Digital Twins für industrielle Anwendungen

Digital Twins Anwendungen können im industriellen Kontext relativ vielfältig sein. Dieser Beitrag gibt einen praktischen Überblick zu digital Twins und erläutert, welche Aspekte bei der Planung und dem Einsatz eines digital Twins beachtet werden müssen.

Digital Twin Definition

Ein digital Twin (Deutsch: digitaler Zwilling) ist eine formale digitale Darstellung eines Vermögenswerts, eines Prozesses oder eines Systems. Dieser digital Twin erfasst die Attribute und Verhaltensweisen dieser Einheit, die für die Kommunikation, Speicherung, Interpretation oder Verarbeitung in einem bestimmten Kontext geeignet sind.

Die Informationen des digital Twins umfassen unter anderem Kombinationen aus den folgenden Kategorien:

• physikbasierte Modelle und Daten
• analytische Modelle und Daten
• Zeitreihendaten und historische Daten
• transaktionale Daten
• Stammdaten
• visuelle Modelle
• Berechnungen

Beziehungen zwischen digital Twins in Systemen

Ein diskreter digital Twin ist eine einzelne Einheit, die einen Wert liefert, ohne dass sie weiter aufgeschlüsselt werden muss. Beispielsweise kann das Getriebe oder der Motor einer Kugelmühle im Bergbau auf dieser Entitätsebene überwacht werden. Die Zusammenstellung diskreter digital Twins zu einem zusammengesetzten digital Twin wird in Abbildung 1 als vertikale Ausdehnung dargestellt, die die Zunahme der Zusammensetzung von einer einzelnen zu vielen Entitäten beschreibt.

Ein zusammengesetzter digital Twin ist eine Kombination diskreter digital Twins, die eine Entität aus mehreren einzelnen Komponenten oder Teilen darstellen. Die Zusammensetzung kann auf verschiedenen Ebenen erfolgen. Zum Beispiel ist eine Produktionszelle eine zusammengesetzte Einheit, deren digital Twin aus den digital Twins der Geräte innerhalb der Produktionszelle besteht. Ein ganzes Werk ist ein System, dessen digital Twin aus mehreren anderen zusammengesetzten digital Twins besteht.

Abbildung 1: Arten und Zusammensetzung von digital Twins

Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann die Beziehung zwischen digital Twins unterschiedlich sein:

• Hierarchisch: Genau wie in der realen Welt kann ein Satz digital Twins von Komponenten zu einem digital Twin einer Anlage zusammengefügt werden, ein Satz digital Twins von Anlagen kann zu einem digital Twin einer Produktionslinie zusammengefügt werden, ein Satz digital Twins von Produktionslinien kann zu einem digital Twin einer Fabrik zusammengefügt werden usw.
• Assoziativ: Es gibt Assoziationen zwischen digital Twins, genau wie bei ihren realen Gegenstücken. Ein digital Twin einer Gaspipeline ist mit seinen digital Twins der Gasproduktions- und -verbrauchsanlagen verbunden.
• Peer-to-Peer: Die Peer-to-Peer-Beziehung wird in einer Gruppe von Geräten gleichen oder ähnlichen Typs beobachtet, die die gleichen oder ähnlichen Funktionen ausführen. Die Gesamtwirkung aller Anlagen ist die einfache Summe der von den einzelnen Anlagen erzeugten Wirkung. In einem Windpark beispielsweise bildet eine Gruppe von Windturbinenmotoren den zusammengesetzten digital Twin der Windturbine.

Abbildung 2: Beziehung zwischen digital Twins in einem System

Digital Twin im Lebenszyklus einer Entität

Die Informationen über eine Entität sind normalerweise über mehrere Informationsquellen verstreut, die von verschiedenen Bereichen im Unternehmen entwickelt und gepflegt werden. Dies führt zu einem gestörten Informationsfluss über den gesamten Lebenszyklus der Entität, da diese Informationsquellen möglicherweise nicht ordnungsgemäß Daten austauschen. Einige Informationen können doppelt vorhanden oder inkonsistent sein, und andere Informationen können fehlen. Infolgedessen ist ein erheblicher Zeitaufwand erforderlich, um die relevanten Informationen zu finden, sie in ein geeignetes Format zu konvertieren und die darin enthaltenen semantischen Beziehungen zu erkennen. Darüber hinaus kann dies zu widersprüchlichen operativen Informationen führen, was wiederum eine schlechtere Entscheidungsfindung zur Folge haben kann.

