Digital Twin – Use Cases und kompatible Technologien 

Inhaltsverzeichnis

1. Was ist ein digitaler Zwilling? 
2. Datensynchronisierung – was einen digitalen Zwilling ausmacht 
3. Use Cases für digitale Zwillinge in verschiedenen Branchen 
4. Identifizieren brauchbarer Sources of Truth 
5. Wie digitale Zwillinge von anderen Technologietrends profitieren  
6. So starten Sie die Implementierung eines digitalen Zwillings 

Was ist ein digitaler Zwilling? 

Der digitale Zwilling ist ein leistungsstarkes Konzept, das Branchen auf der ganzen Welt revolutioniert. Da immer mehr Unternehmen beginnen das Potenzial zu erkennen, werden Hindernisse für die Entwicklung mit zunehmender Geschwindigkeit durchbrochen. In Kombination mit anderen kommenden Technologietrends hat es ein noch größeres Potenzial. Aber was genau ist ein digitaler Zwilling (Digital Twin - DT)? 

Wie so oft gibt es viele Definitionen und die meisten davon sind richtig und können hilfreich sein. Ich möchte jedoch die vom Digital Twin Consortium vorgeschlagene Definition verwenden und analysieren – eine Organisation, die sich der Förderung der weit verbreiteten Einführung der Digital Twin-Technologie und des damit verbundenen Werts verschrieben hat. 

Die Definition lautet wie folgt: 

„Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Darstellung realer Entitäten und Prozesse, die mit einer bestimmten Frequenz und Genauigkeit synchronisiert werden.“ 

Diese kurze Definition betont zwei wichtige Aspekte: Erstens signalisiert es, dass ein digitaler Zwilling eine digitale Repräsentation nicht nur von Objekten, sondern auch von realen Prozessen und Systemen sein kann. Zweitens unterstreicht es den entscheidenden Aspekt der Verbindung dieser beiden Welten, indem es darauf aufmerksam macht, dass die Häufigkeit, Qualität und Quantität von Daten nicht vorgegeben ist, sondern von ihrem spezifischen Anwendungsfall abhängt. Manchmal können dies komplexe Daten von Düsentriebwerken sein, die Tausende Male pro Sekunde mit unglaublicher Präzision übertragen werden, manchmal kann es auch eine einfache Angabe sein, die die Menge an Abfall in einem Produktionsprozess zeigt. 

Datensynchronisierung – was einen digitalen Zwilling ausmacht 

Es ist wichtig, einen digitalen Zwilling von einer Simulation oder einem digitalen Modell zu unterscheiden. Der Schlüssel zum Verständnis des Unterschieds liegt in der Synchronisation. Es sollte automatisch und wechselseitig zwischen dem physischen Prozess oder Objekt und seiner digitalen Repräsentation erfolgen. Simulationen und digitale Modelle sind oft statisch, basieren auf vielen Annahmen losgelöst von der Realität und beantworten die Frage nach dem „könnte sein“, ohne direkten Einfluss auf ihren realen „Zwilling“. Auf der anderen Seite setzt ein digitaler Zwilling einen aktiven, automatischen Datenaustausch voraus, der die Frage nach dem „was ist“ beantwortet und oft einen viel breiteren Kontext behält als einzelne Simulationen (Simulationen und digitale Modelle sind oft Bestandteile eines DT). Auf diese Weise bleibt es ständig mit dem System verbunden, das es repräsentiert und kann es beeinflussen oder verändern. 

Abbildung 1. Digital Twin - Data Exchange Flow Classification. Source: The 3 Levels of the Digital Twin Technology (vidyatec.com) 

Das obige Diagramm zeigt eine Klassifizierung basierend auf einem Datenaustausch. Es enthält auch eine Übergangsphase, die als „digitaler Schatten“ bezeichnet wird. Die Implementierung eines digitalen Schattens ist oft ein guter Ausgangspunkt. Informationen, die aus der realen Welt in die virtuelle Darstellung fließen (ohne eine Rückkopplungsschleife oder die Möglichkeit, physische Anlagen oder Prozesse automatisch zu beeinflussen), können ebenfalls einen erheblichen geschäftlichen Wert darstellen. Dies ist oft ein guter iterativer Ansatz zur Digitalisierung und zum Erreichen des „vollständigen“ digitalen Zwillings. 

