Digitaler Zwilling: Ein Überblick
Ein Digitaler Zwilling ist eine virtuelle Kopien eines physischen Objektes, Prozesses oder Systems. Gebildet wird diese Kopie auf Grundlage verschiedener Datenquellen. Wie das im Detail funktioniert, wo digitale Zwillinge Anwendung finden und wie wichtig sie im modernen Asset-Management sind, erfahrt ihr hier.
Ein Digitaler Zwilling ist die virtuelle Kopie eines physischen Assets (z.B einer Anlagen), eines Prozesses oder eines Systems. Grundlage für die Modellierung einer solchen Kopie sind verschiedene Datenquellen. Eine besondere Rolle spielen dabei Echtzeit-Gerätedaten, die mittels IoT-Sensoren erhoben, an Datenbanken weitergeleitet und dort als Grundlage weiterer Verarbeitungsschritte verwendet werden.
In diesem Artikel erklären wir euch nachvollziehbar, wie aus IoT-Daten digitale Zwillinge moduliert werden, wo und wie diese zum Einsatz kommen, und warum sie unabdingbar für ein modernes Asset-Management sind.
Key Takeaways:
- Optimierte Betriebsabläufe: Digitale Zwillinge ermöglichen präzise virtuelle Nachbildungen physischer Objekte, Prozesse und Systeme, was Unternehmen dabei unterstützt, ihre Abläufe zu optimieren.
- IoT-Daten als wichtige Ressourcen: Die Modellierung digitaler Zwillinge basiert auf unterschiedlichen Datenquellen. Neben historischen Daten spielen hier mittels IoT-Sensoren erhobene Echtzeit-Daten eine wesentliche Rolle. Diese werden direkt an den Assets erhoben und an eine Software oder Plattform weitergeleitet, wo sie Grundlage weiterer Verarbeitungsschritte sind.
- Modernes Asset-Management: Da Digitale Zwillinge die Echtzeitüberwachung von Anlagen und Betriebsmittel ermöglichen, spielen sie eine tragende Rolle im modernen Asset-Management, das sich auf die Überwachung und Steuerung von Betriebsabläufen fokussiert.
Definition: Was ist ein digitaler Zwilling?
Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Repräsentation eines physischen Assets, Prozesses oder Systems. Im Wesentlichen handelt es sich um eine digitalisierte Version eines realen Gegenstands oder einer realen Umgebung, die sämtliche Eigenschaften und Verhaltensweisen des Originals genau widerspiegelt.
Die Grundlage für digitale Zwillinge bilden oftmals IoT-Sensoren, die kontinuierlich Daten über den Zustand und die Leistung des physischen Objekts erfassen. Diese Daten werden dann in Echtzeit an die digitale Repräsentation übertragen, die wiederum durch Algorithmen und Analysen gesteuert wird, um eine genaue Darstellung des physischen Objekts zu gewährleisten.
Digitale Zwillinge und IoT-Daten: So funktioniert´s
Wie aber werden digitale Zwillinge aus erhobenen IoT-Daten gebildet? Stellen wir uns hierzu eine Fertigungsstraße in einer Automobilfabrik vor, in der IoT-Sensoren installiert sind.
Die Sensoren erfassen permanent Echtzeitdaten, die auf den Zustand der einzelnen Maschinen und die Qualität der Produktion insgesamt schließen lassen. Diese Daten können beispielsweise die Temperatur, den Durchsatz, die Vibration und Feuchtigkeit, den Druck oder den Stromverbrauch betreffen.
Datenaggregation und Datenübertragung
Die erhobenen Daten werden nun an eine zentrale Plattform oder Software übertragen. Um die Übertragung schnell und sicher umzusetzen, kommen hierbei oft spezielle Kommunikationsprotokolle zum Einsatz.
Außerdem ist es wichtig, dass die Daten vor der Übertragung standardisiert und gefiltert werden, um sicherzustellen, dass nur relevante Informationen weitergeleitet werden.
