Umfassende virtuelle Modellierung technischer Anlagen und Prozesse Was ist ein Digitaler Zwilling?

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Hinterher ist man immer schlauer? Mit Techniken wie „Digitalen Zwillingen“ schafft man es vielleicht, demnächst auch vorher schon schlau zu sein. Die Sache ist freilich nicht einfach, denn eineiige Zwillinge sind auch in der Technik selten.

Die digitalen Zwillingsgeburten häufen sich in letzter Zeit: von 3D-Bildern von Kinderlaufrädern über sich drehende virtuelle Möbelstücke in virtuellen Räumen bis zum virtuellen Laufschuh wird dem (noch) realen Publikum alles, was Pixel hat, als digitaler Zwilling verkauft. Nicht zu reden von der Flugzeugfertigungshalle, dem Rechenzentrum oder, ja der Erde als Ganzes oder gleich dem ganzen Universum, das ja sowieso schon längst „Metaverse“ heißt.

Rein sprachlich und logisch gesehen kann man eigentlich nur in speziellen Kontexten von nur einem Zwilling sprechen. Denn man fragt sich doch sofort, wo eigentlich der andere Zwilling ist. Beim digitalen Zwilling ist es nun so, dass dieser eigentlich gar kein richtiger Zwilling ist.

Das Zwillingpaar entsteht durch einen analogen Counterpart. Vielleicht wäre deshalb Klon das bessere Wort für das, was gemeint ist. Oft spricht man ja auch richtigerweise vom digitalen Klon.

Kein monolithisches Datenmodell

Ob nun digitaler Zwilling oder digitaler Klon: Jenseits ihres Fantasiepotenzials spiegeln sich in diesen Begriffen harte technische Fakten der digitalen Transformation der Industriewelt – ja eigentlich unserer gesamten Lebenswelt.

Unter dem Begriff Digitaler Zwilling versteht das Karlsruher Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) „ein Konzept, mit dem Produkte sowie Maschinen und ihre Komponenten mit Hilfe digitaler Werkzeuge modelliert werden, und zwar einschließlich sämtlicher Geometrie-, Kinematik- und Logikdaten“. Ein Digitaler Zwilling sei das Abbild der physischen ‘Assets‘ in der realen Fabrik und erlaube deren Simulation, Steuerung und Verbesserung.

Dabei handele es sich nicht um ein monolithisches Datenmodell, sondern um unterschiedliche Aspekte digitaler Repräsentationen, Funktionalitäten, Modelle und Schnittstellen. Entsprechende Teilmodelle haben dabei „Fühler“ nach außen, verwaltungstechnische Ummantelungen („Asset Administration Shells“), über die sie miteinander kommunizieren und agieren. Das heißt: Ein wichtiger Teil der digitalen Abbildung sind dynamische Elemente wie Datenaustausch, Schlussfolgerungen und Anpassungen an neue Fakten.

Die Komplexität des technischen Gebildes „Digitaler Zwilling“ hat dabei hohe Anforderungen an genau definierte und allgemein akzeptierte Schnittstellen, sowohl im syntaktischen Bereich (Protokolle) als auch in der Semantik (Informationsmodelle).

Simulation mit Echtzeitdaten

Nicht nur im Maschinen- und Anlagenbau, sondern auch in der Planung von Rechenzentren werden mittlerweile Digitale Zwillinge eingesetzt. Die virtuellen Doppelgänger haben das Zeug, etwa die unterschiedlichen Datacenter-Akteure (lokale und globale Rechenzentrumsbetreiber, Hosting-Anbieter aller Art und nicht zuletzt die Nutzer) optimal zusammenzuführen.

Anhand eines digitalen Modells (mitsamt vieler Teilmodelle) kann zum Beispiel im virtuellen Vorgriff ein maßgeschneidertes kundenspezifisches Rechenzentrum konzipiert werden. Das spart Kosten und CO₂-Emissionen, indem vorsorglich eingeplante Überdimensionierungen vermieden und Synergien, beispielsweise im energetischen Bereich, schon vor der physischen Umsetzung erkannt und konzeptionell umgesetzt werden.

Die softwaretechnische Basis eines solchen digitalen Zwillings bilden einige der oben skizzierten Teilmodelle und ganz speziell eine Simulationssoftware für numerische Strömungsmechanik, die Design und Kapazitätsplanung mit dem Betriebs-Management eines Rechenzentrums in einer 3D-Nachbildung zusammenführt.

Simulation und Echtzeitdaten

Eine solche Simulationssoftware wird unter anderem für den Bau von Flugzeug- und Raketenantrieben verwendet, ist aber auch bei der Rechenzentrumsplanung notwendig. Man denke nur an die komplexen Strömungsverhältnisse bei der Wärme-Abfuhr, die bei der Rechenzentrumsplanung zu berücksichtigen sind, wenn es um stabilen Betrieb, Energie-Effizienz und optimale Auslastung der Kapazität geht.

Wenn dann auch noch mit Echtzeitdaten gearbeitet wird, können die wichtigsten Verhaltensweisen des geplanten physischen Rechenzentrums noch genauer virtuell repräsentiert werden, so dass die Betriebsplanung präzise und eng an der (späteren) Realität orientiert ist. Der virtuelle Doppelgänger ist auf diese Weise einerseits ein Simulations-Tool und verzahnt andererseits ein Rechenzentrumsprojekt eng mit den Geschäftszielen.

Das ist umso stärker der Fall, als Echtzeitdaten den digitalen Zwilling quasi leben lassen. Im besten Fall lebt er nicht nur in einem parallelen Universum, sondern nimmt Entwicklungen, etwa durch predictive maintanance, vorweg. Entscheider können dann Reaktionen und Neuentwicklungen bei dem Digitalen Zwilling ausprobieren, bevor in die Realität eingegriffen wird, also bevor die CNC-Maschinen neu kalibriert werden, bevor ein selbstfahrendes Auto im Straßenverkehr zugelassen wird, bevor die Lüfter im Rechenzentrum ausgetauscht werden, bevor ein Blackout Energieversorger, Betriebe und regionen vor vollendete Tatsachen stellt.

Realitätsverlust vermeiden

Virtuelle Konstrukte begleiten die IT-Entwicklung in der einen oder anderen Form nun schon einige Jahrzehnte: von der Welt der „Gamer“ bis zu der mit virtuellen Anreicherungen versehenen Realität („Augmented Reality“) im Konstruktions- und Reparaturbereich oder den VR-Brillen in Medizin oder Entertainment.

Digitale Zwillinge sind insofern ein weiteres Element in der Virtualisierung unserer Lebenswelt. Das ist nichts Schlimmes, sondern etwas, was zutiefst im Menschen als „Möglichkeitssinn“ angelegt ist, Realitätsverlust inklusive. In dem hier vorwiegend diskutierten technischen Umfeld hängt der Erfolg der digitalen Zwillinge vor allem davon ab, dass sie möglichst keinen Realitätsverlust aufweisen.

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