Digital Twins können helfen, diese Probleme zu lösen. Ein digital Twin dient als Proxy, der Daten zentral für jede Einheit sammelt und diese Informationen dann über Integrationsschnittstellen den verschiedenen Unternehmensbereichen für ihre spezifischen Anwendungen zur Verfügung stellt. Dies verbessert die Entscheidungsfindung durch ein gemeinsames Verständnis des Betriebsstatus und senkt die Gesamtlebenszykluskosten für den Betrieb und die Wartung einer Anlage.

Abbildung 3: Arbeitsvorgänge ohne vs. mit digital Twin

Technische Aspekte von digital Twins Anwendungen

Abb. 4 zeigt einige technische Aspekte eines digitalen Zwillings, die im Folgenden erläutert werden.

Abbildung 4: technische Aspekte von digital Twins

Informationsbestand

Die Informationen für digital Twins stammen aus verschiedenen Quellen. Einige können auch innerhalb der digital Twins verwaltet werden. Wenn beispielsweise eine fortgeschrittene Analyseanwendung den Inhalt eines digital Twins als Eingabe verwendet, speichert die Anwendung möglicherweise nur die Ergebnisse der Analyse im digital Twin selbst. Daher müssen verschiedene wichtige Entscheidungen bezüglich der Zusammenstellung von Informationen aus Informationsquellen in digital Twins getroffen werden:

• Mechanismen die Informationen aus verschiedenen Quellen wie Geräten, Anwendungen, Datenbanken oder anderen digital Twins erfassen.
• Mechanismen die Informationen in digital Twins kopieren oder die Informationen aus digital Twins referenzieren.
• Mechanismen, um die Informationen zwischenzuspeichern.
• Mechanismen, um Online- und Offline-Informationen aufzufüllen (z. B. für die Online-Überwachung von realen Einheiten oder in Offline-Simulationstests).

Informationsmodellierung

Das Kernelement des digital Twins ist die Information, die sich auf die verschiedenen Lebenszyklusphasen der zugrunde liegenden Entität bezieht. In diesem Zusammenhang müssen verschiedene Aspekte beachtet werden. Beispiele hierfür sind:

• Ein Metamodell für digital Twins, das die erforderlichen internen Modelle für Anwendungsfälle beschreibt.
• Mechanismen zur Strukturierung und Modularisierung des Inhalts digital Twins und zur Erweiterung des Inhalts, wenn im Laufe des Lebenszyklus der Entität neue Arten von Informationen verfügbar werden.
• Standards, die angenommen werden müssen, um die Struktur und den Inhalt digital Twins zu definieren, damit der unternehmensübergreifende Informationsaustausch erleichtert wird.
• Mechanismen zur Abbildung vorhandener Informationen auf solche Standards.
• Mechanismen zur Modellierung der Beziehungen zwischen den Informationen innerhalb eines digital Twins.

Synchronisierung von Informationen

Die Überlegungen hierbei sind:

• Mittel zur Synchronisierung von Informationen zwischen einem digital Twin und den relevanten Informationsquellen in beiden Richtungen: von der Informationsquelle zum digital Twin und umgekehrt.
• Mechanismen zur Synchronisierung von Informationen zwischen mehreren digital Twins, die zu verschiedenen Kompositionsformen gehören.
• Richtlinien (wie Sicherheit und Synchronisationshäufigkeit) zur Durchführung der Informationssynchronisation.
• Normen und Mittel zur Gewährleistung der Interoperabilität von digital Twins und ihrer Informationsquellen, um die Informationssynchronisation zu erleichtern.

