Digitaler Zwilling

• Was ist ein Digitaler Zwilling?
• Digitaler Zwilling: Was sind die Chancen?
• Was sind die Herausforderungen?
• Wie funktioniert ein Digitaler Zwilling?
• Wie unterstützen wir Unternehmen beim Virtual Engineering?
• Warum sollte Ihr Unternehmen mit dem Fraunhofer IESE zusammenarbeiten?
• Welche Referenzen hat das Fraunhofer IESE?

Digitaler Zwilling Definition 

Der Digitale Zwilling ist ein virtuelles Abbild eines physischen Guts. Er bildet den aktuellen Zustand eines Systems ab und kann dadurch das Verhalten vorhersagen. Dies ermöglicht virtuelle Tests zur Entwicklungszeit, oder aber das Bewerten von Entscheidungen zur Laufzeit. Die Umsetzung sich selbst optimierender Systeme wird mit einem Digitalen Zwilling deutlich vereinfacht. Neben einem reinen Abbild kann ein Virtueller Zwilling auch bidirektionale Schnittstellen realisieren, die es ermöglichen, auf ein System einzuwirken. Damit wird der Digitale Zwilling zum Werkzeug zur sektorübergreifenden Kopplung von Systemen.

Man unterscheidet zwischen dem Digitalen Schatten und dem Digitalen Zwilling. Der Digitale Schatten bildet den Zustand eines realen Systems, aller relevanten Komponenten und auch der Umgebung digital ab. Dies umfasst auch Nutzer, Zertifikate und Prozesse. Einheitliche Schnittstellen gewährleisten dabei die Kopplung über Systemgrenzen hinaus und ermöglichen eine systemübergreifende Interaktion. Durch die Integration von Simulationsmodellen kann das Verhalten eines Systems vorhergesagt und virtuelle Testumgebungen realisiert werden. Durch den Digitalen Zwilling lässt sich auch steuernd auf ein System einwirken. Integrierte Sicherheitskonzepte stellen dann sicher, dass der Virtuelle Zwilling und das reale System zu jeder Zeit ein vorhersehbares Verhalten zeigen.

Digitaler Zwilling – Beispiele

Viele Systeme sind mittlerweile vernetzt und kommunizieren miteinander. Dennoch ist die Kommunikation oft eingeschränkt: Der Einsatz verschiedener Protokolle und Formate verhindert häufig einen direkten Datenaustausch. In einer Produktion kann daher ein Enterprise Resource Planning (ERP) System nicht ohne weiteres auf Daten aus der Fertigung zugreifen. Für eine digitale Produktion sind diese Daten jedoch notwendig, da Prozesse immer häufiger automatisiert dokumentiert werden müssen und flexible Produktionsprozesse den Zustand sowie die Auslastung einer Anlage zu jedem Zeitpunkt kennen müssen. Der Digitale Zwilling realisiert ein vollständiges Abbild der Produktion, das sowohl den aktuellen Zustand der Anlage umfasst, als auch kontrollierte Änderungen an dieser zulässt.

In der Fahrzeugtechnik können digitale Simulationen durch die Kopplung aller relevanten Systemkomponenten – Busse, virtuelle Steuergeräte, Fehlermodelle und Fahrfunktionen – hochpräzise Software-in-the-Loop (SiL)-Testumgebungen in einem virtuellen Prüfstand realisieren. Dies reduziert schon heute Testkosten. Hochautomatisierte und autonome Fahrfunktionen müssen für ihre Zulassung sehr viele Testkilometer absolvieren, sodass sie auf anderem Wege gar nicht mehr getestet werden können.

Ein Digitaler Zwilling eignet sich daher insbesondere für Systeme, bei denen bisher isoliert agierende Systeme digital miteinander integriert werden. Ebenfalls werden HW/SW Codesign und die Simulation von Systemumgebungen von einem Digitalen Zwilling unterstützt. Diese Herausforderung findet sich in traditionellen Branchen wie Automatisierung, Fahrzeug- und Nutzfahrzeugtechnik oder Medizintechnik, aber auch bei der sektorübergreifenden Kopplung, beispielsweise bei der Integration von Fahrzeugen mit Mobilitätsdiensten.