Use Cases für digitale Zwillinge in verschiedenen Branchen 

Zunächst möchte ich mit dem Mythos aufräumen, dass das Konzept des digitalen Zwillings hauptsächlich in der Fertigungsindustrie Anwendung findet. Es stimmt, dass Industrie 4.0 eine völlig neue industrielle Revolution mit sich bringt, die auf Daten, Automatisierung und Vernetzung basiert. Diese Idee kommt dem Thema dieses Artikels sehr nahe und kann von einer Implementierung des digitalen Zwillings stark profitieren. Die Technologie des digitalen Zwillings kann dazu beitragen, die erforderliche Automatisierung und intelligente Entscheidungsfindung zu erreichen und reaktionsschnelle Umgebungen zu schaffen, die effizientere, flexiblere und anpassbarere Produktionsprozesse und Lieferketten ermöglichen. Dennoch gibt es angesichts der rasanten technologischen Entwicklung und der zunehmenden branchenübergreifenden Digitalisierung in fast allen Bereichen Platz für einen digitalen Zwilling. 

Im Gesundheitswesen kann der Digital Twin beispielsweise bei der Patientenüberwachung, Telemedizin, klinischen Forschung, klinischen Verwaltung und der Optimierung medizinischer Geräte unterstützen. Es kann sich auch positiv auf den gesamten Herstellungsprozess von Arzneimitteln auswirken. Im öffentlichen Sektor werden digitale Zwillinge zur Umsetzung von Smart-City- und Smart-Building-Konzepten eingesetzt und beeinflussen den Komfort und die Ergonomie unseres täglichen Lebens (siehe Case Study). 

Der Einzelhandel erlebt eine echte Datenrevolution. Abgesehen von der offensichtlichen Nutzung des digitalen Zwillings zur Optimierung von Produktions- und Lieferketten erstellen Einzelhändler bei der Erstellung von Kundenprofilen tatsächlich eine virtuelle Kopie der Realität. Die Eingabedaten für dieses Modell umfassen Kaufhistorie, Einkaufspräferenzen und andere identifizierbare Gewohnheiten. Aber wie hält man die Feedback-Schleife aufrecht, die eine der zwingenden Voraussetzungen für den digitalen Zwilling ist? Nun, es wird meistens mit einem der leistungsstärksten IoT-Geräte implementiert – einem Smartphone. Mit dessen Hilfe ist es möglich, alle Arten von Informationen in Echtzeit zu erfassen und an den Kunden zu übermitteln, seine Entscheidungen zu beeinflussen und eine ständige Feedback-Schleife sicherzustellen. 

Um die Vorteile der Implementierung digitaler Zwillinge nutzen zu können, müssen Sie den richtigen Anwendungsfall für Ihr Unternehmen finden. Dies kann je nach den genauen Anforderungen Ihres Unternehmens und Ihrer Branche erheblich abweichen. Das Konzept des digitalen Zwillings ist sehr weit gefasst. Hier ist eine einfache Liste der häufigsten Use Cases. 

• Vorausschauende Wartung/ Predictive Maintenance – Wartungspläne können vorhergesagt werden, indem die Leistung und der Zustand der Ausrüstung in Echtzeit überwacht werden, was zu reduzierten Ausfallzeiten und erhöhter Effizienz führt. 
• Risikomanagement – Digitale Zwillinge ermöglichen die Simulation und Analyse potenzieller Risiken wie Naturkatastrophen oder Geräteausfälle und ermöglichen die Erstellung von Risikominderungsplänen. 
• Betriebsoptimierung – Optimierung von Produktionsprozessen, Lieferkettenabläufen und Logistik, was zu mehr Effizienz und Kostensenkung führen kann. 
• Qualitätskontrolle – Überwachung und Kontrolle der Produkt- und Servicequalität, indem sichergestellt wird, dass sie die Kundenerwartungen und Industriestandards erfüllen. 
• Asset Performance Management – Digitale Zwillinge ermöglichen die Verwaltung und Überwachung der Leistung von physischen Assets wie Gebäuden und Infrastrukturelementen, identifizieren verbesserungswürdige Bereiche und gewährleisten Spitzenbetrieb. 
• Fernüberwachung und -steuerung – Die Fernüberwachung und -steuerung von physischen Vermögenswerten wie Industrieanlagen oder der Infrastruktur reduziert den Bedarf an Vor-Ort-Kontrollen und erhöht die Effizienz. 
• Aus- und Weiterbildung – Virtuelle Schulungsumgebungen können mit digitalen Zwillingen bereichert werden und Mitarbeitern eine sichere und kontrollierte Umgebung zum Ausprobieren und Lernen bieten. 
• Forschung und Entwicklung – Digitale Zwillinge ermöglichen die Simulation und das Testen neuer Produkte, Prozesse und Designs, reduzieren den Bedarf an physischen Prototypen und ermöglichen schnellere Entwicklungszyklen. 
• Smart Cities & Smart Buildings – Digitale Zwillinge können die Leistung von Smart Cities und Smart Buildings optimieren, darunter Transportsysteme, Energieverteilung, öffentliche Dienstleistungen, HLK-Systeme, Beleuchtung und Sicherheitssysteme. 
• Virtuelle und erweiterte Realität – die digitale Zwillingstechnologie ermöglicht eine immersive Integration mit virtuellen und erweiterten Realitätserfahrungen, sodass Benutzer mit realen Objekten in einer virtuellen Umgebung interagieren können. 

