Der Begriff „digitaler Zwilling“ ist inzwischen weit verbreitet und beschreibt entweder einen digitalen Partner, eine digitale Blaupause oder nur ein Softwaresurrogat eines physischen Systems, Geschäfts- oder Umweltprozesses. Für eine angemessene Überwachung können sogar reine Softwaresysteme, insbesondere in einer Cloud, einen digitalen Zwilling haben. Wir finden, dass dies eine angemessene Definition ist:

Ein digitaler Zwilling eines Systems besteht aus

• eine Reihe von Modellen des Systems und
• eine Menge digitaler Schatten, die beide regelmäßig und zielgerichtet aktualisiert werden, und
• eine Reihe von Diensten bereitstellt, um beide zielgerichtet in Bezug auf das ursprüngliche System zu nutzen

Der digitale Zwilling interagiert mit dem Originalsystem durch

• Bereitstellung nützlicher Informationen über den Kontext des Systems und
• Übermittlung von Steuerbefehlen an das System.

Digitale Zwillinge (engl. Digital Twin, DT) versprechen eine Vielzahl von Verbesserungen für die Entwicklung und den Betrieb von physischen Systemen, da wir uns einen DT als ein Softwaresystem vorstellen, das das physische System während seines Betriebs aktiv begleitet. Der digitale Zwilling sammelt, speichert, aggregiert und nutzt Daten, stellt Nutzern nützliche Informationen und Formen aktiver Softwaredienste zur Verfügung und stellt Verbindungen zu anderen Systemen her.

Ein digitaler Zwilling muss viele Dinge über seinen physischen Zwilling wissen, z. B. durch die Wiederverwendung von technischen Dokumenten für die Konfiguration und den Aufbau des digitalen Zwillings. Ein Strukturmodell hilft beispielsweise zu verstehen, wo sich die Sensoren befinden, und liefert somit wichtige Metainformationen für Sensordaten. Die Kommunikation zwischen den Zwillingen ist bidirektional, so dass z. B. verschiedene Formen von Informationen über den Systemkontext einschließlich anderer Systeme an das physische System gesendet werden können. So kann ein autonomes Auto beispielsweise Verkehrsinformationen, Wetterdaten usw. empfangen, und Produktionsmaschinen können erwartete Feuchtigkeit oder logistische Informationen erhalten. Das DT kann auch verschiedene Formen von Steuerbefehlen senden, von Konfigurationen bis hin zu harten Echtzeit-Ausführungsbefehlen, wenn das Gesamtsystem so ausgelegt ist, dass dies möglich ist.

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Der DT ist natürlich die primäre Informationsquelle für jede Form von Nachbarsystemen, aber insbesondere für menschliche Nutzer, die mit dem physischen System umgehen. Der DT benötigt daher eine komfortable Benutzeroberfläche.

Ein digitales Zwillingscockpit ist der Benutzerinteraktionsteil (UI/GUI) eines digitalen Zwillings.

Das digitale Zwillingscockpit bietet die grafische Benutzeroberfläche für die Visualisierung seiner in digitalen Schatten und Modellen organisierten Daten und die Interaktion mit den Diensten des digitalen Zwillings. Es ermöglicht dem Menschen, auf das physische System zuzugreifen, Informationen anzupassen und hinzuzufügen, es zu überwachen und teilweise zu steuern.

Das Cockpit ist ein Teil des digitalen Zwillings und kann sowohl als spezieller Dienst des digitalen Zwillings als auch als integrative Front-End-Komponente für verschiedene spezifische Dienste des digitalen Zwillings betrachtet werden.

Ein Cockpit visualisiert verschiedene Formen von Daten, z. B. digitale Schatten, jegliche Form von Daten, die von Drittsystemen empfangen werden, alle Arten von Daten und Befehlen, die von Benutzern eingegeben werden, und Modelle des physischen Systems oder der Betriebsabläufe des physischen Systems. Dazu gehören geometrische Visualisierungen, schematische, diagrammatische und tabellarische Darstellungen sowie Formen der virtuellen Realität. Seine Dienste können komplexe Prozesse unterstützen, an denen das physische System, der digitale Zwilling und die menschlichen Nutzer in verschiedenen Formen interagieren.

Die effiziente Entwicklung solcher digitalen Zwillinge stellt hohe Anforderungen und basiert in der Regel auf Erfahrungen aus früheren Entwicklungen ähnlicher Produkte. Allgemeine Frameworks für ein solches DT-Cockpit sind zwar hilfreich, jedoch sind produkt- bzw. produktlinienspezifische Frameworks, die zusammen mit den physischen Produkten entwickelt werden, der vielversprechendste Ansatz für eine nachhaltige und nutzerfreundliche Verbindung zwischen physischen und digitalen Zwillingen.

Normalerweise leiten wir Teile des digitalen Zwillings ab, indem wir die technischen Modelle des physischen Zwillings wiederverwenden. Dies können beispielsweise Strukturmodelle, Stücklistenpläne, Sensorpläne, CAD-Modelle oder auch Geschäftsprozessmodelle sein.

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Je nach Zweck gibt es verschiedene Arten von digitalen Zwillingen. In der folgenden Liste werden die wichtigsten Arten von digitalen Zwillingen erläutert:

Digitalen Zwillinge zur Entwicklung

Der „Digitle Zwilling zur Entwicklung“ ist ein zentraler Bestandteil des Entwicklungsprozesses. Er enthält einen kohärenten Satz von Entwicklungsartefakten, die das zu entwickelnde System beschreiben.