Entstehung und Marktrelevanz eines Digitalen Zwillings

Ursprünglich ist der Digitale Zwilling eingeführt worden, um die hohen Kosten für Tests von Fluggeräten mittels Simulationen zu senken. Dafür sollten Modelle der realen Systeme eingesetzt werden, die alle relevanten Eigenschaften abbilden, und nicht nur eine Teilmenge von diesen. Heute wird der Digitale Zwilling daher in vielen Bereichen eingesetzt. Längst werden nicht mehr nur Fluggeräte damit getestet; auch in der Fahrzeugtechnik werden virtuelle Steuergeräte in einem Digitalen Zwilling des Fahrzeugs getestet, der Hardware, Busse, Fehlerbilder, Umgebung des Fahrzeugs und Fahrverhalten widerspiegelt. In einer Produktion wird ein Digitaler Zwilling genutzt, um Optimierungspotenziale in den komplexen Prozessen zu identifizieren, aber auch, um Änderungen in der Fertigung zuerst an einem virtuellen Abbild der Produktionsstraße zu testen, bevor diese in die reale Welt übertragen werden.

Zukünftig werden Systeme vermehrt autonom Entscheidungen treffen müssen. Sollen Funktionen eines Kraftfahrzeugs dynamisch nachgeladen werden oder soll eine Produktion dynamisch optimiert werden, dann müssen die beteiligten Systeme die Auswirkungen dieser Veränderungen einschätzen können. Aufgrund dieser Anforderungen wird der Digitale Zwilling in Zukunft noch deutlich an Bedeutung gewinnen.

Bezug zu Virtual Engineering

Virtual Engineering unterstützt Entwicklungsprozesse mithilfe virtueller Modelle, zum Beispiel durch die Simulation von Systemkomponenten und SiL-Tests, um Komponenten virtuell zu integrieren. Virtual Deployment wird eingesetzt, um Softwarekomponenten auf der Zielplattform zu testen und zu prüfen, ob beispielsweise Antwortzeiten eingehalten werden oder ob die Reaktion auf Fehlerbilder dem erwarteten Verhalten entspricht. Ein Digitaler Zwilling von Komponenten wie Steuergeräten, Softwarekomponenten und Prozessen ist der Baustein für ein erfolgreiches virtuelles Engineering.

Der Digitale Zwilling wird genutzt, um Entwicklungszyklen zu beschleunigen, alternative Produkt- und Lösungskonzepte zu entwickeln und ein frühes Feedback zu den Auswirkungen von Entscheidungen sowie des zu erwartenden Ergebnisses zu bekommen. Virtual Engineering umfasst daher den vollständigen Prozess, die erforderliche Infrastruktur und die Strategien zur Datenhaltung bei der virtuellen Entwicklung. Durch die Verkürzung von Entwicklungs- und Änderungsprozessen spart der Einsatz eines Digitalen Zwillings bares Geld.

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Schnellere Time-to-Market

Zeit ist Geld! Häufig gewinnt nicht der, der das beste Produkt am Markt platzieren konnte, sondern der, der es als erster platziert hat. Neben der eigentlichen Entwicklung und Umsetzung sind es aber oft Tests und die Fehlersuche, die die Fertigstellung verzögern. Ein Digitaler Zwilling realisiert digitale Abbilder von Systemen als virtuelle Testumgebungen. Änderungen, die Integration von Systemen und Neuentwicklungen können damit getestet werden. Mit einem Digitalen Zwilling können Sie auch seltene Situationen, wie zum Beispiel Hardware-, Bedien- oder Übertragungsfehler zuverlässig reproduzieren.

Kosteneinsparungen

Oft ist es schwierig zu verstehen, wie komplexe Systeme funktionieren. Nicht umsonst sind die ersten Schritte auf dem Weg zu Industrie 4.0 das »Sehen« und das »Verstehen« der eigenen Systeme. Der Digitale Zwilling realisiert ein ganzheitliches Abbild eines Systems. Sie können Daten aus verschiedenen Quellen zusammenführen und so Optimierungspotenziale erkennen. Diese Schnittstellen eignen sich auch für langlebige Systeme und ermöglichen daher einen dauerhaften Zugriff auf Daten aus verschiedenen Quellen.

