Digital Twin – die Fortsetzung von IoT

08. Mai 2019 Tomasz Kielar

Bei den zahlreichen neuen Technologien, die die heutige Unternehmenslandschaft prägen, kann man leicht den Überblick verlieren. Viele kennen bereits Industrie 4.0 und das Internet der Dinge (Internet of Things oder IoT) – beide Begriffe stehen für eine Ansammlung verschiedener Technologien und die dazugehörigen Anwendungen. Dazu gehört auch Digital Twin, ein neuer Ansatz, der allmählich an Fahrt gewinnt.

Tatsächlich wird Digital Twin oftmals als natürliche Nachfolge von IoT gesehen. In einer digital vernetzten Welt ist Digital Twin der logische nächste Schritt.

Ein Digital Twin ist – kurz gesagt – eine Kopie der physischen Welt in einer digitalen Umgebung. Dabei entstehen für Unternehmen neue Spielräume, Chancen und Vorteile.

Was ist ein Digital Twin?

Das Konzept des Digital Twins wurde erstmals 2001 von Michael Grieves an der University of Michigan ins Leben gerufen. Aber erst seit einigen Jahren ermöglicht der technische Fortschritt dessen Umsetzung.

Einfach gesagt ist Digital Twin eine virtuelle Replika eines physischen Produktes oder Gegenstandes. Diese Kopie wird in Echtzeit aktualisiert (oder so regelmäßig wie möglich), um seinem physischen Gegenstück so stark wie möglich zu ähneln.

Diese Modell kann dann für eine Vielzahl von Zwecken benutzt werden, wie zum Beispiel das Testen neuer Strategien oder die Analyse vergangener Ereignisse.

Wie funktioniert das Ganze? Sensoren und andere Komponente werden benutzt, um genaue Daten über das Produkt oder den Gegenstand zu sammeln. Diese Daten werden dann verarbeitet und zur Erstellung der Kopie benutzt. Je besser die Sensoren – also die Qualität und Menge der gesammelten Daten – desto detaillierter das digitale Modell.

Was sind die Vorteile von Digital Twin?

Mit physischen Produkten und Gegenständen zu experimentieren kann viel Zeit und Geld kosten. Eine digitale Kopie kann man aber schnell modifizieren, um etwa neue Lösungen zu testen und zu simulieren. Sollte das Experiment die vorgegebenen Anforderungen nicht erfüllen, dann wurden dabei keine Ressourcen verschwendet.

Ein weiterer Vorteil von Digital Twin ist, dass Experten an Projekten arbeiten können, ohne in direktem Kontakt mit dem physischen „Zwilling“ zu stehen.

NASA ist ein Pionier dieser Technologie – selbst bevor es virtuelle Tests gab, arbeiteten Ingenieure an 1:1 Replikas verschiedener Geräte. Diese wurden teilweise als Test ins All geschickt. Digital Twin erlaubt virtuelle Tests an den Gerätschaften die sich bereits im Weltraum befinden und physisch unerreichbar sind – und das ohne die Probleme, die damals bei physischen Replikas auftraten. Aktualisierungen und Änderungen können im Detail geplant und getestet werden, bevor die eigentlichen Modifizierungen am physischen Gegenstand vorgenommen werden.

Laut John Vickers, einem Fertigungsexperten und Manager für das NASA National Center for Advanced Manufacturing, ist „die Vision für Digital Twin das erstellen, testen und bauen unserer Geräte in einer virtuellen Umgebung. Erst wenn die Ergebnisse unseren Anforderungen entsprechen, setzen wir das Ganze physisch um. Dann muss das eigentliche Gerät wiederum durch Sensoren mit seinem digitalen Zwilling verbunden sein, damit der Digital Twin auch alle Informationen enthält, die bei der Untersuchung des physischen Gerätes gesammelt werden.“

Gleichermaßen ermöglicht Digital Twin auch anderen Unternehmen, die etwa existierende Produkte oder Geräte ändern möchten, die Ausfallzeit möglichst gering zu halten. Nehmen wir als Beispiel eine Fertigungslinie, bei der eine einzige Schwachstelle die Effizienz der ganzen Linie gefährden kann – eine solche Stelle kann nicht einfach zur Überprüfung rausgenommen werden, denn das würde zur Lahmlegung des gesamten Fertigungsprozesses führen. Eine virtuelle Kopie kann hingegen getestet und modifiziert werden, ohne dass solche Nachteile entstehen.

