Die Technologie des digitalen Zwillings, die erstmals während der Apollo-Missionen der NASA in den 1960er Jahren entwickelt wurde, hat sich von einem Instrument des Raumfahrtprogramms zu einer Multi-Milliarden-Dollar-Industrie entwickelt, die bis 2028 voraussichtlich 110,1 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Dr. Michael Grieves führte die Technologie des digitalen Zwillings im Jahr 2002 an der Universität von Michigan offiziell ein. Seitdem haben die Simulations- und Softwarefunktionen des digitalen Zwillings bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Die COVID-19-Pandemie hat dieses Wachstum noch beschleunigt und die Art und Weise verändert, wie die Industrie mit Produktion und Wartung umgeht. Die Technologie des digitalen Zwillings ermöglicht heute alles von der unmittelbaren Überwachung bis zur vorausschauenden Wartung. Fast 21 Milliarden digital vernetzte Sensoren unterstützen diese virtuellen Nachbildungen in allen Branchen.
Dieser umfassende Leitfaden zeigt Ihnen die bemerkenswerte 30-jährige Erfahrung mit digitalen Zwillingen. Sie erfahren, wie sich diese Technologie von einer Idee zum Lebensnerv modernster industrieller Lösungen entwickelt hat. Der Leitfaden erklärt, wie diese Technologie verschiedene Branchen beeinflusst hat und wie die Entwicklung des digitalen Zwillings in Zukunft aussehen wird.
Die Geburt des Konzepts des digitalen Zwillings (1990er-2002)
Für physische Objekte gab es bereits virtuelle Nachbildungen, lange bevor das Konzept formell definiert wurde. Die Apollo-Mission der NASA legte in den 1960er Jahren den Grundstein. Die theoretischen Grundlagen der digitalen Zwillingstechnologie wurden in den frühen 1990er Jahren klarer.
Frühe konzeptionelle Grundlagen
Digitale Zwillinge haben Wurzeln, die mehrere Jahrzehnte umfassen. Das Apollo-Programm der NASA verwendete physische Duplikate von Raumfahrtsystemen als eine frühe Form des Twinnings, obwohl es sich dabei eher um physische als um digitale Gegenstücke handelte. Computersimulationen markierten den Weg zu digitalen Darstellungen. Die Mathematiker Jon Von Neumann und Stanislaw Ulam lösten Probleme des Neutronenverhaltens mit frühen Computermodellen. Ihre Arbeit für das Militär und die Luft- und Raumfahrt während des Zweiten Weltkriegs schuf Techniken, die zum Aufbau digitaler Zwillingssimulationen beitragen sollten.
Der Durchbruch gelang dem Informatiker David Gelernter mit seinem 1991 erschienenen Buch „Mirror Worlds“ (Spiegelwelten), in dem er „Softwaremodelle, die einen Teil der Realität darstellen“ beschrieb. Seine Vision umfasste detaillierte digitale Modelle, die die Realität durch kontinuierliche Datenströme widerspiegeln. Diese Arbeit erklärte, wie Software virtuelle Versionen von Objekten auf der Erde erstellen könnte, die sich sofort mit ihren physischen Gegenstücken aktualisieren.
Michael Grieves und die erste formale Definition
Die Technologie des digitalen Zwillings erreichte im Jahr 2002 einen Wendepunkt, als Dr. Michael Grieves das Konzept auf einer Konferenz der Society of Manufacturing Engineers vorstellte. Er nannte seine Idee das „Conceptual Ideal for Product Lifecycle Management“, bevor er sie „Mirrored Spaces Model“ und später „Information Mirroring Model“ nannte.
Grieves‘ Idee geht auf reale Herausforderungen zurück. Er begann in den Anfängen der Computertechnik über digitale Zwillinge nachzudenken, als er ein besseres System entwickelte, das die örtliche Telefongesellschaft davon abhalten sollte, Telefonleitungen umzugraben. Diese praktische Herausforderung brachte ihn dazu, über virtuelle Repräsentationen physischer Objekte nachzudenken.
Grieves definierte drei Kernelemente eines digitalen Zwillings:
- Ein virtueller Zwilling (digitale Darstellung)
- Ein physisches Gegenstück (das eigentliche Objekt)
- Ein Datenflusszyklus, der die physischen und virtuellen Einheiten verbindet
Diese drei Elemente sind auch heute noch grundlegend für die Bedeutung des digitalen Zwillings. Es ist zu beachten, dass sich die Forscher noch immer nicht auf eine einheitliche Definition des digitalen Zwillings geeinigt haben. In der Literatur haben sich im Laufe der Zeit mindestens fünf verschiedene Definitionsgruppen herausgebildet.