Höhere Qualität

Änderungen in Systemen ziehen oft ungewolltes Fehlverhalten, sogenannte Seiteneffekte, nach sich. Ein Digitaler Zwilling stellt ein virtuelles Abbild des Zielsystems und seiner Umgebung bereit und ermöglichen damit den Aufbau einer Continuous-Integration-/Continuous-Engineering-Umgebung auch für eingebettete Systeme. Ihr System wird dadurch bei jeder Änderung automatisch getestet und Sie können Ihre Software schnell und effizient verändern sowie unerwünschte Seiteneffekte effizient erkennen.

Enabler für Autonome Systeme

Während aktuelle Systeme nur einen überschaubaren Entscheidungsspielraum besitzen, treffen autonome Systeme, wie autonome Fahrzeuge, deutlich mehr Entscheidungen eigenständig. Um die richtige Entscheidung in der aktuellen Situation zu treffen, ist eine Umgebungswahrnehmung notwendig. Autonome Systeme sind deswegen oft vernetzt und teilen Sensorinformationen über physikalische Systemgrenzen hinweg. Simulationen sind dann eine Voraussetzung für die Qualitätssicherung und den Sicherheitsnachweis. Wir forschen für Sie an der Realisierung von sich selbst optimierenden Systemen und autonomen Entscheidungen mit virtueller Simulation. Möchten Sie davon profitieren?

Enabler für Industrie 4.0

Fast schon ein Klassiker der Industrie 4.0 ist die prädiktive Wartung, die ungeplante Standzeiten verhindert. Die dafür notwendigen Daten werden von dem Digitalen Zwilling bereitgestellt. Technisch wird das mit einer Verwaltungsschale und Teilmodellen realisiert. Auch komplexere Anwendungen der Industrie 4.0 werden mit Digitalen Zwillingen möglich. Eine virtuelle Inbetriebnahme verkürzt Rüstzeiten, und eine flexible Produktion kann auch kleine Stückzahlen kostengünstig fertigen. Unsere Open-Source Industrie-4.0-Middleware Eclipse BaSyx realisiert die Plattform für Ihre digitale Fertigung. Sprechen Sie uns an!

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In komplexen Systemen kommen oft unterschiedliche Schnittstellen zum Einsatz. Dies hat handfeste Gründe: Busprotokolle sind auf die echtzeitfähige oder hochfrequente Übertragung geringer Nutzdatenmengen optimiert, während beispielsweise Ethernet die größte Performanz bei der Übertragung großer Datenmengen zeigt. Sehr einfache Endgeräte implementieren gar keine Protokolle, sondern kommunizieren etwa einen bestimmten Spannungspegel. Um diesen in einen numerischen Wert zu konvertieren, muss die Kennlinie des Geräts bekannt sein. Dies führt zu ganz realen Problemen: Häufig sind Kennlinien von Geräten in der Steuerungssoftware hinterlegt. Es gibt keine sinnvolle Trennung zwischen der Darstellung von Informationen und deren Verarbeitung. Müssen Teile von Systemen angepasst oder ausgetauscht werden, führt dies zu umfangreichen Änderungen. Ein Digitaler Zwilling stellt daher ein Systemabbild bereit, das den Zustand eines Systems auf ein logisches Modell abbildet. Damit wird es für den Nutzer unerheblich, wie ein bestimmter Wert zustande kommt. Wichtig ist, dass er mittels des Digitalen Zwillings auf ein Systemabbild zugreifen kann, das die geforderte Information enthält.