APIs:

Digital Twins interagieren mit anderen Komponenten. Um die Interaktionen zu erleichtern, müssen verschiedene APIs vorhanden sein. APIs werden benötigt für:

• die Interaktion mit anderen digital Twins.
• die Interaktion mit der entsprechenden zugrundeliegenden Entität, um die Sammlung von Informationen und deren Kontrolle zu erleichtern.
• die Interaktion mit anderen Informationsquellen zur Anreicherung und Synchronisierung des Inhalts des digital Twins.

Konnektivität

Konnektivität ist der Schlüssel für die Interaktion mit und zwischen digital Twins. Im Hinblick auf die Konnektivität müssen verschiedene wichtige Entscheidungen getroffen werden. Beispiele hierfür sind:

• Mechanismen zur eindeutigen Identifizierung eines digital Twins und seiner zugrunde liegenden Entität, um eine Verbindung zwischen ihnen herzustellen.
• Mechanismen zur automatischen Erkennung der zugrunde liegenden Entität im Netz, um die Verbindung zu ihrem digital Twin herzustellen.
• Mechanismen zur Erkennung anderer digital Twins, um die Verbindung zwischen ihnen herzustellen.
• Konnektivitätsstandards zur Erleichterung der Interoperabilität zwischen verschiedenen Anbietern.

Einsatz

Digital Twins können je nach den Anforderungen der Anwendung in einem breiten Spektrum vom Edge bis zur Cloud eingesetzt werden. Die Entscheidung basiert in der Regel auf Faktoren wie:

• Latenz- und Reaktionszeitanforderungen
• Interoperabilität und Integration mit anderen Systemen
• Kontrollanforderungen
• Komplexität und Leistungsanforderungen der Analyse

Interoperabilität

Interoperabilität ist "die Fähigkeit von zwei oder mehr Systemen oder Anwendungen, Informationen auszutauschen und die ausgetauschten Informationen gegenseitig zu nutzen". Um Interoperabilität zu erreichen, sind internationale Normen oder gemeinsam vereinbarte Kommunikationsprotokolle erforderlich, um die Syntax der Informationen, die Semantik der Informationen, das erwartete Verhalten und die Richtlinien für den Informationsaustausch festzulegen. Verschiedene wichtige Entscheidungen müssen im Hinblick auf die Interoperabilitätsaspekte von digital Twins getroffen werden. Beispiele hierfür sind:

• Mechanismen und Normen zur Gewährleistung der Interoperabilität mehrerer digital Twins untereinander.
• Mechanismen und Normen zur Gewährleistung der Interoperabilität verschiedener Anwendungen mit digital Twins.
• Mechanismen und Normen zur Gewährleistung der Interoperabilität von digital Twins mit den ihnen zugrunde liegenden Entitäten.
• Mechanismen und Normen zur Gewährleistung der Interoperabilität von digital Twins mit den zugrunde liegenden Informationsquellen.

Sicherheit

Die Interaktion von digital Twins mit verschiedenen Einrichtungen erfordert unterschiedliche Sicherheitsüberlegungen. Beispiele hierfür sind:

• Mechanismen zur Sicherung des Zugriffs auf den Inhalt eines digital Twin, z. B. durch rollenbasierte Zugriffskontrolle.
• Mechanismen zur Sicherung des Zugriffs auf die einzelnen digital Twins, die von verschiedenen Anbietern stammen und zusammengesetzte digital Twins bilden.
• Mechanismen zur Sicherung der Interaktionen mit der zugrundeliegenden Entität über ihren digital Twin.
• Methoden zur Gewährleistung der Authentizität von Informationen, Modellen und anderen Metadaten, wie z. B. die Identitäten anderer Parteien und ihre kryptografischen Schlüssel sowie ihre Zugangsrechte und Privilegien.
• Methoden zur sicheren Bereitstellung von digital Twins und zur Gewährleistung, dass korrekte, nicht manipulierte Softwareversionen ausgeführt werden, um die Vertrauenswürdigkeit der Lösung zu erhöhen, die zum Schutz des geistigen Eigentums bestimmter Arten von digital Twins beitragen kann.

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Falls Sie noch mehr über digital Twins wissen wollen können Sie diesen Beitrag lesen: Digital Twin Use Cases