Das Projekt TwinChain entwickelt die methodischen Grundlagen für den Einsatz digitaler Zwillinge zur Analyse komplexer Übertragungs- und Wirkungsketten. Ziel ist es, reale Systeme mithilfe simulationsbasierter Modelle so abzubilden, dass Risiken, Wechselwirkungen und mögliche Handlungsoptionen frühzeitig erkannt und bewertet werden können. Der Fokus liegt auf der Entwicklung zuverlässiger, datengetriebener und skalierbarer Modellierungs- und Simulationsansätze, die Entscheidungsträger bei der Konzeption und dem Schutz kritischer Systeme für die zivile Sicherheit unterstützen. Die potenziellen Anwendungsbereiche sind vielfältig, insbesondere Pandemien erfordern jedoch den Schutz sowohl kritischer Infrastrukturen als auch der Bevölkerung.

Kombination von Daten, Simulation und künstlicher Intelligenz

Im Zentrum der Methodik steht ein mehrstufiger Modellierungsansatz, der hochauflösende Daten, agentenbasierte Simulationen, numerische Strömungsmechanik und Methoden der künstlichen Intelligenz kombiniert. Diese Integration ermöglicht die realistische Darstellung sowohl direkter Interaktionen zwischen Akteuren als auch indirekter Übertragungs- und Ausbreitungsmechanismen. Digitale Zwillinge erlauben somit die systematische Analyse von Szenarien, die Bewertung von Maßnahmen und die Identifizierung robuster Strategien unter Unsicherheit.

Modellkopplung und Hochleistungsrechnen für realistische Szenarien

Ein zentraler Aspekt des Ansatzes ist die Kopplung von Modellen unterschiedlicher Größenordnung: Mikroskopische agentenbasierte Modelle werden in ein großskaliges Simulationsframework integriert und mit physikalischen Modellen sowie KI-basierten Ersatzmodellen verknüpft. Der Einsatz von Hochleistungsrechnern ermöglicht den effizienten Betrieb dieser digitalen Zwillinge und die Analyse komplexer Szenarien mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Darauf aufbauend lassen sich optimierte Maßnahmen ableiten und deren Auswirkungen systematisch vergleichen.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit und softwarebasierte Implementierung

Das DLR-Institut für Softwaretechnologie leitet das Projekt TwinChain und bringt seine Expertise in den Bereichen Softwarearchitekturen für digitale Zwillinge, simulationsbasierte Analysen, KI-Methoden und Hochleistungsrechnen in alle Projektbereiche ein. Innerhalb eines starken Forschungs- und Datennetzwerks werden agentenbasierte Modelle der Universität Münster und der Hochschule München in das MEmilio-Framework integriert und mit CFD-Simulationen und KI-basierten Ersatzmodellen der TU Berlin gekoppelt. Umfangreiche Datensätze aus der Praxis werden von der Charité – Universitätsmedizin Berlin und dem Gesundheitsamt der Stadt Köln bereitgestellt.

Übertragungsketten in kritischen Infrastrukturen

Eine konkrete Anwendung dieser Methodik ist die Simulation von Infektions- und Übertragungsketten, beispielsweise zur Analyse der Ausbreitung von Atemwegserkrankungen. Digitale Zwillinge können dazu beitragen, die Übertragungsdynamik besser zu verstehen und evidenzbasierte Maßnahmen zum Schutz gefährdeter Gruppen, wie etwa Patienten in Krankenhäusern und Bewohner von Pflegeeinrichtungen, zu bewerten. Über diese Anwendung hinaus ist die entwickelte Methodik auf andere Bereiche der zivilen Sicherheit übertragbar, darunter Mobilitätssysteme, Energieversorgung und andere kritische Infrastrukturen, in denen komplexe Wechselwirkungen und Ausbreitungsprozesse eine zentrale Rolle spielen.