Acatech Reifegradmodell für Industrie 4.0

Das Acatech Reifegradmodell für Industrie 4.0 beschreibt die dabei möglichen Reifegrade. Diese sind zwar eigentlich für die Reife einer Produktion definiert, lassen sich aber übergreifend zur Beschreibung eines Digitalen Zwillings nutzen:

• Reifegrad 3 ist der erste, der für Digitale Zwillinge relevant ist. Er fordert Konnektivität, aber keine einheitliche Interpretation von Daten und Diensten. Es ist ausreichend, wenn Daten bereitgestellt werden. Die Nutzer müssen gewährleisten, dass die Daten korrekt interpretiert werden.
• Stufe 4 des Reifegradmodells erfordert, dass der Digitale Zwilling Informationen in einem einheitlichen Format vorhält. Abhängig von der Nutzung müssen Formate konvertiert oder Metadaten genutzt werden. Diese Metadaten beschreiben dann beispielsweise, ob ein Wert gemessen wurde oder wie verlässlich ein Wert ist.
• Reifegrad 5 erwartet ein Vorhersagemodell, das das Systemverhalten in einer definierten Umgebung beschreibt. Damit können unter anderem Verhaltensänderungen vorhergesagt werden.
• Reifegrad 6 bietet die Möglichkeit, ein System zu optimieren und so auf dieses einwirken zu können. Dies ist nur mit einem Digitalen Zwilling möglich; ein Digitaler Schatten ist dafür nicht mehr ausreichend.

Die Nutzer von Digitalen Zwillingen sind vielfältig

Es kann sich dabei um Bediener handeln, die mittels eines Dashboards den Zustand einer Anlage überwachen und Optimierungspotenziale identifizieren. Der Nutzer eines Digitalen Zwillings kann aber auch ein anderer Digitaler Zwilling sein – so kann zum Beispiel der Anlagenzwilling seinen Zustand aus den virtuellen Abbildungen der Geräte und der Werker aggregieren. Auch während der Entwicklung und bei Testaktivitäten kommen Digitale Zwillinge zum Einsatz.

Gerne unterstützen wir Sie mit unseren Werkzeugen und unserem Wissen bei der Digitalisierung Ihrer Systeme. Ist Ihre konkrete Fragestellung nicht dabei? Sprechen Sie uns trotzdem an. Genau wie Sie arbeiten auch wir gerne an neuen und revolutionären Lösungen und Projekten.

Architekturen für und mit Digitalen Zwillingen

Ein Digitaler Zwilling erfordert oft neue Architekturkonzepte. Datenmodelle müssen erstellt werden, passende Technologien ausgewählt und Qualitätseigenschaften bedacht werden. Werden die eingesetzten Netzwerke den steigenden Anforderungen an die Kommunikation gewachsen sein? Was passiert im Fehlerfall? Wie kann man eine dienstbasierte Architektur realisieren? Gerne erstellen wir Ihnen ein Architekturkonzept für Ihre Systeme und beraten Sie in allen Belangen der Digitalisierung.

Virtuelle Prüfstände

Testen Sie Ihre Funktionen in virtuellen elektronischen Steuergeräten (ECUs), erstellen Sie virtuelle Fahrzeuge mit Bussen, ECU-Plattformen und Fehlermodellen, integrieren Sie bestehende Simulatoren in Ihre virtuellen Prüfstände. Unsere Konnektoren verbinden zum Beispiel Simulink-Modelle und Functional Mockup Units (FMU) des FMI-Standards in eine gemeinsame Co-Simulation. Mit unseren C- oder Java-basierten Schnittstellen erstellen wir eine an Ihre Bedürfnisse angepasste Simulationsumgebung.

Continuous Integration / Continuous Deployment

Mit Continuous Integration (CI) und Continuous Deployment (CD) können Sie sehr schnell neue Funktionen in einem kontinuierlichen Prozess umsetzen und diese testen. Neue Funktionen erreichen dadurch schneller die notwendige Marktreife. Unsere Co-Simulationslösung FERAL unterstützt Sie dabei, CI/CD-Lösungen auch für eingebettete Systeme, wie sie sehr häufig in der Fahrzeugtechnik und der Produktion zu finden sind, umzusetzen.