Datenanalyse und Datenauswertung
Die Daten gehen nun auf der zentralen Plattform ein, wo sie von speziellen Tools analysiert und ausgewertet werden. Die Analyse beinhaltet folgende Schritte:
- Datenvorverarbeitung: Die eingetroffenen Rohdaten werden zunächst bereinigt und transformiert, um sie für die Analyse vorzubereiten.
- Anomalieerkennung: Anschließend wird nach ungewöhnlichen Abweichungen und Mustern gesucht, die auf potentielle Probleme hinweisen könnten.
- Zustandsüberwachung: Die Betriebsparameter werden kontinuierlich überwacht, um den aktuellen Zustand der Maschine abzubilden.
Integration und Modellierung
Nun geht es an die Datenintegration und Modellierung. Dabei werden zunächst die Daten aller Sensoren zusammengeführt, um ein umfassendes Bild der Fertigungsstraße zu erstellen.
Anschließend wird der digitale Zwilling erstellt - ein virtuelles Modell, das die Struktur, die Dynamik und das Verhalten der realen Fertigungsstraße widerspiegelt. Dieses Modell wird kontinuierlich mit Echtzeitdaten aktualisiert.
Simulation und Optimierung
Mit dem digitalen Zwilling können verschiedene Szenarien - beispielsweise “Was-wäre-wenn”-Analysen - simuliert werden, um die Auswirkungen von Änderungen oder Störungen zu untersuchen. Dies hilft dabei, die Fertigungsprozesse zu optimieren und die Effizienz zu steigern.
Optimale Steuerung und Überwachung der Anlage
Da die Datenerfassung und -auswertung in Echtzeit erfolgen, kann die Fertigungsstraße nun auch in Echtzeit überwacht und gesteuert werden.
Durch die Kombination von historische Daten und Echtzeitdaten, kann sowohl der aktuelle Zustand als auch zukünftige Trends und potenzielle Probleme identifiziert werden.
Welche Arten von digitalen Zwillingen gibt es?
Es gibt verschiedene Ausrichtungen von digitalen Zwillingen, die sich, je nach Anwendungs- und Aufgabenbereich, voneinander unterscheiden. Wir separieren hier die vier Grundarten.
- Komponentenzwillinge: Diese Art eines digitalen Zwilling konzentriert sich auf die detaillierte Nachbildung einzelner Komponenten eines Systems oder Geräts. Komponentenzwillinge ermöglichen eine genaue Analyse und Optimierung von einzelnen Teilen, um die Gesamtleistung zu verbessern.
- Asset-Zwillinge: Asset-Zwillinge fokussieren sich auf die virtuelle Repräsentation von physischen Assets wie Maschinen, Fahrzeugen oder Gebäuden. Sie bieten Einblicke in den Zustand und die Leistung dieser Assets, um Wartungsarbeiten zu planen, Ausfallzeiten zu minimieren und die Lebensdauer zu verlängern.
- System-Zwillinge: System-Zwillinge erfassen komplexe Systeme oder Anlagen in ihrer Gesamtheit. Sie ermöglichen eine ganzheitliche Analyse und Optimierung von Prozessen, um Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen zu erzielen.
- Prozess-Zwillinge: Prozess-Zwillinge konzentrieren sich auf die Nachbildung und Optimierung von Geschäftsprozessen. Sie bieten Einblicke in Abläufe, Identifizierung von Engpässen und die Optimierung von Arbeitsabläufen zur Steigerung der Produktivität und Qualität.
Die Vorteile von digitalen Zwillingen im Überblick
Die Implementierung von digitalen Zwillingen bietet eine Vielzahl an Vorteilen. Hier die wichtigsten zusammengefasst:
- Prädiktive Wartung: Kontinuierliche Überwachung und Analyse des Zustands der Maschinen. Anomalien werden erkannt, bevor es zu Ausfällen kommt, was Ausfallzeiten reduziert und die Ressourcennutzung verbessert.
- Effizienzsteigerung: Optimierung von Prozessen und Abläufen. Engpässe und Schwachstellen werden identifiziert, was die Produktionsleistung steigert und Ressourcen effizienter einsetzt.