NASA und militärische Anwendungen (2003-2010)
Die NASA hat zwischen 2003 und 2010 akademische Theorien in praktische Realität für digitale Zwillinge umgesetzt. Ihr jahrzehntelanges Simulations-Know-how trug dazu bei, digitale Zwillinge von abstrakten Konzepten zu funktionierenden Systemen zu machen, die die Industrie weltweit verändern werden.
Die physischen Zwillinge des Apollo-Programms
Das Apollo-Programm war die Geburtsstunde dessen, was wir heute digitale Zwillingstechnologie nennen. Während der Weltraummissionen in den 1960er Jahren baute die NASA auf der Erde exakte Nachbildungen der einzelnen Raumfahrzeuge. Anhand dieser physischen Kopien konnten die NASA-Teams Probleme testen und beheben, mit denen ihre Astronauten im Weltraum konfrontiert waren.
Dieser Ansatz erwies sich während der Apollo-13-Mission im April 1970 als unschätzbar wertvoll. Nachdem eine Explosion des Sauerstofftanks das Raumschiff beschädigt hatte, setzte die NASA mehrere Simulatoren ein, um Lösungen zu finden. Die Teams aktualisierten ihre Simulationen schnell, um sie an das beschädigte Raumschiff anzupassen, und testeten verschiedene Rettungspläne. Diese Krise zeigte, wie die Zwillingstechnologie Probleme in Extremsituationen lösen kann.
Airframe Digital Twin Entwicklung
Militärische Projekte trieben die Digital-Twin-Technologie in dieser Zeit voran. Im Rahmen des Airframe Digital Twin Task Order 0002 wurden Pläne erstellt, um flexible Digital-Twin-Fähigkeiten zu zeigen. Dieses Projekt bildete die Grundlage für die künftige militärische Nutzung der Technologie. Die US-Luftwaffe begann 2010 mit dem Einsatz der Digital-Twin-Technologie zur Verbesserung der Flugzeugwartung und -modernisierung. Diese Projekte führten zum digitalen Zwilling der F-16, mit dem ein anpassungsfähiges 3D-Modell erstellt wurde, um die Wartung zu verbessern, die Lebenszykluskosten zu senken und Probleme mit der Veralterung von Teilen zu lösen.
Entwicklung von Industrie 4.0 und Digital Twin Software (2011-2015)
In den Jahren 2011 bis 2015 vollzog sich ein grundlegender Wandel in der Entwicklung des digitalen Zwillings. Das Konzept wurde über den spezialisierten Einsatz in der Luft- und Raumfahrt hinaus erweitert und fand Eingang in den Mainstream der industriellen Anwendungen. Die Industrie 4.0 brachte digitale Technologien in die Fertigungsprozesse ein. Digitale Zwillinge begannen, ihren geschäftlichen Wert über ihre NASA-Wurzeln hinaus zu zeigen.
Integration mit IoT-Plattformen
Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) wurde zum Rückgrat, das den digitalen Zwillingen zu ihrer Entwicklung verhalf. Unternehmen konnten nun unmittelbar auf Datenströme zugreifen, die sie für die Erstellung genauer virtueller Modelle benötigten. Dies geschah, weil mehr Sensoren in Industrieanlagen installiert wurden. IoT-Geräte sammelten kontinuierlich Betriebsdaten von physischen Anlagen. Diese Geräte bildeten die Datenpipeline, die die digitalen Zwillinge mit ihren realen Gegenstücken synchronisierte.
In dieser Zeit standardisierten die Unternehmen ihre Vorgehensweise bei der Datenerfassung des digitalen Zwillings. Sie schufen kanonische Datenmodelle – Standarddatenstrukturen, die es verschiedenen Systemen ermöglichen, in einem einheitlichen Format zu kommunizieren. Dank dieser Standardisierung konnten digitale Zwillinge nun mit bestehenden Geschäftssystemen zusammenarbeiten. Ihre Nutzung ging über die technischen Teams hinaus.