Digital Twin & IoT

Warum gilt Digital Twin als die logische Fortsetzung von IoT?

Digital Twin funktioniert auf Basis von Sensoren und Eingangsdaten, und IoT führt diese Voraussetzungen immer mehr in unsere Welt ein. Je mehr vernetzte Geräte und Anwendungen wir haben, desto einfacher ist es für Organisationen, Daten zu vernetzen und so einen besseren Blick aufs große Ganze zu bekommen. Digital Twin ist eine neue Art, diese Daten für bestimmte Zwecke zu sammeln und zu kombinieren.

Diese Revolution ist längst in die Gänge gekommen. Dem Marktforschungsunternehmen Gartner zufolge erwarten 75% der Unternehmen, die bereits IoT nutzen oder bald nutzen wollen, die eine oder andere Form von Digital Twin im nächsten Jahr (2020). Schätzungen zufolge nutzen 13% der Unternehmen bereits solche Lösungen, und weitere 62% sind bereits dabei, Digital Twin in ihre Abläufe einzubringen.

Anwendungsfälle & Branchen

Digital Twin funktioniert am besten im Zusammenspiel mit anderen Technologien, wie beispielsweise Künstliche Intelligenz und Maschinelles Lernen. Umgekehrt nutzen andere Technologien Digital Twin – etwa als Teil von Industrie 4.0 oder IoT – aufbauend auf anderen Innovationen.

Es handelt sich hier nicht um eine brandneue, alternative Lösung. Digital Twin wird zur Optimierung bestehender Prozesse genutzt – und schafft so eine Art virtuellen Spielplatz, auf dem man experimentieren und verschiedene Ansätze ausprobieren kann, und das alles in einer simulierten Umgebung, in der keine Auswirkungen auf das echte Produkt entstehen. Erst wenn alles stimmt und das grüne Licht gegeben wird.

Digital Twin wird für eine breite Palette von Anwendungen genutzt – die meisten Unternehmen können davon profitieren. Im nächsten Abschnitt schauen wir uns einige Bespiele aus den großen Branchen an.

In der Produktion und im Maschinenbau

Die Vorteile von Digital Twin für die Branchen Produktion und Maschinenbau liegen klar auf der Hand. In der Fertigungsbranche erlauben virtuelle Replikas schnelle und effiziente Tests von neuen Designs – ob kleine, einfache oder große, kompliziertere Geräte. Eine neue Lieferkette in einer virtuellen Umgebung zu testen ist recht einfach, wohingegen Tests in der physischen Welt oft die vorübergehende Stilllegung der Produktion erfordern – wodurch wiederrum Kosten entstehen. Das sollte nur dann nötig sein, wenn die beste Strategie festgelegt werden konnte.

Digital Twin kann aber viel mehr als nur das. Ein gutes Beispiel ist die Digital Wind Farm von GE. Die digitalen Replikas der Windkraftanlagen erlauben es dem Betreiber, die besten Strategien zur Instandhaltung zu entwickeln – komplett unter Einbeziehung von Witterungsfaktoren. Das bietet mehr Ausfallsicherheit und die gesamte Flotte kann mehr leisten – bis zu 10% Mehrertrag für den gesamten Windpark und bis zu 20% mehr installierte Leistung als die vorherige Generation von Windkraftanlagen.

Ingenieure können in der digitalen Umgebung frei experimentieren und forschen, wohingegen physische Eingriffe auf echte Turbinen eine kostspielige Affäre sein kann. Digitales experimentieren erlaubt es uns, Änderungen erst umzusetzen, wenn die Lösung vollständig getestet und beurteilt wurde.
Diese Aspekte sind auch in Produktionsabläufen von Vorteil. Fabriken können virtuelle Kopien nutzen, um geschraffte Lösungsansätze und die Grenzen der bestehenden Produktionskapazitäten zu testen. Auch Belastungstests für neue Lösungen sind kein Problem.

In der Automobilindustrie

Digital Twin nutzt Sensoren, um den Stand eines jeden Projektes zu überwachen. Diese Analysen haben großes Potential – nicht zuletzt in der Automobilindustrie. Im Zeitalter von IoT und digitaler Technologie werden Autos immer vernetzter. Damit wächst das Potential, jede Einzelheit digital abzubilden.

