WhitePaper: Digitale Zwillinge- Klassifikation und Beispiele

In vielen technischen Anwendungen kommen digitale Zwillinge zum Einsatz. Deren Definition ist so breit, dass allein durch die Verwendung des Begriffs „digitaler Zwilling“ nicht klar ist, was genau gemeint ist, welche Eigenschaften der Zwilling hat und welche Teile des realen Systems er abbildet. In diesem WhitePaper werden digitale Zwillinge in zweierlei Hinsicht klassifiziert: Einerseits nach der Art der Kommunikation zwischen digitalem Zwilling und der Realität, andererseits nach der Geschwindigkeit, mit der der digitale Zwilling die Realität simuliert. Zahlreiche Beispiele aus der Praxis verdeutlichen die Klassifikation.

Autor: Prof. Dr. habil. Michael Schreiner

 

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Einführung

Beim Flug zum Mond von Apollo 13 im Jahr 1970 gab es Schwierigkeiten mit dem Versorgungsmodul, so dass die Mission schon auf dem Hinweg abgebrochen werden musste. Der geänderte Plan sah nun vor, dass die Kapsel mit Versorgungsmodul und angekoppelter Mondlandefähre den Mond umrunden sollte, um dann zur Erde zurückzufliegen. Zunächst war unklar, wie die Steuerdüsen betätigt werden mussten, um diese Flugbahn zu ermöglichen. Was dann geschah, war der vielleicht erste dokumentierte Einsatz eines digitalen Zwillings: Mission Control in Houston ermittelte die aktuelle Position und Geschwindigkeit des Raumschiffs und berechnete für die neue Konfiguration mit angekoppelter Mondfähre einen aktualisierten Kurs zur Erde sowie, wann und wie die Steuerdüsen zur Bahnkorrektur eingesetzt werden müssen. Die Ergebnisse dieser Simulationen, die auf einem der Computer der NASA stattfanden, wurden anschliessend an die Crew der Raumkapsel übermittelt. Das Verfahren hat funktioniert, und die Crew ist sicher auf der Erde gelandet.

Was ist also passiert? Das Verhalten eines Raumschiffs im Gravitationsbereich von Sonne und Mond ist als Berechnungsmodell digital abgelegt, und es fand eine Kommunikation von der Realität zum Programm statt (Position und Geschwindigkeit der Raumfähre). Nach der Berechnung wurden die Anweisungen an das Raumschiff übermittelt. Darüber hinaus war das System in der Lage, auf unerwartete Anforderungen wie den neuen Kurs oder die neue Masse der Raumfähre mit angedockter Raumfähre zu reagieren. So stellt man sich heute einen digitalen Zwilling vor!

Der Begriff des „digitalen Zwillings“ wurde im Jahr 1970 natürlich noch nicht verwendet. Er wurde erst später in einer NASA-Publikation in einem anderen Zusammenhang erwähnt, und kann in den letzten Jahren recht häufig in Publikationen gefunden werden. Allerdings wird die Bezeichnung „digitaler Zwilling“ nicht einheitlich verwendet. So wird der Begriff im Umfeld von Industrie 4.0 als digitales Abbild eines realen Prozesses verwendet, das als Software parallel mit dem realen System läuft und mit ihm Daten austauscht. Im Umfeld des Industrial Metaverse steht dagegen die Interaktion mit dem Menschen im Vordergrund, und ein reales System wird nicht vorausgesetzt.

Die Gesellschaft für Informatik gibt in ihrem Informatiklexikon, das auf ihrer Webseite zur Verfügung steht, folgende Beschreibung: [1] „Digitale Zwillinge sind digitale Repräsentanzen von Dingen aus der realen Welt. Sie beschreiben sowohl physische Objekte als auch nicht-physische Dinge wie zum Beispiel Dienste, indem sie alle relevanten Informationen und Dienste mittels einer einheitlichen Schnittstelle zur Verfügung stellen. Für den digitalen Zwilling ist es dabei unerheblich, ob das Gegenstück in der realen Welt schon existiert oder erst existieren wird.“ Es zeigt sich also, dass der Begriff „digitaler Zwilling“ sehr breit verwendet wird. Daher erscheint es sinnvoll, eine Klassifikation vorzunehmen, um besser zu verstehen, was unter einem digitalen Zwilling im jeweiligen Kontext verstanden wird.

Ziel dieses White Papers ist daher, eine Klassifikation der verschiedenen Ausprägungen von digitalen Zwillingen vorzunehmen und diese mit praktischen Beispielen zu erläutern. Dabei wird ihr Einsatz für Dienste vernachlässigt und der Schwerpunkt auf digitale Zwillinge für physische Objekte gelegt. Zunächst werden wir die digitalen Zwillinge nach der Art der Kommunikation mit dem realen System klassifizieren.

Wir unterscheiden digitale Zwillinge,

• die überhaupt nicht mit einem realen System kommunizieren,

• die Daten von einem realen System erhalten, ohne etwas zurückzuspielen,

• die eine wechselseitige Kommunikation mit einem realen System durchführen.

In der Arbeitsgruppe „Digitaler Zwilling“ von Industrie 2025 [2] wird zum Beispiel die wechselseitige Kommunikation als notwendige Eigenschaft eines digitalen Zwillings beschrieben. Wir folgen hier nicht dieser Definition, sondern beschreiben, wie der Begriff in der Praxis verwendet wird. Neben der Klassifikation bezüglich der Kommunikation unterscheiden wir, ob der digitale Zwilling synchron mit der realen Welt (also in Echtzeit) arbeitet, oder nicht.

 

[1] gi.de/informatiklexikon/digitaler-zwilling/

[2] www.industrie2025.ch/wissen-industrie-40/arbeitsgruppen/digitaler-zwilling