Erste kommerzielle Lösungen für den digitalen Zwilling
Große Technologieunternehmen erkannten das Marktpotenzial und schufen spezielle Plattformen für den digitalen Zwilling. Diese Plattformen erleichterten es den Unternehmen, die Technologie des digitalen Zwillings ohne Ressourcen auf NASA-Niveau zu nutzen.
Bemerkenswerte frühe Plattformen werden angeboten:
- Cloud-basierte Dienste mit Werkzeugen zur Erstellung digitaler Modelle von physischen Umgebungen
- Integrationsfunktionen zur Anbindung an bestehende Datenquellen und Geschäftssysteme
- Visualisierungswerkzeuge für die Interaktion mit digitalen Zwillingen
- Analysefunktionen, die Vorhersagen und Optimierung ermöglichen
Für Unternehmen war es mit diesen Plattformen einfacher, digitale Zwillinge zu implementieren. Die Plattformen übernahmen komplexe Aufgaben wie Datenintegration, -visualisierung und -verarbeitung, die früher eine individuelle Entwicklung erforderten.
Annahme des verarbeitenden Gewerbes
Das verarbeitende Gewerbe war die erste Branche außerhalb der Luft- und Raumfahrt und des Verteidigungssektors, die sich digitale Zwillinge zu eigen machte. Im Jahr 2015 nutzten etwa 75 % der Unternehmen in fortgeschrittenen Branchen digitale Zwillinge mit mittlerer oder höherer Komplexität. Angeführt wurde dieser Trend von den Automobilherstellern, gefolgt von der Luft- und Raumfahrt und der Rüstungsindustrie. Die Sektoren Logistik, Infrastruktur und Energie begannen, ihre ersten digitalen Zwillingskonzepte zu erforschen.
Die Hersteller nutzten digitale Zwillinge zunächst zur Verbesserung der Produktentwicklung. Die Teams konnten neue Designs in risikofreien virtuellen Umgebungen testen und benötigten weniger physische Prototypen. Die Unternehmen verkürzten die Entwicklungszeiten um 20-50 %, was die Kosten senkte und die Innovation beschleunigte. Bei Produkten, die mit digitaler Zwillingstechnologie hergestellt wurden, gab es 25 % weniger Qualitätsprobleme in der Produktion. Außerdem konnten sie aufgrund besserer Funktionen und Qualität einen um 3-5 % höheren Umsatz verzeichnen.
Auch der Fabrikbetrieb hat sich durch digitale Zwillinge verändert. Virtuelle Kopien von Produktionslinien halfen den Herstellern, mehr über die Leistung der Anlagen zu erfahren. Sie fanden Wege zur Verbesserung von Prozessen – Fähigkeiten, die in den kommenden Jahren zu noch fortschrittlicheren Anwendungen führen werden.
Reifegrad der Simulation des digitalen Zwillings (2016-2020)
Die Technologie des digitalen Zwillings hat sich zwischen 2016 und 2020 gewandelt. Sie entwickelte sich von spezialisierten industriellen Werkzeugen zu flexiblen Plattformen, die viele Sektoren bedienen. In diesem Zeitraum gab es erhebliche Verbesserungen bei der Simulation, der Synchronisierung und der branchenübergreifenden Einführung.
Erweiterte Modellierungsfunktionen
Die Möglichkeiten zur Modellierung digitaler Zwillinge haben sich in diesen Jahren rasant entwickelt. Physikalische, ausführbare digitale Zwillinge wurden zu einem Wendepunkt. Sie nutzten mathematische Modelle, um physikalische Verhaltensweisen durch Mechanik, Thermodynamik und Fluiddynamik darzustellen. Diese Zwillinge waren nicht nur statische Modelle. Sie waren in der Lage, Verhalten zu simulieren, eigenständig Entscheidungen zu treffen und geschlossene Regelkreise zu betreiben.
Die Zwillinge wurden durch bessere Simulationsmethoden intelligenter. Die Hersteller erstellten detaillierte Modelle, die zeigten, wie physische Anlagen unter verschiedenen Bedingungen funktionieren würden. Unternehmen konnten Designänderungen virtuell testen, bevor sie Geld für physische Änderungen ausgaben.
Durchbruch bei der Echtzeit-Synchronisation
Die größte technische Herausforderung war die Synchronisierung physischer Objekte mit ihren digitalen Versionen in Echtzeit. Die Wissenschaftler arbeiteten an der Lösung von Synchronisierungsproblemen, die durch die einzigartigen Eigenschaften der physischen Umgebung verursacht werden – ihre Variabilität, Unsicherheit und die unterschiedlichen Maßstäbe von physischen und virtuellen Räumen.