Die obige Liste ist nur ein grober Überblick über die Möglichkeiten zur Anwendung dieser Technologie. Dennoch liegt es an den technischen und kaufmännischen Führungskräften, den gewünschten Umfang der Implementierung des digitalen Zwillings festzulegen und in welchen Bereichen sie den größten Wert generieren wird. 

Identifizieren brauchbarer Sources of Truth 

Die Implementierung von Geschäftsfunktionalitäten auf Basis des Konzepts des digitalen Zwillings, erfordert eine große Datenmenge. Es überrascht nicht, dass IoT-Geräte und andere Arten von Hardware oft zuerst als Datenquellen für DT ausgewählt werden. Schließlich scheinen IoT-Geräte der perfekte Kandidat zu sein, um die Rückkopplungsschleife bereitzustellen, die für die Integration des digitalen Zwillings in die reale Welt erforderlich ist. Es ist jedoch wichtig zu erkennen, dass IoT nicht die einzige relevante Datenquelle ist. Tatsächlich sind oft andere ebenso wichtige Datenquellen erforderlich, die die gestaltete digitale Welt verbessern können. Hier die Auflistung: 

• Engineering-Modelle – wie CAD- und 3D-Modelle – können detaillierte Informationen über die physikalischen Eigenschaften des Objekts (Größe, Form, Baumaterialien usw.) liefern. 
• Historische Daten – Wartungsaufzeichnungen und Betriebsprotokolle können verwendet werden, um Informationen über den Verlauf des Vermögenswerts bereitzustellen (Nutzung, Reparaturen, Wartung usw.). 
• Externe Daten und externe Systeme – Informationen über externe Bedingungen, die sich auf die Anlage oder den von ihr unterstützten Prozess auswirken können (Temperatur, Verkaufsdaten, Logistikdaten usw.). 
• Simulationsmodelle – können verwendet werden, um das Verhalten von Assets unter verschiedenen Bedingungen zu simulieren (thermisches, mechanisches und elektrisches Verhalten usw.). 

Wie Sie sehen können, reicht die Liste der brauchbaren Quellen weit über IoT-Geräte hinaus. Es ist wichtig, sich an die verschiedenen anderen Optionen während der Implementierung des digitalen Zwillings zu erinnern, da bereits vorhandene Daten im Digitalisierungsprozess sehr wertvoll sind. Verwenden und integrieren Sie diese in die gelieferte Lösung. 

Wie digitale Zwillinge von anderen Technologietrends profitieren  

Jetzt möchte ich darauf eingehen, warum ich glaube, dass das Konzept des digitalen Zwillings in Kombination mit anderen aktuellen Trends noch größeres Potenzial hat. Analysieren wir die Auswirkungen, die andere Trends auf dem Markt auf die Entwicklung des digitalen Zwillings haben können: 

• KI-gestützte digitale Zwillinge – durch die Integration künstlicher Intelligenz (KI) in die digitale Zwillingstechnologie erhalten Sie Zugang zu fortschrittlicheren Modellen, die in der Lage sind, komplexe Systeme vorherzusagen, zu planen, zu optimieren und zu simulieren. Es gibt jedoch eine andere, vielleicht sogar noch vielversprechendere Möglichkeit – digitale Zwillinge, die autonom Entscheidungen treffen können und auf sich ändernde Bedingungen reagieren und Anpassungen in Echtzeit vorzunehmen. Auf diese Weise können Sie die Rückkopplungsschleife zwischen realen und virtuellen Objekten und Prozessen automatisch schließen und das volle Potenzial der Digital-Twin-Technologie erschließen. 
• Quantum Computing könnte das Potenzial des digitalen Zwillings erheblich beeinflussen, indem es die Datenverarbeitungskapazitäten erweitert. Eine der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit digitalen Zwillingen ist die Notwendigkeit, große Datenmengen in Echtzeit zu verarbeiten und zu analysieren. Herkömmliche Computer können in diesem Bereich ein Engpass sein. Durch die Implementierung von Quantencomputern haben Sie jedoch Zugriff auf eine unglaubliche Rechenleistung für die Datenverarbeitung und -analyse. Dies, gepaart mit einem innovativen Ansatz zum Erstellen von Algorithmen und zum Lösen komplexer Probleme, hilft dem Quantum Computing, fortschrittlichere digitale Zwillingsmodelle zu erstellen. All dies kann zu genaueren Simulationsergebnissen führen, einschließlich Wartungs- und Systemleistungsvorhersagen. 

