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Digital Twin – Rocket Science ganz einfach

IoT und IoT Plattformen stehen seit 2017 im Gartner Hype Cycle kurz vor dem höchsten Punkt: dem „Gipfel der überzogenen Erwartungen“. Auch der Digital Twin ist aus diesem Umfeld nicht weg zu denken und damit ein triftiger Grund für Unternehmen, sich mit diesen Themen zu beschäftigen.

Aber was hat ein Digital Twin mit Rocket Science zu tun?
Wie kann man Systeme betreiben, warten oder reparieren, ohne dass diese sich in unmittelbarer Nähe befinden, wie zum Beispiel ein Space-Shuttle oder eine Träger Rakete von Elon Musk?
Digital Twins sind keine Rocket Science, aber aus der Rocket-Science kommt dieses tolle Beispiel für das sie stehen. Zur Zeit der Raumfahrt Pioniere hat man eine Antwort auf die Anforderung für die Überwachung und Steuerung von entfernten Systemen in Form von gespiegelten Systemen gefunden – eine frühe Form der Digital Twins. Diese Innovation ist einer der wesentlichen Erfolgsfaktoren, der die Rettung der Astronauten der Apollo 13 Mission ermöglichte.

Was ist das überhaupt, ein Digital Twin?

Ein Digital Twin – zu Deutsch digitaler Zwilling – ist eine virtuelle Abbildung von realen Objekten und Systemen.
Nicht nur bei der NASA wird das bereits mehr als 30 Jahre alte Konzept verwendet. Bei Simulation von Materialverhalten, Herstellbarkeit und Prozessmodellen wird mit virtuellen Abbildern operiert, den Digital Twins.

Ein Digital Twin verfügt über:

  • Sensoren, die eine Momentaufnahme liefern.
  • Konnektivität um sich zu vernetzen.
  • definierte Datenstrukturen und ggf. einfache Analyse Funktionalität.
  • ein Interface, um die Daten zu visualisieren.

Erst die Verbindung von allen vier Eigenschaften macht einen digitalen Zwilling aus, der dann analytische Lösungen wie z.B. Predictive Maintenance ermöglicht und so einen erheblichen wirtschaftlichen Wert darstellt.
Nicht selten bestehen komplexe Anlagen oder Systeme aus mehreren Digital Twins, die dann in einen großen zusammen gesetzten Digital Twins zusammengeführt werden.

Welcher Wert ergibt sich aus dem Digital Twin?

Um den Wert eines Digital Twin zu erkennen, muss man zuerst einmal verstehen, was er zu leisten im Stande ist und wie sich daraus ein Vorteil ergibt.
Bei komplexen, teuren Anlagen, Dienstleistungen oder Prozessen ist die Verbesserung der Auslastung durch Reduzierung der Anlagen Stillstandzeiten und Senkung der Gesamtwartungskosten äußerst wertvoll.

Sensoren und Konnektivität sind in der Regel sehr nah am Geschehen und an kritischen Stellen einer Maschine, z.B. einem Getriebe, verbaut. Sie können ihre Messwerte an den Digital Twin senden. Dadurch kann ein Digital Twin darauf aufmerksam machen, dass bald ein Bauteil ausfallen wird, da es die maximale Laufleistung erreicht hat. Er kann ein defektes Bauteil, das sich z.B. durch kleine Anomalien bemerkbar macht, aber von außen nicht einsehbar ist, detektieren und melden. So kann vor einem Defekt eine Wartung geplant werden, was auch als Predictive Maintenance bezeichnet wird.

Ein digitaler Zwilling kann also die Betriebskosten senken und die Lebensdauer von Geräten und Anlagen verlängern – und stellt damit einen erheblichen Wert für Unternehmen dar. Abgesehen davon sind Digital Twins damit auch der Enabler für neue Business Modelle.

Ein bekanntes Beispiel dafür ist Rolls Royce. Das Unternehmen bietet seine Triebwerke für Flugzeuge als Dienstleistung an, man bezeichnet das Business Modell auch als „Product as a Service“. Das Rolls Royce Business Modell nennt sich „TotalCare“ und beinhaltet Bereitstellung, Überwachung, Wartung und Reparatur für die gesamte Lebensdauer des Triebwerks. Wenn das Triebwerk nicht fliegt, verursacht es auch keine Kosten beim Nutzer. Damit schlägt Rolls Royce auch eine Brücke in den schleppenden Ersatzteilmarkt, denn Drittanbieter für Ersatzteile haben hier kaum eine Chance.

Der digital Twin in der IoT Plattform

Keine IoT Plattform kommt ohne den Digital Twin aus. Hier tritt er als kleinere Einheit auf: als Device Twin. Ein Device Twin bildet die Basis für die Verwaltung und Konfigurierbarkeit der IoT Geräte innerhalb der IoT Plattform ab und kann dort dann zu komplexen Systemen verbunden werden.
Diese digitale Abbildung des IoT Gerätes ist eine Repräsentation der Gerätestatusinformationen wie beispielsweise Metadaten, Konfigurationen und Bedingungen.

In der Abbildung sieht man eine vereinfachte schematische Darstellung eines Device Twin. Dargestellt ist die Kommunikation von Backend und dem IoT Gerät (Device App). Die wichtigsten dargestellten Eigenschaften sind die „reported“ und die „desired Properties“. Dabei sind die reported Properties nur vom Gerät beschreibbar, während die desired Porperties nur vom Backend geschrieben werden.

Digital Twin - Device Twin

Der Device Twin nimmt Statusinformationen von z.B. Sensoren des IoT Gerätes auf (reported Properties) und benachrichtigt das Backend darüber. Das Backend kann dann die neuen Daten weiterverarbeiten um damit z.B. Analysen vorzunehmen.

Notwendige Einstellungsänderungen (desired Properties) für das System, die sich aus den Analysen der Daten ergeben können, werden dann vom Backend an den Device Twin weitergegeben und das IoT Gerät wird benachrichtigt. So kann z.B. die Qualität der Produktion sichergestellt werden.

So wird der Zugriff auf Echtzeit-Daten in entfernten komplexen Systemen ermöglicht, die in vollem Betrieb sind und kann sofort Einfluss darauf nehmen.

Maschinenherstellern eröffnet das völlig neue Wege, um sehr genaue Vorhersagen zu Produktionsabläufen oder Maschinen zu treffen – z.B. über die Lebensdauer. Die Erkenntnisse aus den Informationen, die der Device Twin geliefert hat, können genutzt werden um beispielsweise eine verbesserte neue Generation von Maschinen zu entwickeln.

Fazit

Das Konzept des Digital Twins existiert also schon lange und sein Wert war immer schon hoch. Allerdings waren bisher auch die Kosten, um einen Digital Twin zu nutzen, hoch.

Heute sind die Kosten deutlich gesunken und der Digital Twin ist gleichzeitig intelligenter geworden, in dem er tiefe Einblicke in sein reales Vorbild gibt.

Die Grenzen der Digital Twins sind dabei noch nicht erreicht und der Anwendungsbereich ist nicht mehr nur bei Maschinen zu finden. Ganze Fahrradflotten werden mit Hilfe von Digital Twins verwaltet wie z.B. bei Connected Bike und auch in der Humanmedizin finden Digital Twins Anwendung z.B. für eine natürliche Familienplanung.


Quellen: 

[1] https://blogs.gartner.com/smarterwithgartner/files/2017/08/Emerging-Technology-Hype-Cycle-for-2017_Infographic_R6A.jpg ^

[2] Bild: https://docs.microsoft.com/de-de/azure/iot-hub/iot-hub-devguide-device-twins

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