Nach einem Vorfall zum Beispiel kann Digital Twin die Aufnahmen der Sensoren nutzen, um ein Abbild des Vorfalles in Echtzeit zu erstellen. So können Ingenieure die Einwirkungen der Fehlfunktionen auf das Fahrzeug im genauen Moment untersuchen, anstatt Daten zu entwerten, die erst danach aufgenommen wurden.

Die Vorteile von Digital Twin für die Automobilindustrie gehen aber noch weiter als das. Neue Sicherheitsmaßnahmen können in der virtuellen Welt getestet werden, um zu verhindern, dass neue Fahrzeuge aus dem Verkehr gezogen werden müssen – was immer eine kostspielige Angelegenheit ist.

Da Zulieferer und Hersteller mehr Daten durch Digital Twin sammeln und entwerten können, kann das Testen und die Anpassung aller Teile gewährleistet werden, bevor sie als Teil des Endproduktes überhaupt erst zusammengefügt werden.

Smart-Car-Hersteller testen selbstfahrende KI ebenfalls in digitalen Umgebungen. Diese Technologie ist noch in der Entwicklungsphase, daher werden Daten in der reellen Welt durch Tests gesammelt und die Lösungen in der digitalen Welt soweit wie möglich verfeinert und verbessert.

Selbst nach der Gestaltungsphase kann moderne Technologie benutzt werden, um die Lieferkette und Produktionsabläufe zu verschlanken und so Produktionszeit- und kosten erheblich zu reduzieren.

Im Gesundheitswesen

Digital Twin kann auch im Gesundheitswesen Fehler oder Probleme bei verschiedenen Geräten feststellen (oft teure Geräte, die optimal laufen müssen), die in diversen Branchenbereichen zur Nutzung kommen. MRi Scanner zum Beispiel generieren eine große Anzahl von Logs und Nachrichten, die in den Digital Twin gespeist werden können, um den Status der Maschine zu prüfen und zukünftige Probleme zu antizipieren. Es können also im Voraus Lösungen für eventuelle Probleme entwickelt werden, damit kritische Zustände vermieden werden und die Geräte effektiver instandgehalten werden können.

Medizinische Geräte können auch mit der Cloud vernetzt werden, wo die von den Sensoren gesammelten Daten direkt mit der medizinischen Vorgeschichte eines Patienten in Beziehung gesetzt und mit externen Daten wie demographischen Angaben verglichen werden können. Eine Analyse auf Basis maschinellen Lernens kann dann initiiert werden, die bessere Einblicke in das Krankenbild des Patienten ermöglicht.

Digital Twin kann auch in Krankenhäusern und Notfallstationen Operationen simulieren und Belastungstests durchführen – so kann man etwa den potentiellen Aufwand für Operationen in Katastrophenfällen besser einschätzen und einplanen. Auch für alltägliche Sachen wie die Patientenannahme kann Digital Twin genutzt werden, damit Termine richtig eingeplant und angepasst werden können und die Weiterleitung zu Folgeuntersuchungen durch digitales Patientenrouting richtig klappt.

Weiterhin kann Digital Twin in Gesundheitsprodukten angewandt werden, um diese den einzelnen Patienten und Krankenbildern präzise maßgeschneidert anbieten zu können. Wenn genügend Informationen vorhanden sind, kann Digital Twin Lösungen vorschlagen, die für bestimmte Patienten am meisten geeignet sind – unter Berücksichtigung der medizinischen Vorgeschichte und des Krankenbildes eines Patienten.

Digital Twin City

In diesem Artikel haben wir uns angeschaut, wie Produktionsabläufe und Geräteeinstellungen in Digital Twin repliziert, getestet und verfeinert werden können. Es ist aber durchaus nicht abwegig, das Konzept auch auf die Stadtplanung anzuwenden.

Das Stadtbild ist geprägt von zahlreichen beweglichen und vernetzten Bestandteilen. Mit einem fortgeschrittenen Digital Twin Modell können Bauingenieure, Regierungen und Versorgungsunternehmen neue Lösungsansätze testen – solche Modelle werden aktuell in Städten wie Paris, Cambridge und Toronto entwickelt.