• Die Entwicklung von 5G- und IoT-Geräten ermöglicht die Erstellung genauerer und aktuellerer digitaler Nachbildungen von physischen Anlagen und Prozessen, indem die zunehmende Verfügbarkeit von drahtloser Hochgeschwindigkeits-Konnektivität mit geringer Latenz genutzt wird. Mit 5G-Netzen, höherer Leistung, Verfügbarkeit und einer Popularisierung von IoT-Geräten können digitale Zwillinge ein breiteres Spektrum an Anwendungsfällen und neuen Geschäftsmodellen unterstützen. 
• Edge Computing hat bereits einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung der Digital Twin-Technologie. Da der Erfolg von DT stark von der Erfassung und Verarbeitung von Daten von Sensoren und anderen IoT-Geräten abhängt, kann die Übertragung all dieser Daten an einen zentralen Ort zur Verarbeitung durch erhebliche Latenz- und Bandbreitenbeschränkungen behindert werden. Edge Computing geht dieses Problem an, indem es die Datenverarbeitung und -analyse am Rand des Netzwerks (oder sogar auf dem Sensor selbst) ermöglicht, näher an der Stelle, an der die Daten generiert werden. Die Weiterentwicklung des Edge-Computing soll dazu beitragen, weitere Anwendungsfälle für die Digital-Twin-Technologie zu identifizieren. 
• Blockchain kann helfen ein dezentrales digitales Ökosystem zu schaffen. Durch die Kombination dieser beiden Technologien entsteht ein sicheres und transparentes digitales Hauptbuch (Datenquelle), das Daten speichern und zwischen mehreren am Ökosystem des digitalen Zwillings beteiligten Parteien wie Herstellern, Betreibern und Wartungsanbietern austauschen kann. Blockchain kann auch neue Geschäftsmodelle sowie die Entwicklung neuer Dienste und Einnahmequellen ermöglichen, indem es sichere und effiziente Transaktionen ermöglicht. 
• Virtual & Augmented Reality – die Frage ist, ob ein digitaler Zwilling eine Visualisierung in Form von 3D-Objekten bieten sollte? Technisch gesehen ist die Antwort „nein“, aber für uns Menschen ist dies die natürlichste Methode, Objekte aus der realen Welt zu empfangen und zu visualisieren. Daher werden 3D-Visualisierungen häufig im Rahmen von Digital-Twin-Implementierungen verwendet. Die Entwicklung von Virtual und Augmented Reality (VR/AR) ermöglicht noch immersivere und interaktivere Erfahrungen mit digitalen Zwillingen, die für die Benutzer natürlicher und intuitiver sind. Mit VR/AR können die Benutzer den digitalen Zwilling in Echtzeit erkunden und manipulieren, wodurch es einfacher wird, potenzielle Probleme zu identifizieren, Prozesse zu optimieren und fundierte Entscheidungen zu treffen. Dies kann besonders wertvoll in Branchen wie der Fertigung sein, wo komplexe Anlagen und Prozesse ohne praktische Erfahrung schwierig zu verstehen sein können. 

So starten Sie die Implementierung eines digitalen Zwillings 

Es gibt keinen einheitlichen Leitfaden für die Implementierung digitaler Zwillinge. Die Zahl der Lösungen und Plattformen, welche die Entwicklung von DT unterstützen, ist bereits recht groß. Führende Cloud-Anbieter und PaaS-Plattformen bieten Unterstützung für dieses Konzept und erleichtern den Start und die Integration, insbesondere wenn es um Hardware und Daten von IoT-Sensoren geht. Da das Konzept des digitalen Zwillings so weit gefasst ist und zahlreiche Anwendungen hat, gibt es derzeit keine universelle Lösung. Der gesamte Prozess erfordert einen individuellen Ansatz und oft eine kundenspezifische Entwicklung. Der erste Schritt sollte eine gründliche Analyse der Bedürfnisse Ihres Unternehmens sein, die zur Identifizierung eines MVP führt, das den Geschäftswert der geplanten Lösung aufzeigt.  

Um eine vollständige Implementierung eines digitalen Zwillings durchzuführen, benötigen Sie fundierte Kenntnisse in der Daten- und Softwareentwicklung. Die Suche nach einem vertrauenswürdigen Technologiepartner ist eine der Optionen, um den Zugang zu solchen Fähigkeiten zu gewährleisten. Wenn Sie daran interessiert sind, die vorteilhaftesten Use Cases für digitale Zwillinge für Ihr Unternehmen zu identifizieren, können Sie gerne unsere Data- und AI-Webseite besuchen. Unsere Datenexperten beantworten gerne Ihre Fragen und helfen bei der Planung und Umsetzung.