Was wäre, wenn es möglich wäre, das Verhalten eines Flugzeugmotors, einer Fabrik oder eines Organs im menschlichen Körper extrem präzise und in Echtzeit zu simulieren, ohne irgendeinen Einfluss auf das reale Modell zu haben? Das ist die Theorie, auf der das Konzept der digitalen Zwillinge basiert, eine Revolution, die unsere Herangehensweise an die industrielle Welt und letztendlich an die gesamte Zivilisation verändern soll…
Was ist der Vorteil des digitalen Universums? Der Vorteil liegt darin, dass man eine Situation beliebig testen kann, ohne jegliches Risiko. In einem Videospiel, wenn unser Charakter in einer Szene eliminiert wird, können wir die Szene neu starten und eine andere Taktik ausprobieren. In der realen Welt gibt es diese Wiederholungsmöglichkeit normalerweise nicht. Einige Hochrisikosituationen erlauben keinen einzigen Fehler, einige Fehlentscheidungen können tödlich sein.
Das ist die Logik, die zur Schaffung der digitalen Zwillinge geführt hat, die äquivalent zu hochpräzisen Nachbildungen eines realen Phänomens sind: Windkraftanlagenparks, Luftfahrzeuge, Gletscher… Das Ziel ist, die digitalen Nachbildungen zu strapazieren, bevor die optimalen Taktiken in der physischen Welt angewendet werden.
Wer hat die digitalen Zwillinge erfunden?
Zum ersten Mal wurde das Konzept 1991 in einem Buch des Yale-Professors für Informatik David Gelernter erwähnt: Mirror Worlds: or the Day Software Puts the Universe in a Shoebox… How It Will Happen and What It Will Mean (Spiegelwelten: Der Tag, an dem Software das Universum in eine Schuhschachtel packt – wie es geschehen wird und was es bedeuten wird).
Dieses visionäre Buch beschreibt eine Zukunft, in der unsere Welt in ein digitales Universum übertragen wird und so den Weg für Verwaltungs-, Überwachungs- oder Vorhersagewerkzeuge öffnet.
Es dauerte bis 2002, bis Gelernters Vision in eine potenzielle konkrete Anwendung in der Fertigungsindustrie umgesetzt wurde. Michael Grieves, Professor an der Universität von Michigan und Innovationsberater, präsentierte das Konzept des digitalen Zwillings bei einem Seminar an seiner Universität. Seine Idee: Es wäre möglich, den Produktlebenszyklus zu optimieren, indem eine digitale Nachbildung jedes physischen Objekts erstellt wird, die durch einen kontinuierlichen Datenstrom aus der realen Welt gespeist wird. Einige Jahre später prägte Grieves den Begriff Digital Twin.
Die NASA übernahm den Begriff offiziell im Jahr 2010. John Vickers, hauptverantwortlicher Techniker (Principal Technologist), verwendete den Ausdruck Digital Twin im Rahmen eines internen Programms. Er definierte den digitalen Zwilling als eine Weiterentwicklung der Simulationsmodelle. Der Unterschied besteht darin, dass der digitale Zwilling ständig mit seinem physischen Pendant verbunden ist.
Tatsächlich begann die NASA, die Prinzipien der digitalen Zwillinge bereits in den 1960er Jahren zu nutzen. Im Rahmen der Apollo-Missionen hatte jedes in den Weltraum geschickte Raumschiff ein Duplikat auf der Erde, das dazu diente, die Lebensbedingungen der Astronauten in Echtzeit nachzubilden. Während der Apollo-13-Mission, die zahlreiche Schwierigkeiten (Explosion eines Sauerstofftanks) erlebte, nutzten die Ingenieure das Duplikat auf der Erde, um verschiedene Rettungslösungen zu simulieren. Der Film Apollo 13 (1995 – Ron Howard) zeigte, wie die Teams am Boden die Bewegungen der Astronauten nachbilden und Lösungen auf dem Raumschiff-Duplikat improvisieren konnten.
Was ist ein digitaler Zwilling?
Ein digitaler Zwilling ist eine Nachbildung eines Objekts oder eines Prozesses der physischen Welt im digitalen Universum. Er wird kontinuierlich mit Daten von möglichst vielen Sensoren gespeist. Durch den Betrieb des digitalen Zwillings ist es möglich, das Verhalten seines physischen Pendants vorherzusehen und es auch zu korrigieren oder zu optimieren. Der digitale Zwilling kann künstliche Intelligenz-Algorithmen nutzen und optimale Entscheidungen erleichtern.
Was ist der Unterschied zu einer Simulation?
Es ist verlockend, die digitalen Zwillinge auf den ersten Blick als einfache Simulationen zu betrachten, wie sie in vielen unterhaltsamen wie auch beruflichen Bereichen existieren. Doch der Unterschied ist groß.
Eine Simulation wird normalerweise auf ein vordefiniertes Modell angewendet. Ein Nachbau eines Zugcockpits beispielsweise erleichtert die Reproduktion der zu treffenden Maßnahmen unter bestimmten Annahmen: Windgeschwindigkeit, äußere Lichtverhältnisse usw.
Ein digitaler Zwilling ist weit mehr als eine Simulation. Erstens wird er in Echtzeit durch Daten seines physischen Modells gespeist. Er reproduziert also die Funktionsweise seines physischen Pendants. Und er entwickelt sich dynamisch und nicht vordefiniert, indem er seine Situation ständig an die von den Sensoren empfangenen Daten anpasst.
Darüber hinaus kann ein digitaler Zwilling mehrere Objekte oder gleichzeitige Prozesse integrieren, wie im Fall einer Fabrik, in der jede Maschine ein Duplikat in der virtuellen Welt hätte. Schließlich ist die Kommunikation bidirektional. Die digitale Nachbildung kann durch ihre intelligenten Algorithmen die im physischen Original getroffenen Entscheidungen beeinflussen.