- Kostenersparnis: Frühzeitige Erkennung ineffizienter Prozesse. Betriebskosten werden gesenkt, die Lebensdauer von Anlagen verlängert und Reparaturkosten reduziert. Wartungsarbeiten können genauer geplant werden.
- Verbesserte Entscheidungsfindung: Umfassende Einblicke und Daten unterstützen fundierte Entscheidungen. Trends werden erkannt, Chancen identifiziert und Risiken frühzeitig erkannt, was strategische Entscheidungen erleichtert.
- Flexibilität: Digitale Zwillinge ermöglichen schnelle Anpassungen in der Produktion. Änderungen können virtuell getestet und optimiert werden, bevor sie in die reale Produktion eingeführt werden.
- Nachhaltigkeit: Effizientere Nutzung von Ressourcen und Reduzierung von Abfällen. Durch Optimierung der Prozesse und besseren Einsatz von Materialien tragen digitale Zwillinge zu einer umweltfreundlicheren Produktion bei.
- Kundenzufriedenheit: Genauere und verlässliche Produktionsprozesse führen zu pünktlicheren Lieferungen und höherer Produktqualität, was die Zufriedenheit der Kunden erhöht.
- Lebenszyklusmanagement: Überwachung und Analyse des gesamten Lebenszyklus eines Produkts. Von der Entwicklung über die Produktion bis hin zur Nutzung und Entsorgung wird jeder Schritt optimiert, was die Gesamteffizienz erhöht.
Wo werden digitale Zwillinge eingesetzt?
Digitale Zwillinge kommen in diversen Bereichen und Branchen zum Einsatz, und können dort die Prozesse optimieren. Die wichtigsten Einsatzbereiche haben wir hier aufgelistet:
- Industrie und Fertigung: Die Überwachung und Optimierung von Produktionsprozessen in der Industrie und Fertigung ist eines der Hauptanwendungsfelder digitaler Zwillinge. Hier ermöglichen sie die prädiktive Wartung von Maschinen, eine bessere Qualitätskontrolle und Prozesssimulation.
- Automobilindustrie: In der Automobilindustrie unterstützen digitale Zwillinge bei der Entwicklung und beim Testen von Fahrzeugprototypen, bei der Überwachung von Fertigungsstraßen sowie bei der Analyse und Optimierung der Fahrzeugleistung im Betrieb.
- Luft- und Raumfahrt: Das Konzept des digitalen Zwillings stammt tatsächlich aus der Raumfahrt. Auch heute noch findet es hier Anwendung, beispielsweise wenn es um das Design und die Simulation von Flugzeugen, um die Überwachung und Wartung von Flugzeugteilen oder die Optimierung von Flugrouten geht.
- Gesundheitswesen: Digitale Zwillinge werden für die Überwachung und Analyse von medizinischen Geräten, für die Simulation von Behandlungsmethoden und für die individuelle Patientenbetreuung eingesetzt.
- Smart Citys: Mittels digitalen Zwillingen können städtischen Infrastrukturen wie Verkehrssystemen, Energieversorgung und Wasserverteilung verwaltet, überwacht und optimiert werden.
- Landwirtschaft: In der Landwirtschaft helfen digitale Zwillinge bei der Überwachung und Optimierung von Anbauprozessen, bei der Verwaltung von landwirtschaftlichen Maschinen sowie bei der Simulation von Ernteerträgen und Bodenqualität.
Digitale Zwillinge in der Industrie - Anlagenüberwachung und Asset-Management
Der Industriesektor ist ein wesentlicher Anwendungsbereich für das Konzept des digitalen Zwillings. Hier bringen virtuelle Kopien physischer Assets deutliche Vorteile, sowohl im Bereich der Anlagenüberwachung wie auch auf dem Sektor des Assets-Managements.
Darüber hinaus hat die durch den Einsatz digitaler Zwillinge möglich gewordene Echtzeit-Überwachung den Weg für neue, innovative Geschäftsmodelle geebnet.
