Digital Twin / Digitaler Zwilling

Der Digital Twin wird von Gartner seit Jahren als einer der zehn wichtigsten Technologie-Trends eingestuft.1 Die Nutzung der Technologie verspricht vor allem in der Produktion und im Service enorme Nutzeneffekte durch die Möglichkeit, das Verhalten von Produkten und Produktionsprozessen mit Hilfe eines digitalen Zwillings zu simulieren, zu überwachen und zu optimieren und neue kundenorientierte Dienste zu entwickeln. Für die Unternehmen stellt sich die Frage, wie sie Digital-Twin-Anwendungen am besten in ihre Prozesse implementieren können, um den Nutzen dieser Technologie auszuschöpfen.

 

 

Der digitale Zwilling ist das virtuelle Abbild eines physischen Produkts oder Systems, wobei es laut Wikipedia-Definition unerheblich ist, ob das Gegenstück in der realen Welt schon existiert oder erst in Zukunft existieren wird.2 Erstmals wurde der digitale Zwilling angeblich 2010 von der NASA als eine Simulation eines Fahrzeugs oder Systems definiert, das die besten verfügbaren physikalischen Modelle verwendet, um das Leben seines fliegenden Zwillings zu reflektieren.3 Es gibt jedoch weitere Quellen, die die „Urheberschaft“ des Konzepts für sich reklamieren.

Wie vollständig der Zwilling die Realität abbildet, hängt vom Anwendungsfall ab. Es gibt nämlich nicht den einen Zwilling, sondern je nach Anwendungsfall unterschiedliche Ausprägungen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen:

  • Digital Product Twin, der dazu dient, das Verhalten des späteren Produkts zu simulieren und virtuell abzusichern;
  • Digital Factory Twin, der Planung, Überwachung und Optimierung der Produktionsprozesse im Sinne von Industrie 4.0 unterstützt
  • Digital Service Twin, der das reale Produkt im Betrieb begleitet und Dienste wie Predictive oder Prescriptive Maintenance ermöglicht.4

Erst das IoT macht den Digital Twin lebendig

Laut Deloitte ist das Internet of Things (IoT) obligatorische Vorstufe für den Digital Twin.5 Diese Einschätzung ist jedoch nicht unumstritten, denn das Konzept stammt ursprünglich aus einer Zeit, als es das IoT noch nicht gab und war stark in der PLM-Welt verwurzelt.6 Zudem gibt gerade im Bereich der Augmented Reality Anwendungsbeispiele, in denen der Digital Twin ohne IoT auskommt. Unbestreitbar ist jedoch, dass der digitale Zwilling erst in Verbindung mit IoT, Big Data Analytics und Artificial Intelligence richtig zum Leben erwacht.

Auf der anderen Seite gibt es Anwendungsbeispiele, in denen der Digital Twin losgelöst von der PLM-Welt sein Eigenleben entfaltet. Aber erst in Verbindung mit PLM kann er das reale Objekt wie ein digitaler Schatten über den gesamten Produktlebenszyklus begleiten, um z.B. die Software in einer ausgelieferten Produktinstanz automatisch zu aktualisieren oder die Informationen aus der Betriebsphase wieder in die Entwicklung zurückzuspielen. Man spricht bei der durchgängigen Verbindung von PLM und IoT auch von Digital Thread.7

Vom Digital Master zum Digital Twin

Zur Sicherstellung der digitalen Durchgängigkeit wird der Digital Twin als konkrete Ausprägung einer ausgelieferten oder auszuliefernden Instanz des Produkts oder Systems vom Digital Master abgeleitet.8 Dieser Master umfasst neben den Geometriedaten auch Stücklisten, Variantenkonfiguration etc. und speist sich aus unterschiedlichen Datenquellen (PLM, ALM, ERP, MES etc.), die oft nur rudimentär miteinander verknüpft sind. In einem ersten Schritt müssen deshalb die erforderlichen Informationen für den digitalen Zwilling identifiziert und in einem übergreifenden Informationsmodell bereitgestellt werden. Um sie sinnvoll mit den Betriebsdaten aus dem Feld bzw. der Produktion verknüpfen zu können, müssen aber auch diese unstrukturierten Massendaten aufbereitet werden. Hierfür werden in aller Regel fortschrittliche Data-Analytics- und AI-Verfahren und eingesetzt, die ein wesentlicher Bestandteil von IoT-Plattformen sind. Zunehmend setzt sich dabei der Trend zum Edge Computing, d.h. der Datenaufbereitung in Sensornähe durch, um nicht riesige Datenmengen in die Cloud schicken zu müssen.9