So basiert eine Simulation auf einem festen Szenario, auch wenn es komplex sein kann, während ein digitaler Zwilling kontinuierlich aus den gegenwärtig erfassten Situationen operiert und somit die Fähigkeit hat, neu zu operieren, wie zum Beispiel, wenn ein mit einem digitalen Zwilling ausgestattetes Flugzeug eine Route nimmt, die es noch nie zuvor geflogen ist.
Die Bestandteile eines digitalen Zwillings
Die Komponenten eines digitalen Zwillings umfassen:
- Sensoren, die Daten aus der physischen Welt sammeln;
- Eine digitale Plattform, zu der diese Daten geleitet werden;
- Mathematische Modelle, die das reale Verhalten nachbilden;
- Algorithmen der künstlichen Intelligenz, die lernen und Vorhersagen treffen können.
Die Hierarchie der digitalen Zwillinge
Digitale Zwillinge können auf verschiedenen Ebenen eingesetzt werden. Um sie besser zu veranschaulichen, nehmen wir das Beispiel eines Windparks. Jede Turbine ist mit Sensoren ausgestattet, die Schlüsselparameter überwachen: Außentemperatur, Wetterbedingungen, Energieproduktion… Diese Daten werden an die digitale Nachbildung übermittelt, um Leistungsprobleme zu erkennen oder Simulationen durchzuführen. Die berücksichtigten Elemente sind wie folgt:
- Der Komponentenzwilling ist die Basiseinheit. Dies wäre zum Beispiel ein bestimmtes Teil einer Windturbine, das ein spezifisches Stück darstellt.
- Anlagenzwilling: Mehrere Komponenten werden kombiniert, um ihre Interaktionen zu analysieren. In einer Windturbine bilden der Generator, das Getriebe und das Flügelsystem einen funktionalen Bestandteil, der das Herz des Motors ist.
- Systemzwilling: Die Gesamtheit der Anlagen, die ein komplettes System bilden, zum Beispiel eine Windturbine.
- Prozesszwilling: Die Modellierung der gesamten Produktionskette. In unserem Beispiel wäre das der Windpark.
Durch die Verwaltung dieser verschiedenen Hierarchien von Zwillingen ist es möglich, den Betrieb des Windparks zu optimieren.
Wofür wird es verwendet?
Zu den Sektoren, die bereits von der Präsenz digitaler Zwillinge profitieren, gehören die folgenden:
Industrie
In einigen Fabriken von Airbus, Unilever oder GSK helfen digitale Zwillinge, Ausfälle vorherzusehen, Ausfallzeiten zu reduzieren und die Produktion zu optimieren, indem beispielsweise ganze Montagelinien modelliert werden.
Automobilindustrie
Einige Hersteller (Renault, BMW, Volvo, Tesla…) verwenden digitale Zwillinge, um das Verhalten ihrer Fahrzeuge unter realen Bedingungen zu bewerten, die Aerodynamik zu optimieren oder den Verschleiß der Teile vorherzusagen.
Bauwesen
Durch die Kombination von Last-, Verschleiß- und Wetterdaten können digitale Zwillinge Strukturen überwachen, wie beispielsweise Brücken (Forth Road Bridge in Schottland), Tunnel (Mont Blanc Tunnel zwischen Frankreich und Italien) oder Wolkenkratzer (One Vanderbilt – New York).
Gesundheit
Sie erleichtern die Entwicklung personalisierter Behandlungen, die individuell angepasst sind.
Stadtplanung
In smart cities (intelligenten Städten) wie Singapur, Shanghai, Las Vegas, aber auch Rennes in Frankreich, helfen digitale Zwillinge, den Verkehr, den Energieverbrauch usw. zu verwalten.
Die Vorteile
Die Präsenz von digitalen Zwillingen, wie in den oben genannten Fällen, führt zu einer Kostenreduzierung, einer kontinuierlichen Verbesserung der Leistung und einer optimierten und damit weniger häufigen Wartung. Sie ebnet auch den Weg zu Forschung, Entwicklung und bemerkenswerten Innovationen.
Eine Technologie im Aufschwung
Eine von MarketsandMarkets im Juli 2022 veröffentlichte Studie schätzte, dass der Marktwert damals 6,9 Milliarden US-Dollar betrug. Eine andere Studie von Industry Sourcing prognostizierte ein starkes Wachstum: 73,5 Milliarden US-Dollar bis zum Jahr 2027. Dies wäre hauptsächlich auf die Akzeptanz von digitalen Zwillingen in den Bereichen Fertigungsindustrie, Gesundheit, Automobilindustrie und Energie zurückzuführen.
Ein digitaler Zwilling der Erde?
Langfristig ist es möglich, immer größere Elemente zu modellieren, und einige haben sogar die Möglichkeit erwähnt, einen digitalen Zwilling unseres Planeten zu erschaffen. Eines der Ziele wäre, die klimatischen Veränderungen und deren Auswirkungen besser vorherzusagen. Die Idee ist keine Science-Fiction, da mehrere Projekte in dieser Richtung gestartet wurden:
- Destination Earth (DestinE) – Europa
- Digital Twin Earth (Europäische Weltraumorganisation)
- In geringerem Maße Google Earth Engine
Die Idee macht Sinn, denn solche digitalen Zwillinge könnten helfen, die Auswirkungen der Abholzung oder der Verschmutzung vorherzusagen. Es bleibt zu beurteilen, welchen ökologischen Kosten solcher Simulationen entgegenstehen, denn digitale Zwillinge erfordern eine sehr hohe Rechen- und damit Energiepower. Es ist daher wichtig, festzustellen, wie weit sich der Aufwand lohnt.