Die Teams entwickelten neue, auf dynamischer Optimierung basierende Methoden zur Synchronisierung von Online-Simulationen in Echtzeit. Mit diesen Methoden können digitale Zwillinge kontinuierlich mit physikalischen Veränderungen aktualisiert werden, wodurch echte „lebende“ virtuelle Modelle entstehen. Ein großer Durchbruch gelang mit Methoden zur Zustandssynchronisation, die die Wissenschaftler an realen Motoraufbauten verifizierten.
Expansion über das verarbeitende Gewerbe hinaus
Digitale Zwillinge haben sich weit über ihre Wurzeln in der Fabrik hinaus verbreitet. Die Technologie fand neue Anwendungen in:
- Gesundheitswesen: Schaffung „digitaler Patienten“ für die personalisierte medizinische Modellierung
- Stadtplanung: Entwicklung von detaillierten Stadtmodellen wie dem digitalen Zwilling von Singapur
- Einzelhandel: Modellierung des Kundenverhaltens in Ladengeschäften
- Klimawissenschaft: Vorhersage extremer Wettermuster und Unterstützung von Nachhaltigkeitsentscheidungen
Dieses Wachstum zeigte, dass „jedes Objekt oder jeder Prozess durch Messung und Überwachung innerhalb digitaler Zwillinge verbessert werden kann“.
Cloud-basierte Plattformen für digitale Zwillinge
Das Cloud-Computing wurde zum Rückgrat moderner digitaler Zwillinge. Microsoft Azure und Amazon Web Services haben spezielle Dienste für die Erstellung und Bereitstellung digitaler Zwillinge eingeführt. Ihre Plattformen halfen Unternehmen bei der Erstellung detaillierter digitaler Modelle vernetzter Umgebungen mit Standardmodellierungssprachen.
Cloud-Plattformen boten digitalen Zwillingen viele Vorteile. Sie konnten Ressourcen nach Bedarf skalieren, durch optimierte VMs und Container leistungsstarke Rechenleistung nutzen, mehr Daten speichern und fortschrittliche KI/ML-Tools verwenden. Die Cloud ermöglichte es digitalen Zwillingen, riesige Datenmengen zu verarbeiten, komplexe Simulationen durchzuführen und Erkenntnisse mit Teams überall zu teilen.
Aktueller Stand und künftige Entwicklung (2021 bis heute)
Der globale Markt für digitale Zwillinge verzeichnet seit 2021 ein dramatisches Wachstum und wird voraussichtlich jährlich um etwa 60 % wachsen. Dieses rasante Wachstum verändert die Art und Weise, wie Unternehmen Simulation, Überwachung und Entscheidungsfindung in einer Vielzahl von Branchen handhaben.
Autonome digitale Zwillinge
Fortgeschrittene digitale Zwillinge arbeiten jetzt selbstständig, indem sie Entscheidungen und Anpassungen ohne menschliche Eingaben treffen. Diese autonomen Systeme analysieren unmittelbare Daten von physischen Gegenstücken und optimieren automatisch Abläufe in den Bereichen Fertigung, Automobil und Infrastruktur. Um nur ein Beispiel zu nennen: In der Automobilprüfung werden autonome digitale Zwillinge eingesetzt, damit die Ingenieure Millionen von virtuellen Testkilometern absolvieren können, bevor die physischen Prototypen unter realen Bedingungen getestet werden. Dieser Ansatz verkürzt die Entwicklungszeit erheblich und verbessert gleichzeitig die Sicherheitsvalidierung für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS).
Föderation der digitalen Zwillingsnetze
Föderierte digitale Zwillinge, d. h. miteinander verbundene Netzwerke virtueller Modelle, sind ein wichtiger Schritt in der Entwicklung. Das im Entstehen begriffene Internet of Federated Digital Twins (IoFDT) will komplette Ökosysteme schaffen, in denen mehrere Zwillinge interagieren, Daten austauschen und über Organisationsgrenzen hinweg zusammenarbeiten. Diese Föderation ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Datensätzen durch den Austausch von Raum- und Temperaturdaten zwischen den Beteiligten, was die Qualitätsüberwachung und die Systemleistung verbessert. Diese miteinander verbundenen Netzwerke bilden schließlich die technologische Grundlage für die Gesellschaft 5.0, in der hochintegrierte cyber-physische Systeme den wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Fortschritt verbessern.