Smart Cities sind bereits recht weit verbreitet. Sensoren sammeln so viele Informationen wie nur möglich, wie zum Beispiel Verkehrsinformationen, Verschmutzungspegel, Energieverbrauch u.v.m. Singapur nutzt bereits ein solches Modell – Virtual Singapore – welches zur Berechnung von Überschwemmungspegeln, WLAN Systemen, Lärmverschmutzung und sogar die Brut-Bedingungen für Stechmücken dient.

Wie setzt man Digital Twin um?

Die Technologie hinter Digital Twin ist weit verbreitet. Cloud Computing erlaubt gleichzeitige Simulationen ohne teure On-Site-Server. Microsoft bietet eine breite Palette an Azure Digital Twin Produkten an, und Amazon Web Services (AWS) offeriert inzwischen einen „Device Shadow“-Service als Teil der AWS IoT-Produkte.

Falls Ihr Unternehmen bereits die Nutzung von Big Data, IoT-Integration oder Industrie 4.0-Lösungen im Visier hat, dann ist es gut möglich, dass Sie sich bereits auf dem Weg hin zu einer Digital Twin-Architektur befinden. Diese Technik-Trends nutzen alle Sensoren und andere Datensammlungsmethoden für die Analyse und den Zugang von Daten. In einigen Fällen entstehen dabei schon genügend Daten, um einen Digital Twin-Prototypen oder ein funktionierendes Modell zu erstellen.

Unternehmenskultur und Digital Twin

Natürlich erfordert der Einsatz von Digital Twin auch eine stark ausgeprägte digitale Arbeitskultur. Diese Technologie funktioniert am besten, wenn Unternehmen bereits Sensoren und andere Datensammlungsmethoden einsetzen. Je mehr aktuelle und genaue Informationen Digital Twin erhält, desto besser.

Doch solch eine Kultur entwickelt sich Schritt für Schritt und geht meist einher mit der schrittweisen Einführung dieser Technologie – als Einführung oder Experiment zum Beispiel. So können Mitarbeiter auf allen Ebenen mit diesem Ansatz vertraut gemacht werden.

Ein Schlüsselfaktor ist auch, dass Unternehmensbereiche identifiziert werden, die man optimieren möchte. Wie auch bei Big Data kann man ganz einfach auf den Holzweg abgleiten und viele Daten sammeln, die nicht alle sinnvoll sind. Solche Lösungen müssen also angepasst sein und sich auf anwendbare Bereiche konzentrieren. Das ist ein weiterer Grund, klein anzufangen und Digital Twin nur dort einzuführen, wo es am meisten Sinn macht. Ein zu großer Schritt nach vorne birgt Risiken, da ein völlig neuer Ansatz wie dieser eine zu große Veränderung für die Belegschaft eines Unternehmens darstellen könnte.

Schlussfolgerung

Für viele Unternehmen ist Digital Twin bereits eine Realität – für andere erst in ein paar Jahren. Es lohnt sich, einen genauen Blick auf die Unternehmensbereiche zu werfen, in denen virtuelle Simulationen einen direkten Vorteil bieten könnten. Das Internet der Dinge hat es vielen Unternehmen bereits ermöglicht, Zugang zu einer breiten Palette von Sensoren und Eingangsquellen zu haben. Jetzt kann man darauf die Vorteile ziehen.

Der Digital Twin erlaubt es Unternehmen, neue Lösungen zu testen, Vorfälle zu analysieren und zukünftige Entwicklungen vorherzusagen. Es erlaubt ferner die Zusammenarbeit verschiedener Unternehmen in gemeinsamer Sache und ermöglicht kostenniedrige und risikofreie Tests neuer Designs, Lösungen und Dienstleistungen.

Die Technologie wird bereits in diversen Branchen angewandt – von der Automobilbranche zu Smart Cities. Der Digital Twin kann selbst in kleinem Umfang viele Vorteile und Geschäftsmöglichkeiten mit sich bringen.
Geschäftsperspektive

In einer Zeit, in der die Welt das Internet der Dinge vermehrt nutzt, werden Digital Twin-Lösungen immer realistischer. Diese Technologie ermöglichst es Unternehmen, Analysen, Tests und Verbesserungen zu niedrigen Kosten und Risiken umzusetzen. Jegliche Entscheidungen in der physischen Welt können durch Ergebnisse von Simulationen untermauert werden – so können stets die besten Entscheidungen getroffen werden.

Sources

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