Digitale Zwillinge in der Anlagenüberwachung
Die virtuelle Repräsentation realer Anlagen und Betriebsmittel bringt neue Möglichkeiten für die Überwachung, Steuerung und Optimierung diverser Produktionsprozesse mit sich. Durch den Einsatz digitaler Zwillinge verbessern sich:
- Anomalieerkennung: Identifikation von Abweichungen und Unregelmäßigkeiten, die auf potenzielle Probleme oder Ausfälle hinweisen könnten.
- Echtzeit-Datenüberwachung: Erfassung und Analyse von Betriebsdaten wie Temperatur, Vibrationen, Druck, Stromverbrauch und andere relevante Parameter.
- Zustandsbewertung: Bewertung des aktuellen Zustands der Maschinen und Anlagen, um frühzeitig Wartungsbedarf zu erkennen.
- Fehlerdiagnose: Identifikation und Diagnose von Fehlern oder Störungen, um schnelle und gezielte Reparaturen zu ermöglichen.
- Datenerfassung: Sammlung von Betriebsdaten zur langfristigen Analyse und Optimierung.
Digitale Zwillinge im Asset-Management
Während sich die Anlagenüberwachung auf Maschinen- und Anlagenzustände konzentriert, umfasst das Asset-Management einen breiteren Bereich, und verwaltet die physischen Vermögenswerte (Assets) eines Unternehmens über deren gesamtes Lebenszyklus hinweg. Hier helfen digitale Zwillinge in folgenden Bereichen:
- Lebenszyklusmanagement: Verwaltung aller Phasen des Lebenszyklus eines Assets, einschließlich Planung, Anschaffung, Betrieb, Wartung und Außerbetriebnahme.
- Wertmaximierung: Maximierung des wirtschaftlichen Werts der Assets durch effektive Nutzung, Wartung und rechtzeitige Erneuerung oder Ersetzung.
- Strategische Planung: Langfristige Planung und Optimierung des Asset-Portfolios, um die Unternehmensziele zu unterstützen.
- Risikomanagement: Identifikation und Minderung von Risiken, die mit dem Betrieb und der Nutzung der Assets verbunden sind.
- Kostenkontrolle: Überwachung und Kontrolle der Gesamtkosten im Zusammenhang mit den Assets, einschließlich Anschaffungskosten, Betriebskosten und Wartungskosten.
- Compliance: Sicherstellung der Einhaltung gesetzlicher und regulatorischer Anforderungen im Zusammenhang mit dem Betrieb und der Wartung der Assets.
- Leistungsanalyse: Analyse der Leistungsdaten der Assets, um die Effizienz zu steigern und kontinuierliche Verbesserungen zu ermöglichen.
Neue Geschäftsmodelle mit digitalen Zwillingen
Durch die erweiterten Möglichkeiten in der Echtzeitüberwachung, haben sich mit dem Einsatz von digitalen Zwillingen auch neue Geschäftsmodelle eröffnet, mit denen Unternehmen ihre Effizienz steigern, ihre Kosten senken und neue Einnahmequellen erschließen können.
Hier stehen vor allem servicebasierte Modelle, wie beispielsweise Asset-as-a-Service, im Vordergrund. Bei diesen Modellen verkaufen Unternehmen keine Produkte mehr, sondern bieten Dienstleistungen an, ohne das ein materielles Gut dabei den Besitzer wechselt. Ein Leasing-Modell wäre ein einfaches Beispiel hierfür - allerdings gibt es einige Abstufungen in diesem Bereich, die unter dem Begriff Servitization zusammengefasst sind.
Der Grund, warum digitale Zwillinge hier eine tragende Rolle spielen, liegt auf der Hand: Wenn der Zustand und der Betrieb geleaster Geräte und Anlagen anhand einer virtuellen Kopie nachvollzogen werden kann, kann der Asset-Besitzer genaue Aussagen über Nutzungsdauer, Produktionskapazität und andere Verwendungsparameter machen.
Diese Erhebungen sind beispielsweise eine wichtige Grundlage für ein Asset-as-a-Service-Modell, bei dem der Preis aufgrund der Nutzungsdauer oder über die Qualität und Menge des Outputs definiert wird. Folgende Geschäftsmodelle profitieren vom Einsatz digitaler Zwillinge.