Integration von KI und maschinellem Lernen
Die Integration von KI mit digitaler Zwillingstechnologie schafft leistungsstarke Kombinationen. McKinsey berichtet, dass 75 % der Großunternehmen aktiv in digitale Zwillinge investieren, um flexible KI-Lösungen zu schaffen. Generative KI erweitert digitale Zwillinge durch die Strukturierung von Eingaben, die Synthese von Ausgaben und die Erstellung von Code für neue Zwillinge. Digitale Zwillinge bieten belastbare Testumgebungen für KI-Modelle vor der physischen Implementierung. Diese Partnerschaft führt zu einer genaueren prädiktiven Modellierung, autonomen Entscheidungsfindung und Optimierung bei industriellen Anwendungen.
Bemühungen um die Standardisierung des digitalen Zwillings
Die Standardisierung des digitalen Zwillings ist aufgrund der weiten Verbreitung von entscheidender Bedeutung geworden. Organisationen wie NIST, ISO und das Digital Twin Consortium entwickeln Rahmenwerke, um Interoperabilität, Cybersicherheit und Vertrauen zu gewährleisten. Das Unterkomitee ISO/IEC JTC 1, SC 41 befasst sich speziell mit Standards für den digitalen Zwilling in Bezug auf Vokabular, Referenzarchitektur und Reifegradmodelle. Diese Standards senken die Implementierungskosten, ermöglichen plattformübergreifende Kompatibilität und fördern Innovationen durch gemeinsame technische Sprachen und Protokolle.
Simio Digital Twin Software an vorderster Front
Die Software Simio Digital Twin steht an vorderster Front, wenn es darum geht, Unternehmen dabei zu unterstützen, das volle Potenzial der digitalen Zwillingstechnologie zu erschließen. Als einer der wichtigsten technologischen Durchbrüche der letzten drei Jahrzehnte haben digitale Zwillinge die Industrie verändert, indem sie hochentwickelte virtuelle Repliken von physischen Systemen und Prozessen erstellen. Ursprünglich von den physischen Duplikaten der NASA während der Apollo-Missionen inspiriert, haben sich digitale Zwillinge zu unverzichtbaren Werkzeugen für Innovation und Optimierung in Industrien weltweit entwickelt – und Simio ist führend in den Bereichen Prozessdesign, -analyse und -optimierung sowie in der Planung und dem Scheduling für das operative Ausführungsmanagement.
Die Simio-Plattform bietet fortschrittliche Simulations- und Modellierungstools, die physische Systeme und Prozesse nahtlos mit ihren digitalen Gegenstücken in Echtzeit abgleichen. Ob es um Fertigungsoptimierung, Lager- und Materialflussoptimierung, Supply-Chain-Optimierung oder operatives Ausführungsmanagement in Echtzeit geht, Simio ermöglicht es Unternehmen, die transformative Kraft digitaler Zwillinge zu nutzen. Durch die Integration von Daten in Echtzeit, die sowohl prädiktive als auch präskriptive Einblicke ermöglichen, hilft Simio Unternehmen, ihre betriebliche Effizienz zu steigern, Kosten zu senken und ihre kontinuierlichen Verbesserungszyklen zu beschleunigen.
Die Zukunft der digitalen Zwillinge zeigt noch größere Möglichkeiten auf, darunter autonome Systeme und föderierte Netzwerke, die durch KI und maschinelles Lernen unterstützt werden. Diese Fortschritte werden die Entscheidungsfindung und die betriebliche Effizienz verbessern und die Akzeptanz der Technologie in allen Branchen fördern. Da der Markt für digitale Zwillinge bis 2027 voraussichtlich 73,50 Milliarden US-Dollar erreichen wird, positionieren sich Unternehmen, die diese Technologie bereits heute nutzen, als Vorreiter für industrielle Innovation und digitale Transformation.
Das Engagement von Simio für die Technologie des digitalen Zwillings stellt sicher, dass Unternehmen auf die komplexesten Herausforderungen in den Bereichen Fertigung, Lagerhaltung und Lieferkette in jeder Branche oder jedem Wirtschaftszweig vorbereitet sind. Durch das Angebot erschwinglicher und innovativer Lösungen hilft Simio Unternehmen, in einer sich schnell entwickelnden, zunehmend komplexen und digital reifenden Welt wettbewerbsfähig zu bleiben.