• Bei diesen Entwicklungsartefakten handelt es sich in der Regel um Modelle, die die Struktur, das Verhalten, die Interaktionen, die Zerlegungsformen, die Geometrie, die Funktionalität (sowohl mechanisch als auch rechnerisch), die Anforderungen, die Konstruktionsentscheidungen, die Architektur usw. beschreiben.
• Der Entwicklungs-DT kann auch Montagepläne (mechanisch) und Bauverfahren (IT) enthalten.
• Der Entwicklungs-DT kann zusätzlich Informationen über den Entwicklungsprozess enthalten, der aus Aufgaben, geplanten und durchgeführten Iterationen, Artefaktzuständen, Meilensteinen in traditionellen Prozessen, Scrums in agilen Prozessen usw. besteht.

Digitaler Zwilling zur Anwendung

Der „Digitaler Zwilling zur Anwendung“ ist eine Reihe von Diensten, die dem Nutzer eines Systems helfen, den aktuellen Zustand und die Historie so weit wie möglich zu verstehen und möglicherweise auch zukünftige Aktionen während der Betriebsphase eines Systems zu planen.

• So befasst sich z. B. ein DT eines Automobils hauptsächlich mit Informationen, die für Benutzer, Fahrer und möglicherweise Flottenbesitzer relevant sind, wie z. B. Tanken, nächster Servicetermin, Anpassung der Anzeige, z. B. mit zusätzlichen Diensten, Verwaltung des Navigationssystems usw.
• Ein Produktionslinien-DT befasst sich mit Wartungs- und Produktionsinformationen für die aktuellen Arbeiter sowie für das Management.

Digitaler Zwilling zur Diagnose

Ein „Digitaler Zwilling zur Diagnose“ umfasst eine Reihe von Diensten, die der Wartung helfen, den Betriebszustand, Störungen und Reparaturen zu verstehen. Dazu gehört auch die Ferndiagnose.

• Ein Kfz-Diagnose-DT wird in all seinen Funktionen bei der Wartung eingesetzt und kann in der Regel mit zusätzlichen Werkzeugen zur Durchführung detaillierter Diagnose- und Reparaturarbeiten ausgestattet werden.
• Diagnostische DTs können auch für den Hersteller von Interesse sein.

Digitaler Zwilling zum Monitoring

Ein „Digitaler Zwilling zum Monitoring“ umfasst eine Reihe von Diensten, die relevante Datenspuren sammeln und das korrekte Verhalten gegenüber bestimmten juristischen und technischen Einschränkungen nachweisen.

• Ein Monitoring-DT zeichnet z. B. auf, wenn ein gemietetes Auto den offiziellen Mietbereich nicht verlassen hat, ein Produktionsmotor nicht außerhalb seiner Parameter betrieben wurde usw.
• Ein Monitoring-DT kann z. B. von Eigentümern, Versicherungen usw. genutzt werden.
• Flugzeuge z.B. sind mit (noch nicht angeschlossenen) Blackboxen ausgestattet.

Digitaler Zwilling zur Produktion

Der „Digitaler Zwilling zur Produktion“ wird vom Hersteller während der Produktion oder Montage eines Produkts verwendet, um dessen Zustand bzw. den Zustand aller Komponenten zu verstehen. Es ist erwähnenswert, dass ein Entwicklungs-DT nur einmal existiert, während alle anderen eine Vielzahl von Instanzen haben können (real gebaute Systeme).

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Bei der Entwicklung des digitalen Zwillings eines Produkts erfordert die Komplexität in der Regel die Anwendung solider technischer Grundsätze: Ein konzeptionell gut definierter digitaler Zwilling kann technisch über eine Reihe von Knotenpunkten verteilt sein, darunter das System, lokale Geräte (Edge-Computer) und die Cloud. Dies bringt technische Herausforderungen mit sich, die jedoch bewältigt werden müssen, um die verfügbaren Rechen- und Kommunikationsinfrastrukturen vollständig zu nutzen.

Da die Dienste eines digitalen Zwillings eng mit den funktionalen Fähigkeiten des physischen Systems verbunden sind, kann es durchaus sein, dass sich der Entwicklungsprozess parallel auf das physische System und den digitalen Zwilling konzentrieren muss. Der digitale Zwilling ist also NICHT nur ein Nebenprodukt der Entwicklung des physischen Systems.

Da das System konfigurierbar ist, parametrisiert oder kalibriert werden kann und im Laufe der Zeit neue Dienste hinzukommen können, kann der digitale Zwilling in hohem Maße „selbstanpassend“ sein. Komplexe physische Systeme werden dekomponiert. Dies gilt auch für digitale Zwillinge. Idealerweise sollte der DT ähnlich und in Übereinstimmung mit der Struktur des Produkts „strukturell zusammengesetzt“ sein, um eine modulare Wiederverwendung zu ermöglichen.

Am Ende sollte ein DT in der Lage sein, mit mehreren Dimensionen der Variabilität umzugehen:

Diese Dimensionen der Variabilität bestehen alle zusätzlich zu der typischen technischen Variabilität verschiedener Systemvarianten.