesentlich dazu bei, die stadtentwicklungspolitischen Ziele Wuppertals sowie die Leitlinien der Smart-City-Charta umzusetzen. Er stärkt die Transparenz und Akzeptanz durch die verständliche Darstellung urbaner Daten, beispielsweise in Form von 3D-Modellen, und ermöglicht eine breite Partizipation der Zivilgesellschaft. Gleichzeitig bietet der UDZ eine Plattform für eine vereinfachte, interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb der Fachabteilungen, bei der virtuelle Planungsvarianten genutzt werden, um politische Entscheidungsprozesse zu optimieren und eine zukunftsfähige, transparente Stadtstruktur und -gesellschaft zu schaffen.

Ansatz zur Wirkungsmessung

Aktuell liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung. Der Erfolg zeigt sich vor allem durch die aktive interne Beteiligung und eine verbesserte fachinterne Zusammenarbeit. Konkrete KPIs sollen bei der weiteren Umsetzung und vor der ersten praktischen Nutzung festgelegt werden.

Prozessschritte

1. Inventur und Analyse: 
2. Definition von Fachbegriffen:
3. Priorisierung von Anwendungsfällen:
   Festlegung von geeigneten Einsatzzwecken in den Bereichen Klimaschutz, Klimafolgenanpassung, nachhaltige Stadtentwicklung, Mobilität, Park- und Grünanlagenpflege sowie urbane Resilienz
4. Ausschreibung und Vergabe: 
   Für die Entwicklung der benötigten technischen Komponenten 
5. Schrittweise Umsetzung in einem iterativen internen Arbeitsprozess: 
   Implementierung der einzelnen Teilprojekte unterstützt durch regelmäßige Treffen mit den Fachabteilungen, um einen kontinuierlichen Austausch sicherzustellen und die direkte Erprobung neuer Entwicklungen zu ermöglichen
6. Netzwerkbasierter Austausch und Weiterentwicklung: 
   Erfahrungsaustausch mit anderen Kommunen, um auf bestehende Lösungen aufzubauen und Herausforderungen frühzeitig zu identifizieren. 

Governance

Das “Competence Center Smart City Wuppertal” ist für die Koordination und Umsetzung des Digital Zwilling verantwortlich. Das Projekt ist im Ressort Vermessung, Katasteramt und Geodaten angesiedelt. Dies ermöglicht ein effizientes Projektmanagement, da Geodaten und Vermessung eine Schlüsselrolle im Projekt spielen. Innerhalb der Verwaltung findet ein Austausch mit dem Ressort Klima und Nachhaltigkeit, dem Ressort Straßen und Verkehr und der Behörde für Umweltplanung sowie dem Ressort Stadtentwicklung und Städtebau statt. Darüber arbeitet das Smart-City-Team mit den Wuppertaler Stadtwerken, dem Wupperverband (Wasserwirtschaftsverband für den Einzugsbereich der Wupper) und technischen Dienstleistern zur Entwicklung der Komponenten zusammen. Für die Datenplattform und die Integration von Sensorik ist das Amt für Informationstechnik und Digitalisierung zuständig.

Kosten bei Beschaffung und Betrieb

Partizipation und Kommunikation

Die verwaltungsinternen Kommunikations- und Projektsteuerungsprozesse sind entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung des DigiTal Zwillings  und orientieren sich an Prinzipien des agilen Projektmanagements. In regelmäßige Jour Fixes werden Fortschritte geprüft, Prioritäten angepasst und bestenfalls Hindernisse frühzeitig identifiziert. Dies fördert Transparenz, Vertrauen und Motivation im Projektteam. Anwendungs-Workshops und Demonstrationstermine für spezifische Tools ermöglichen eine enge Einbindung der nutzenden Fachabteilungen. Feedback wird in kurzen Iterationen direkt in die Weiterentwicklung integriert, um sicherzustellen, dass die Lösungen praxisnah und bedarfsgerecht sind. Projektfortschritte und Erkenntnisse aus Beteiligungsformaten werden systematisch erfasst – etwa durch Monitoringberichte und Interviews. 

Für die Kommunikation in die Bevölkerung hinein dienen unter anderem das Smart Lab, ein öffentlicher Raum im Gebäude des Hauptbahnhofs zur Demonstration digitaler Lösungen, und das Smart-City-Forum Wuppertal, eine jährliche Veranstaltung zu Schwerpunktthemen der Wuppertaler Smart City für Bürgerinnen und Bürger, Politik, Wissenschaft und Wirtschaft. Außerdem gibt es regelmäßig Veranstaltungen in Kooperation mit der VHS, sogenannte Multiplikatorentreffen, die ihrerseits neue Entwicklungen in ihre Peer Groups tragen. Weitere Veranstaltungen in der Öffentlichkeit orientieren sich an Themenwochen oder -tagen, wie zum Beispiel der DigitalTag oder die  Woche der Klimaanpassung. 