Digitale Fertigungsprozesse

Nutzen Sie unsere Open-Source-Lösung Eclipse BaSyx, um mit Verwaltungsschalen einen virtuellen Datenraum zu schaffen. Der Digitale Zwilling für Ihre Prozesse, Ressourcen und Produkte digitalisiert Ihre Fertigung. Realisieren Sie einen virtuellen Kontrollraum, der den Zustand Ihrer Produkte, Geräte und Prozesse auf einen Blick darstellt sowie prädiktive Wartung, Produktverfolgung mit automatisierter Dokumentation oder Produktion für kleine Losgrößen ermöglicht. Mit Eclipse BaSyx digitalisieren Sie Ihre Fertigung und nutzen eine offene Plattform. So lösen Sie die Herausforderungen von heute und legen gleichzeitig das Fundament für die Zukunft. Benötigen Sie Unterstützung oder weitere Features? Sprechen Sie uns gerne an.

Sichere Kopplung

Zukünftige Systeme sind Spezialisten und Teamplayer! Um eine Aufgabe optimal zu lösen, müssen sich Systeme zusammenfinden, wie bei einem Konvoi auf der Autobahn. Mit Digital Dependability Identities entscheiden Sie schon heute dynamisch, ob eine Kopplung sicher ist oder nicht.

Sicherheitskonzepte

Bewährte Konzepte zur Absicherung können im Kontext hochautomatisierter und vernetzter Systeme nur noch bedingt eingesetzt werden. Dynamisch gekoppelte Systeme benötigen daher dynamische Sicherheitskonzepte. Die dafür benötigten Informationen müssen nicht nur zur Laufzeit zur Verfügung stehen, sondern auch systemübergreifend nutzbar sein. Ein grundlegender Ansatz ist daher die Verlagerung der Absicherung in die Laufzeit mit sicheren Digitalen Zwillingen. Systeme werden sich ihrer Sicherheitsanforderungen bewusst und in die Lage versetzt, diese dynamisch anzupassen und zu gewährleisten. Ihnen fehlt noch ein passendes Konzept? Wir helfen Ihnen! 

Datensouveränität

Daten sind das neue Gold. Möchten Sie Ihre Daten verschenken und Unbefugten Einblick in Ihre Geheimnisse geben? Stellen Sie sicher, dass nur Befugte auf Ihre Daten zugreifen können. Wir bieten Ihnen mit MY DATA Control Technologies eine Lösung zur Datennutzungskontrolle, die Sie in Ihre Systeme integrieren können.

Wir unterstützen Sie bei der Konzeption und Umsetzung eines Digitalen Zwillings.

Damit vermeiden Sie teure Fehlentscheidungen und setzen auf modernste Technologien zur Integration Ihrer Systeme.

Wir entwickeln mit Ihnen moderne Simulationslösungen

Damit stellen wir sicher, dass Sie Ihre Systeme virtuell testen können, wertvolle Zeit und Ressourcen sparen und von kurzen Entwicklungszyklen profitieren.

Wir entwickeln mit Ihnen Strategien für offene Systeme.

Damit gewährleisten wir, dass sich Ihre Systeme auch in eine digitalisierte Umgebung integrieren lassen.

Wir realisieren mit Ihnen ganz neue Sicherheitskonzepte.

Damit ermöglichen wir Systeme und Systemfunktionen, die Sie bisher für undenkbar gehalten hätten.

Wir entwickeln mit Ihnen virtuelle Prüfstände.

Damit integrieren Sie Systemkomponenten, Busse, Fehlermodelle und Anwenderverhalten und qualifizieren/zertifizieren Ihre Systeme in Zukunft virtuell.

Wir digitalisieren Ihre Produktion.

Damit erkennen Sie Optimierungspotenziale, nehmen Geräte und Fertigungslinien virtuell in Betrieb und ermöglichen die Datenanalyse.

Wir realisieren mit Ihnen Continuous Integration / Continuous Deployment.

Damit verkürzen wir Ihre Entwicklungszyklen deutlich und finden unerwartete Fehler sowie Seiteneffekte schon während der Entwicklung.

Die Fraunhofer-Gesellschaft ist die größte angewandte Forschungsorganisation mit unterschiedlichsten Fachkompetenzen in mehr als 70 Instituten.

Das sichert Ihnen Zugriff auf Technologie- und Ingenieurskompetenzen aus allen für Ihr Ökosystem relevanten Disziplinen in allen Domänen innerhalb des Fraunhofer-Partnernetzwerks.

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