Breites Spektrum möglicher Einsatzgebiete

Die Produktionstechnik ist mit Blick auf die autonome Fertigung und Industrie 4.0 zweifellos eines der wichtigsten Einsatzgebiete für Digital Twins, aber es gibt Deloitte zufolge ein breites Einsatzspektrum von Connected-Car-Anwendungen über Energieversorgung, Gesundheitswesen, Logistik bis zur Telekommunikation. Marktanalysten gehen deshalb davon aus, dass sich die Technologie in den nächsten Jahren auf breiter Front durchsetzen wird. Gartner prognostiziert z.B., dass bis 2021 die Hälfte der Großunternehmen in der Fertigungsindustrie Digital Twins einsetzen werden.10

PLM-nahe IoT-Plattformen als Basis für den Digital Thread

Grundsätzlich kann für jedes smart vernetzte Objekt ein digitaler Zwilling aufgebaut werden. Bei der Implementierung müssen sich die Unternehmen deshalb erst einmal darüber klar werden, welcher Anwendungsfall für sie den größten Nutzen verspricht, welche Informationen sie dafür benötigen und ob sie überhaupt Zugang zu diesen Informationen haben. Es ergäbe zum Beispiel wenig Sinn, Maschinen mit Sensorik für Predictive Maintenance auszustatten und einen Service Twin aufzubauen, wenn die Käufer dieser Maschine den Zugang zu Betriebsdaten verweigern. Umgekehrt kann es durchaus sein, dass der Käufer einen digitalen Zwilling der Maschine verlangt, um in seiner Anlage damit den Produktionsablauf simulieren und optimieren zu können.

Von dem Anwendungsfall hängt letztlich auch ab, welche IoT-Bausteine das betreffende Unternehmen benötigt. Die Wahl einer PLM-nahen IoT-Plattform kann dazu beitragen, den Aufwand für die Sicherstellung der digitalen Durchgängigkeit im Sinne des Digital Thread zu minimieren. Die meisten PLM-Hersteller bieten heute entsprechende Plattformen an.

Die Zukunft des digitalen Zwillings: Industrielle Revolution

Der zukünftige digitale Zwilling wird sowohl Daten als auch Schnittstellen beinhalten. Er wird ein facettenreiches digitales Pendant zum realen Asset sein, eingebettet in ein IoT-/Industrie-4.0-Ökosystem. Er wird als Zugangspunkt für eine neue Generation von Anwendungen und Algorithmen und als Vermittler zwischen zukünftigen IoT/Industrie-4.0-Diensten und der realen Welt fungieren.

In einem cyberphysikalischen System einer IoT-/Industry-4.0-Umgebung verbindet der digitalen Zwilling die physikalische Welt mit der IoT/Industrie-4.0-Service-Welt. Die Entwicklung des Begriffs "digitaler Zwilling" ist ein eindrucksvolles Beispiel für die bevorstehende Revolution. Der zukünftige digitale Zwilling, in Kombination mit Cloud-Technologie, Apps und Algorithmen, hat das Potenzial, jeden Aspekt der Industrie zu revolutionieren, weil er jeden Aspekt berührt. Die Möglichkeiten sind endlos, der digitale Zwilling ist nur der Anfang.3

in Anlehnung an Fraunhofer IOSB The digital twin: the evolution of a key concept of Industry 4.0

Quellen
1 Gartner: Top 10 Strategic Technology Trends for 2017 und Gartner Top 10 Strategic Technology Trends for 2018 (eingesehen am14.12.2018)
2 Wikipedia: Digitaler Zwilling (eingesehen am14.12.2018)
3 Rainer Drath: The digital twin: the evolution of a key concept of Industry 4.0 (eingesehen am14.12.2018)
4 Aktuelle Technik:Digitaler Zwilling – Herz der Digitalisierung (eingesehen am14.12.2018)
5 Deloitte: Grenzenlos vernetzt: Digital Twins. Smarte Vernetzung durch IoT, Digitale Zwillinge und die Supra-Plattform. (eingesehen am14.12.2018)
6 i-SCOOP:Digital twin technology and simulation: benefits, usage and predictions 2018 (eingesehen am14.12.2018)
7 Industry Week: Demystifying the Digital Thread and Digital Twin Concepts (eingesehen am14.12.2018)
8 CONTACT Software: Der Digitale Zwilling erschließt neue Geschäftsfelder (eingesehen am14.12.2018)
9 G2Crowd: Edge Computing (eingesehen am14.12.2018)
10 Gartner: Prepare for the Impact of Digital Twins (eingesehen am14.12.2018)
11 Fraunhofer IOSB: The digital twin: the evolution of a key concept of Industry 4.0 (eingesehen am 07.01.2019)

Weiterführende Informationen

 

Wir helfen Ihnen gern!
Sprechen Sie mit einem Mitarbeiter:

Zentrale
+49 421 20153-0
Service-Hotline
+49 421 20153-44

Standorte