Asset-as-a-Service (AaaS)
- Nutzung basierte Abrechnung: Anstatt eine Anlage oder Maschine zu kaufen, zahlen Kunden für die Nutzung der Anlage als Dienstleistung. Digitale Zwillinge überwachen die Betriebsstunden und Nutzungsmuster in Echtzeit, was eine genaue Abrechnung ermöglicht.
- Flexibilität: Kunden profitieren von einer flexiblen und bedarfsgerechten Nutzung, ohne hohe Anfangsinvestitionen tätigen zu müssen. Unternehmen können somit schnell auf Veränderungen in der Nachfrage reagieren.
Wartungsverträge und Service Level Agreements (SLAs)
- Leistungsbasierte Verträge: SLAs können auf den durch digitale Zwillinge erfassten Leistungsdaten basieren. Anbieter garantieren dadurch bestimmte Verfügbarkeiten und Reaktionszeiten, basierend auf den tatsächlichen Betriebsbedingungen, was Kunden vertrauen lässt.
- Proaktive Wartung: Anbieter können prädiktive Wartungsdienste anbieten, die auf Echtzeit-Daten und Analysen basieren, um Ausfälle zu minimieren und die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern.
Digital Twin as a Service (DTaaS)
- Abonnementmodelle: Auch digitale Zwillinge selbst können als Service abonniert werden, um Kunden Zugang zu fortschrittlichen Überwachungs- und Analysetools zu geben, ohne dass diese in teure Infrastruktur investieren müssen.
- Skalierbarkeit: Diese Modelle bieten Flexibilität und Skalierbarkeit, da Unternehmen je nach Bedarf und Wachstum auf zusätzliche Funktionen und Kapazitäten zugreifen können.
Erweiterte Garantien und Versicherungen
- Datenbasierte Policen: Versicherungen und Garantien werden hierbei auf Grundlage der tatsächlichen Nutzung und des Zustands der Anlagen berechnet. Dies führt zu faireren und oft niedrigeren Preisen.
- Risikominimierung: Durch kontinuierliche Überwachung und Analyse können Risiken besser bewertet und gemindert werden. Das führt zu niedrigeren Versicherungskosten.
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Was unterscheidet einen digitalen Zwilling von einem einfachen 3D-Modell oder einer Simulation?
Ein digitaler Zwilling geht über ein statisches 3D-Modell hinaus, indem er kontinuierlich Daten aus der realen Welt integriert und eine dynamische virtuelle Repräsentation schafft, die das Verhalten des realen Objekts oder Prozesses in Echtzeit widerspiegelt.
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Wie beeinflussen Datenschutz und Sicherheit die Implementierung von digitalen Zwillingen?
Datenschutz und Sicherheit sind entscheidende Faktoren bei der Implementierung digitaler Zwillinge, da sie sensible Daten über physische Objekte und Prozesse erfassen. Es müssen entsprechende Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, um den Schutz und die Integrität dieser Daten zu gewährleisten.
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Wie können kleine und mittlere Unternehmen von der Implementierung digitaler Zwillinge profitieren?
Auch kleine und mittlere Unternehmen können von der Implementierung digitaler Zwillinge profitieren, indem sie ihre Betriebsabläufe optimieren, die Produktqualität verbessern und innovative Produkte und Dienstleistungen entwickeln, die den Anforderungen des Marktes gerecht werden.
Fazit:
Der digitale Zwilling ist eine wegweisende Technologie, die Unternehmen dabei unterstützt, ihre Betriebsabläufe zu optimieren, Kosten zu senken und die Effizienz zu steigern. Durch präzise virtuelle Nachbildungen von realen Assets, Prozessen und Systemen eröffnen sich neue Möglichkeiten für die datengetriebene Analyse, Entscheidungsfindung und Innovation. Die verschiedenen Arten von digitalen Zwillingen bieten maßgeschneiderte Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten und tragen dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit und Agilität von Unternehmen in einer zunehmend digitalisierten Welt zu stärken.