Zukunft Industrien

Digitale Zwillinge: Von der Realität in den Cyberspace und zurück

In Rotterdam wird gegenwärtig IoT-Geschichte rund um den Digitalen Zwilling geschrieben: Denn um den größten Frachthafen Europas fit für die vernetzte Schifffahrt und autonom fahrende Schiffe zu machen, baut die Hafenverwaltung mit Hilfe von IBM Technologie einen kompletten digitalen Zwilling vom 42 Kilometer langen Areal des Hafens. Das bedeutet: Die gesamte, real vorhandene Infrastruktur wird mit allen Betriebsabläufen und allen messbaren Umgebungsdaten digital abgebildet. Dazu gehören unter anderem Schiffsbewegungen, Wetterverhältnisse und Wasserstände. Warum? Um eine bessere Übersicht und ein genaueres Verständnis über die Abläufe im Hafen zu erlangen sowie die Voraussetzung dafür zu schaffen, sie präziser und effektiver zu steuern. Darüber hinaus schafft ein solcher digitaler Zwilling die Möglichkeit, immer wieder neue Szenarien zu testen sowie die Konsequenzen bestimmter Entscheidungen im Vorfeld zu simulieren. Auch in Fragen der Sicherheit liefert das Modell aus dem Cyberspace wertvolle Erkenntnisse.

Das Rotterdamer Beispiel ist gewissermaßen nur die Spitze eines neuen Eisbergs rund um die Entwicklungen digitaler Zwillinge. Aber es macht sehr gut die Dimension und das Potenzial deutlich, das im Einsatz von Digital-Twin-Konzepten steckt. Die Verwendung von Digital Twins wird grundlegend verändern, auf welche Art und Weise Unternehmen, Städte oder Verwaltungen ihre Prozesse und Produkte entwickeln, planen, bauen, betreiben und steuern. Zentraler Kern des Ansatzes ist die permanente Wechselbeziehung zwischen dem digitalen Abbild und seinem real existierenden Counterpart: Denn nicht nur der Status Quo einer Sache oder Situation wird im Digitalen Zwilling abgebildet, sondern sämtliche Beobachtungen aus den laufenden Prozessen und dem Betrieb gehen wiederum in das Modell ein und geben wertvolle Hinweise zu Interdependenzen, Auswirkungen und Optimierungsmöglichkeiten. Der Industrie-Analyst Gartner geht daher auch davon aus, dass “bis 2021 die Hälfte aller großen Unternehmen Digital Twins nutzen und damit ihre Effektivität um zehn Prozent steigern werden.“

Vom Areal des Rotterdamer Hafens existiert ein digitaler Zwilling. Copyright: Hafen Rotterdam

Worauf beruht diese vergleichsweise schnelle Akzeptanz eines in dieser Ausprägung relativ neuen Ansatzes? Die Antwort lautet: IoT, Cloud und Künstliche Intelligenz (KI). In allen drei Disziplinen erleben wir täglich neue faszinierende Entwicklungen: Dieses neue „Dreigestirn“ wird zum Schrittmacher für die Umsetzung Digitaler Zwillinge.

Digitale Zwillinge: Neue Ansätze aus dem IBM Forschungs- und Entwicklungslabor

IBM hat neben dem Hafen von Rotterdam bereits eine ganze Reihe weiterer Digital Twin Projekte in unterschiedlichen Anwendungsbereichen auf den Weg gebracht. Dennoch gibt es noch viel zu tun, um den Ansatz weiter zu perfektionieren. Daher entwickeln wir unter anderem in unserem Forschungs- und Entwicklungszentrum in Irland neue Digital-Twin-Technologien. Dazu gehören:

  • Eine virtuelle Plattform, um komplexe IoT-basierte Systeme gleichzeitig mit echten und simulierten Daten zu testen.
  • Die Entwicklung eines “Knowledge Graphs” für IoT-basierte Systeme. Der Knowledge Graph arbeitet mit KI-Fähigkeiten, mit denen ein IT- System dann in der Lage ist, Daten autonom zu analysieren und sie auch im Kontext eines Lebenszyklus verstehen und interpretieren zu können.

Auf der virtuellen Plattform werden im Laborversuch unter anderem echte und simulierte Verkehrs-Daten kombiniert, um bestimmte Effekte auf den Verkehrsfluss, ausgelöst etwa durch Großveranstaltungen, Baustellen oder den Einsatz autonom fahrender Autos, zu untersuchen. Ziel sind genauere Prognosen und eine bessere Verkehrsplanung. Sinnvoll etwa auch für Car-Sharing-Services, die damit ihren Bedarf an verschiedenen Standorten besser planen können. Ein weiteres Projekt beschäftigt sich mit Simulationen, wie Fahrradfahrer besser vor schädlichen Autoabgasen geschützt werden können. Zum Beispiel durch den Einsatz künstlicher Intelligenz, die bei einem Hybrid-Fahrzeug automatisch auf den emissionsfreien Elektroantrieb wechselt, wenn sich ein Fahrradfahrer oder Fußgänger nähert. Damit könnten Digital-Twin-Lösungen dazu beitragen, die Verkehrs- und Abgasbelastung in den Städten intelligent zu reduzieren – und nicht durch Fahrverbote nach dem Gießkannenprinzip.

Im Falle der Entwicklung von Knowledge Graphs geht es wiederum darum zu verstehen, wie genau die Beziehung zwischen verschiedenen Datengruppen aussieht. Dazu entwickelt das Forschungszentrum KI-Technologien, die das Verständnis und den Zusammenhang zwischen IoT-Datengruppen innerhalb eines Netzwerks oder Systems weiter vertiefen. Zum Beispiel, wenn es um die Temperatur-Regelung in einem Gebäude geht. Das KI-System versteht die physikalischen Regeln, wie die Gebäude-Temperatur von der jeweiligen Außentemperatur und weiteren Umgebungsbedingungen abhängt und formt daraus einen Knowledge Graphen. Aus diesem geht dann hervor, wie die Temperatureinstellungen unter Berücksichtigung unterschiedlicher externer Einflussfaktoren aussehen müssen. Ein IT-System, das mit einem solchen Graph arbeitet, ist damit unter anderem in der Lage, automatische Temperaturanpassungen vorzunehmen oder Selbst-Diagnosen im Störfall zu stellen.

Folgendes Video erläutert dies anschaulich:

Diese Beispiele zeigen: Die Einsatzmöglichkeiten von Digital-Twin-Konzepten gehen weit über die klassischen Lebenszyklus-Modelle für Maschinen oder Anlagen hinaus. Überaus spannend ist dabei auch die Kombination von realen und simulierten Daten: Die damit erzeugten Szenarien erlauben sehr viel genauere Erkenntnisse über all das, was der Mensch regeln, steuern und beeinflussen kann.

Mehr zum Thema Digital Twin erfahren Sie auf der Hannover Messe. Besuchen Sie uns bei IBM vor Ort!

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