Digitale Zwillinge

Digitale Zwillinge helfen nicht nur dabei, schon vor der Konstruktion eines Systems einzuschätzen, wie sich dieses verhalten wird, sondern sie können auch bei vorhandenen Systemen zum Einsatz kommen. Im industriellen Kontext können digitale Zwillinge etwa auf ganze Werksanlagen angewandt werden und hier eine Plattform bieten, im Rahmen derer eine erheblich genauere Analyse, Diagnose und Fehlerbehebung durchgeführt werden kann. Als Grundlage zukünftiger Industrie-4.0-Projekte werden sie die Erweiterung von Workflows und die Optimierung wichtiger Prozesse ermöglichen. Dadurch kann sowohl der Durchsatz von Anlagen als auch die Qualität der von den Anlagen hergestellten Produkte verbessert werden. Die Auswirkungen, die eine an einem Punkt vorgenommene Änderung für die darauffolgenden Schritte im Workflow/Prozess hat, können eingeschätzt werden, bevor eine Maßnahme tatsächlich umgesetzt wird. Man könnte also beispielsweise ein Szenario durchspielen, bei dem ein Fließband in einer Fabrik mit höherer Geschwindigkeit betrieben wird. Mithilfe des erstellten digitalen Zwillings wäre es nun möglich, die daraus resultierenden Folgen abzuschätzen, beispielsweise die Auswirkungen auf die Qualität des hergestellten Produkts, den Verschleiß der einzelnen Komponenten innerhalb der Fertigungsanlage oder den Stromverbrauch. Auf dieser Grundlage ist dann eine wirklich fundierte Entscheidung darüber möglich, welche Maßnahmen zum besten Ergebnis führen – ob also z. B. für eine Steigerung des Produktionsdurchsatzes höhere Betriebskosten oder ein Anstieg der Produktretouren in Kauf genommen werden sollen.

Durch digitale Zwillinge können auch vorausschauende Instandhaltungsmaßnahmen auf ein System angewandt werden, da sich die Abnutzung einzelner Bestandteile (im Verhältnis zu verschiedenen Betriebsbedingungen, zukünftigen Situationen usw.) kalkulieren lässt. Dies ermöglicht eine genau Vorhersage, wann Teilkomponenten ersetzt werden müssen, sodass die Anlagenwartung erheblich besser geplant werden kann. Auf diesem Wege kann das Risiko von Ausfallzeiten (infolge von Störungen) und von Verzögerungen, die durch Reparaturarbeiten entstehen, minimiert werden.

Um einen digitalen Zwilling eines Systems zu erstellen, ist der Zugang zu riesigen Datenmengen erforderlich. Eine ganze Reihe verteilter Sensoren muss dazu kontinuierlich Datenströme zu diversen Betriebsparametern liefern. In vielen Fällen ist daher das aufstrebende Internet der Dinge (IoT) eine Kernvoraussetzung, die die Konstruktion digitaler Zwillinge überhaupt erst möglich machen wird. Die benötigten Daten werden entweder erfasst und in Echtzeit verarbeitet oder können unter Umständen auch aus vorhandenen, älteren Datensätzen herangezogen werden. Dieser Zugriff auf große Datenmengen ist der entscheidende Unterschied zu herkömmlichen Computersimulationen, da sich digitale Zwillinge nicht auf bloße Annahmen über die Funktionsweise der Systeme, sondern auf kontinuierlich bereitgestellte objektive Tatsachen stützen. Sobald die Datensätze zusammengestellt wurden, können komplexe Algorithmen darauf angewandt werden.

Künstliche Intelligenz (KI) ist eine weitere Schlüsseltechnologie, die bei der Datennutzung für digitale Zwillinge zum Einsatz kommt. Wenn die benötigten Daten vorliegen, können diese durch umfassende, cloudbasierte Computerressourcen verarbeitet werden. In einem zweiten Schritt besteht dann die Möglichkeit, KI-Modelle darauf anzuwenden. Dabei kann eine Vielzahl unterschiedlicher Aspekte untersucht werden. Es wäre ebenfalls denkbar, dies mit erweiterter Realität (Augmented Reality, AR) zu kombinieren – etwa, indem ein digitaler Zwilling über ein physisches System gelegt wird, um so zu einem besseren Verständnis der Vorgänge zu gelangen. Dadurch könnte ein Fachingenieur Ratschläge zur Reparatur oder zum Ausbau einer externen Anlage bereitstellen, ohne dafür vor Ort zu sein (sodass Zeit und Geld gespart würden).

Die Erstellung digitaler Zwillinge auf Basis eigener Technologien wird jedoch nicht ausreichen, da so die Vorteile einer Integration nicht ausgeschöpft werden können. Folglich besteht in diesem Sektor ein dringender Bedarf an Standardisierung. Dementsprechend wurde der ISO-Standard ISO 23247-1 entwickelt. Diese Norm liefert geregelte Rahmenbedingungen für die Konstruktion digitaler Zwillinge im Fertigungssektor. Durch sie wird ermöglicht, dass seitens der verschiedenen Anlagenhersteller einheitliche Architekturen verwendet werden und so digitale Zwillinge, die für verschiedene Elemente des Werks erstellt wurden, miteinander kombiniert werden können.

Organisationen wie das Digital Twin Consortium, zu deren Mitgliedern GE, Microsoft, Dell und Ansys gehören, setzen sich ebenfalls für eine beschleunigte Einführung dieser Technologie ein. Hierzu soll die Verwendung einer gemeinsamen Systematik für den gesamten Bereich, die Entwicklung eines offenen Quellcodes und die Etablierung von branchenweit anerkannten Programmierschnittstellen (APIs) gefördert werden.

Je größer die Kompatibilität digitaler Zwillinge ist, desto besser sind die Voraussetzungen für eine Zusammenarbeit zwischen den vielen verschiedenen Anlagenherstellern und -dienstleistern, die in die Installation von Systemen eingebunden sind. Dies wird auf alle Bereiche zutreffen – sei es in Bezug auf eine Flugzeugturbine, ein Elektrofahrzeug, eine Fertigungsanlage, eine Ölraffinerie oder die Infrastruktur einer Smart City.