Digitale Zwillinge im Metaverse

Das Potenzial eines Metaverse, das auf der sicheren Blockchain-Technologie basiert, haben nicht nur Facebook und Co. erkannt, sondern auch Industrie und Forschung. Hier liegt der Fokus selbstverständlich nicht auf Shopping und Entertainment, sondern auf der Simulation von Prozessen und der Lehre. Speziell der Einsatz von digitalen Zwillingen – Digital Twins – ist das Schlüsselkonzept für die Industrie 4.0, die vierte industrielle Revolution, bei der Menschen, Maschinen und Produktionsabläufe mithilfe von Informations- und Kommunikationstechnologien direkt miteinander vernetzt sind. Als virtuelles Abbild von Maschinen oder Produkten, deren Produktion oder Performance können in der Realität mit einem virtuellen Zwilling alle Prozessschritte vollständig simuliert und nahtlos miteinander verbunden werden. So können bereits vor der kostspieligen Umsetzung Entwicklungszyklen verkürzt werden, Fehlerquoten reduziert und ihre Effizienz dadurch gesteigert werden.

Dass Digital Twins ein zukunftsweisender Trend sind, hat das Marktforschungsunternehmen Gartner bereits 2017 erkannt und diese als einen der bedeutendsten Technologietrends der Zukunft bezeichnet: Demnach werden digitale Zwillinge voraussichtlich in naher Zukunft für Milliarden von Dingen existieren. Die Entwicklung der Metaversen könnte diesen Trend noch verstärken, da diese das passende Umfeld für die weitere Erforschung, Nutzung und Kommunikation mit digitalen Zwillingen erzeugen, inklusive einer Vielzahl von Schnittstellen.

Welche Aufgaben haben digitale Zwillinge in der Industrie 4.0?

Gerade im Fashion-Bereich sind digitale Zwillinge bereits weit verbreitet: Käufer eines IRL-Kleidungsstücks erhalten zugleich auch dessen virtuelle Entsprechung als NFT, das sie zum einen als rechtmäßige Eigentümer legitimiert, zum einen können sie dieses in einem Metaverse als Wearable für ihren Avatar nutzen. Geht man einen Schritt zurück, vom Konsumenten zum Produzenten, so kann ein Modelabel den Schnitt, Verarbeitungsschritte – alles, was den Produktionsprozess des realen Kleidungsstücks ausmacht – ebenfalls als NFT sichern, um Kopien und Fälschungen zu verhindern.

Dasselbe Konzept kommt auch in anderen industriellen Bereichen zum Einsatz: Neben Produkten können mit Hilfe digitaler Tools auch Maschinen zu ihrer Herstellung inklusive ihrer einzelnen Komponenten modelliert werden, und zwar nicht nur deren sämtliche geometrischen Daten, sondern auch solche zu Kinematik und Logik. Ein solcher digitaler Zwilling ist nicht nur das genaue Abbild des physisch existierenden Gegenstücks, das in einer realen Fabrik steht, sondern erlaubt auch die Simulation von dessen Betrieb und Steuerung.

In der Industrie 4.0, und dort gerade im Maschinen- und Anlagenbau, ist die Integration von digitalen Zwillingen in die sogenannte Verwaltungsschale – englisch: Asset Administration Shell – mittlerweile ein wichtiges Thema geworden: Damit wird die Daten-Schnittstelle bezeichnet, die alle Daten und Informationen zu einem bestimmten Gerät oder Bauteil für deren Umsetzung als digitaler Zwilling enthält. Die Verwaltungsschale für digitale Zwillinge ist in Teilmodelle gegliedert, die zum Beispiel folgende – vor allem rein technische – Informationen enthalten:

• Modell-basierte Selbstbeschreibungen, die dazu dienen, dass eine Maschine sich durch Autoidentifikation und Autokonfiguration an einem Manufacturing Execution System (MES) oder im Internet-of-Things (IoT) selbst anmeldet.

• Dazu gehört auch die Beschreibung der Fähigkeiten oder Skills einer Produktionsanlage in Bezug auf bestimmte Fertigungsverfahren oder ergänzende Funktionen – z.B. beim Transport – was auch die Logistik miteinschließt.

• Daten-basierte Modelle des Normalverhaltens einer Maschine oder der gesamten Produktionskette.

• Simulationen einzelner Betriebsabläufe und Prozesse inklusive ihrer Interaktion.