Technische Infrastruktur

Sensorik:

• Moderne Ampelanlagen mit integrierten Sensoren zur Verkehrssteuerung
• Verschiedene Passantenzähler mit Laser- oder Radartechnologie zur Erfassung von Bewegungsströmen
• Sensoren zur Überwachung der Luftqualität
• Klimasensorik zur Erfassung der aktuellen Wetterdaten
• Bodenfeuchtesensoren zur Klimafolgenanpassung und Grünflächenbewässerung
• Eine spezielle, vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) entwickelte Sensorbox, die auf Müllfahrzeugen montiert wird und aktuelle mobile Mappingdaten (Daten, die mithilfe von mobilen Plattformen wie Fahrzeugen oder Drohnen gesammelt werden, um hochpräzise räumliche Informationen zu erfassen, wie z. B. Straßenbedingungen, Verkehrsflüsse und Umweltdaten) erfasst

Software & Hardware:

• Cesium: Open-Source-Bibliothek für 3D-Visualisierungen und interaktive Darstellungen im Web (Mapping Engine 3D)
• Leaflet (Raster) und MapLibre (Vektor): Open-Source-JavaScript-Bibliothek für die Visualisierung interaktiver 2D Karten im Web (Mapping Engines 2D und Vektordaten)
• Hypertegrity: Open-Source-Plattform zur zentralen Verwaltung von Stadt- und Sensordaten (UDP) für Anwendungsfälle im DigiTal Zwilling
• Generische Komponente DigiTal Zwilling (Geoportal)
• KI-Komponenten zur Analyse und Auswertung von terrestrischen Sensor- und Fernerkundungsdaten (Luftbilder, Satellitendaten) aus Forschungskooperation mit Fraunhofer-IPM, EFTAS und dem TMDT-Bergische Universität Wuppertal; Ziel: automatisierte Aktualisierung des DigiTal Zwillings
• spezialisierte Softwarelösung für den Mobilitätsfachzwilling mit KI-gestützter Verkehrsanalyse und -steuerung; Umweltmodul zur Verbesserung der Luftqualität durch wetterabhängige Verkehrssteuerung und Überwachung von Umweltparametern
• spezialisierte Softwarelösung zur Analyse und Überwachung von Vegetation, Vegetationsleistungen und Umweltveränderungen

Schnittstellen & Standards:

• Monorepository (ein zentrales Repository, das den gesamten Code und alle Projektdateien, Fachzwillinge und Teilzwillinge betreffend, an einem Ort verwaltet und so die Zusammenarbeit und Versionskontrolle erleichtert)
• OVC-Standard (ein offener Standard, der zur Integration, Verwaltung und Visualisierung urbaner Daten verwendet wird)
• CityGML (ein offener Standard zur Modellierung, Speicherung und Austausch von 3D-Stadtmodellen, der von der Open Geospatial Consortium (OGC) entwickelt wurde)
• OGC-APIs: interoperable, standardisierte und skalierbare Schnittstellen zu Geodaten

Datengrundlagen

Geometrisches Grundgerüst

Erweiterung von Datenbestand (hochauflösende Luftbilder, 3D-Punktwolken aus Befliegungsdaten und Objekte aus terrestrischer Vermessung) in ein 3D-Modell und Integration von Echtzeitsensordaten; 3D Mesh + LOD2

Fachzwilling „Klimaschutz und Klimafolgenanpassung“

Bestandsdaten (Starkregen- und Hochwassergefahrenkarten, fotorealistische 3D-Visualisierungen, Wetterprognosen und Pegelständen der Wupper) + Einbindung von Fernerkundungsdaten und Satellitenzeitreihen des Copernicus-Programms, Hochwasser- und Starkregendaten, sowie Daten zur Vegetationsentwicklung und -gesundheit

Fachzwilling „Nachhaltige Stadtentwicklung“

Bestandsdaten (Geodaten, laufende Planungen) + Einbindung von Echtzeit-Sensordaten und Citizen-Sensing-Daten + klimaangepasste Planungsbeschleunigung im UDZ

Fachzwilling „Zukunftsfähige Mobilität“

Einbindung von Projektdaten aus Bergisch.Smart_Mobility, Sensordaten für automatisiertes Fahren, KI-gestützte Lichtsignalanalage und Lasertechnologie für Passantenzählungen

Fachzwilling „Park- und Grünanlagen“

Aktualisierung der Bestandsdaten der Parks und Grünanlagen sowie des Baumkatasters und Einbindung sensorgestützter Luftqualitätsdaten, Bodenfeuchtemonitoring und Zeitreihen zur Vegetationsgesundheit; Unterstützung des Vegetationsmanagements durch Integration von Zustandsparametern und Zuständigkeiten (Verwaltungsstrukturinformationen) 

Zusätzlich wird für den Aufbau eines Fachzwillings „Urbane Resilienz“ unter Verwendung von Bestandsdaten (Sicherheitskonzepte für kritische Infrastrukturen, Notfallpläne, Evakuierungsrouten, Rettungswege, Brandschutzsicherheit, Bevölkerungsdaten, Standorte von Löschwasserentnahmestellen) eine Einbindung von Katastrophenszenarien der Feuerwehr und des Katastrophenschutzes (basierend auf Workshops) vorbereitet.