Typische Einsatzszenarien in der Industrie für digitale Zwillinge

Bisher wurden verschiedene Computerprogramme dafür genutzt, um Messdaten realer Assets in digitale Modelle umzusetzen, Was-wäre-wenn-Szenarien zu erstellen oder mit Hilfe von KI Voraussagen über die Wahrscheinlichkeit möglicher Entwicklungen zu treffen, die jedoch abstrakt waren. Durch den Einsatz von digitalen Zwillingen lassen sich in diesen Bereichen wesentlich differenziertere und trotz deren höherer Komplexität anschaulichere Aussagen machen und diese durch eine überzeugende Simulierung der Prozesse verdeutlichen.

Asset Monitoring

Das Asset Monitoring – deutsch: Anlagenüberwachung – spielt bei der Prozessführung (Performance Monitoring) in der Fertigungsindustrie eine zentrale Rolle. Durch den Einsatz eines digitalen Zwillings können nicht nur bestimmte Typen von Anlagenproblemen erfasst werden, bei denen das bisher kaum möglich war, sondern kausale Wirkzusammenhänge erkannt werden, zum Beispiel bei Verschlechterungsprozessen, in denen sich Probleme einer Anlage von Asset zu Asset fortpflanzen.

Um hierfür einen digitalen Zwilling zu erstellen, werden zuerst alle relevanten Daten über die reale Maschine oder Anlage gesammelt – unter anderem historische Daten sowie Echtzeit-Sensordaten, Daten zur Wartung – und in einer speziellen Digital-Twin-Software verarbeitet. Diese erstellt daraus ein virtuelles Modell in der Cloud. Der Einsatz dieses digitalen Zwillings, der zudem intuitiv verständliche Schnittstellen besitzt, macht es dann möglich, Daten über die zukünftige Nutzung zu sammeln und auszuwerten, ohne die Gefahr realer Produktionsausfälle oder anderer Probleme.

Was-wäre-wenn-Simulationen

Auf Basis der für das Asset Monitoring erfassten Daten und eines darauf basierenden digitalen Zwillings sind auch verschiedene Was-wäre-wenn-Simulationen möglich. Dadurch können Unternehmen verschiedene Szenarien umfassend testen und experimentieren - ohne reale Konsequenzen - , beispielsweise die Betriebseinstellungen von Anlagen oder Prozessen ändern, um die optimale Konfiguration zu finden oder um Stresstests zu simulieren. Digitale Zwillinge machen dabei Intra-Asset-Effekte und Abhängigkeiten transparent, zeigen mögliche Lösungen durch Eingabe verschiedener Daten auf und können durch die Verknüpfung von Assets und Prozessen dazu beitragen, deren Leistung kontinuierlich zu optimieren. Dies umfasst auch weitere, nicht rein industrielle Bereiche wie das Internet der Dinge und Connected Cars.

Beispiele für den Einsatz von digitalen Zwillingen in anderen Bereichen

Neben der Simulation von industriellen Fertigungsprozessen gibt es natürlich viele weitere Bereiche, in denen der Einsatz digitaler Zwillinge Verfahren optimieren bzw. beschleunigen und vereinfachen kann und damit auch Kosten senkt.

Um- und Neubau sowie Präsentation von Immobilien

Es liegt auf der Hand, dass nicht nur Maschinen selbst, sondern ganze Anlagen durch diese Art der Digitalisierung leichter planbar werden – zusammen mit der räumlichen Situation, in der diese betrieben werden. Durch die exakte Erfassung und Darstellung von Größen, Volumen sowie den erforderlichen Raumbedingungen für Produktionsabläufe wird die optimale Nutzung vorhandener Flächen, auch mit den angeschlossenen logistischen Prozessen, effizient planbar.

Ähnliches gilt für die Neu- bzw. Umgestaltung vorhandener Räumlichkeiten, z.B. bei Altbauten. Auf Basis der umfassenden Erfassung aller Daten, inklusive besonderer Maße, der Statik und Infrastruktur, erleichtert ein digitales Pendant die Planung aller auszuführenden Maßnahmen für alle beteiligten Gewerke. Gerade bei größeren Eingriffen in die Gebäudestruktur, wie sie manchmal auch bei einer historischen Bausubstanz notwendig sind, lassen sich anhand eines digitalen Zwillings alle Änderungen beim Erscheinungsbild sofort genau erkennen und es können noch vor Beginn der Umbaumaßnahmen gegebenenfalls Änderungen bzw. Alternativen erarbeitet werden.

Gleiches gilt für die Raumplanung: Was beispielsweise der Fachhandel für die Planung der Ausstattung von Bädern bereits den Kunden mithilfe von VR-Brillen anbietet, wird durch die Verwendung der Realdaten eines Raums noch realistischer erfahrbar.