Der zunehmende Einsatz neuer Technologien zur Vereinfachung komplexer Aufgaben hat sich in jeder Branche auf vielfältige Weise als lohnend erwiesen. Dazu gehören die Steigerung der operativen Effizienz, die Automatisierung manueller Aufgaben, Schulung und Validierung sowie die Datenanalyse. Es ist eine bekannte Tatsache, dass die Integration der neuen Technologie die vierte industrielle Revolution hervorgebracht hat, in der Datenanalyse und Automatisierung wichtige Komponenten sind. Die digitale Transformation traditioneller Prozesse ist auch ein weiterer Aspekt der Industrie 4.0 und hier spielen die Simulation und der digitale Zwilling die Hauptrollen. Aber was sind diese Rollen?
Dieser Artikel umfasst folgende Themen:
- Die Definition und Anwendung der Simulationstechnologie und des digitalen Zwillings
- Der Unterschied zwischen einer Simulation und einem digitalen Zwilling
- Die symbiotische Beziehung zwischen Simulationen und dem digitalen Zwilling
Was ist Simulation?
In der Informatik beziehen sich die Simulationen auf digitale Modelle, die die Tätigkeiten oder Prozesse innerhalb eines Systems nachahmen. Derartige Simulationen werden zur Analyse der Leistungsfähigkeit von Systemen und zur Erprobung und Umsetzung neuer Ideen verwendet. Ingenieure und Techniker nutzen Simulationen in einer Vielzahl von Branchen, um Produkte, Systeme, Prozesse und Konzepte zu testen.
In vielen Kreisen werden Simulationen mithilfe von Softwareanwendungen für das computergestützten Design durchgeführt. Für fortgeschrittenere Simulationen mit vielen Variablen wird jedoch spezielle Simulationssoftware verwendet. Typische Beispiele für die Funktionsweise von Simulationen sind ihre Verwendung in der Finite-Elemente-Analyse und der Druckanalyse. In der realen Welt beinhalten diese Tests die Analyse der Wirkung von äußerem Druck auf Metalle oder Produkte, um deren Design oder Eigenschaften zu verbessern.
Andere Arten von Simulationen umfassen diskrete Ereignissimulationen, stochastische Simulationen und deterministische Simulationen. Bei diesen Typen sind die bei der Ausführung der Simulation verwendeten Variablen entweder bekannt oder zufällig. Für die Durchführung von Simulationen ist ein gewisses Maß an Digitalisierung erforderlich. Dieser Prozess kann nur mathematische Konzepte oder den Entwurf von 2D- oder 3D-Modellen umfassen, die Assets innerhalb eines Prozesses oder eines Produkts darstellen. Die Simulation wird dann durch Einfügen von Variablen in die digitale Umgebung oder Schnittstelle ausgeführt.
Was ist ein digitaler Zwilling?
In seiner Grundform ist ein digitaler Zwilling die digitale Darstellung von physischen oder nicht-physischen Prozessen, Systemen oder Objekten. Der digitale Zwilling integriert auch alle Daten, die mit dem Prozess oder dem System, das er widerspiegelt, produziert oder verbunden sind. So ermöglicht er die Übertragung von Daten innerhalb seines digitalen Ökosystems und spiegelt den Datentransfer wider, der in der realen Welt stattfindet. Die in den digitalen Zwillingen verwendeten Daten werden im Allgemeinen von Internet of Things-Geräten, Edge-Hardware, HMIs, Sensoren und anderen eingebetteten Geräten erfasst. Somit stellen die erfassten Daten Informationen auf hohem Niveau dar, die das Verhaltensmuster der digitalisierten Assets im digitalen Zwilling integrieren.
Die digitale Echtzeit-Darstellung, die ein digitaler Zwilling bietet, dient als eine eigene Welt. In dieser digitalen Welt können alle Arten von Simulationen durchgeführt werden. Sie kann auch als Planungs- und Terminierungswerkzeug für Schulungen, Anlagenmanagement und die Umsetzung neuer Ideen verwendet werden. Dies unterstreicht die Tatsache, dass ein digitaler Zwilling eine virtuelle Umgebung ist, d. h. er muss entweder aus 2D- oder 3D-Assets oder den Daten bestehen, die sie produzieren oder von denen erwartet wird, dass sie produzieren werden. In der modellierten virtuellen Umgebung können Einzelpersonen mit wenigen Einschränkungen, einschließlich der Durchführung von Simulationen, tun, was sie wollen.
Hervorhebung der Unterschiede zwischen Simulationen und digitalen Zwillingen
Obwohl die Definitionen beider Konzepte bereits wesentliche Unterschiede hervorheben, macht die Verwendung von Fallstudien diese Unterschiede besser zuordenbar. Im Jahr 2019 war CKE Holdings Inc., die Muttergesellschaft von Hardee's und Carl‘s Jr. an einer Steigerung der Produktivität in diesen Einrichtungen interessiert. Die Idee bestand darin, die Kommissionierung durch das Personal zu erleichtern und den Verkehr im Produktionsbereich durch bessere Layoutgestaltungen zu reduzieren.
Während Simulationen zur Analyse des kürzesten Abstands zwischen den Arbeitsplätzen oder der Auswirkungen von mehr Lagermöglichkeiten innerhalb des Restaurants verwendet werden können, kann ein digitaler Zwilling viel mehr tun. Verwendung eines digitalen Zwillings, CKE Holdings Inc. war in der Lage, digitale Darstellungen der bestehenden Produktionsbereiche zu erstellen und mehrere Simulationen, Design- und Planungsideen zur Produktivitätssteigerung durchzuführen. Dies führte zu Verbesserungen in jedem Aspekt des Betriebs der Einrichtung, von der Personalschulung über die Zeitplanung bis hin zur effizienteren Erfüllung der Kundenanforderungen.
Dies zeigt, dass Simulationen zwar zum Verständnis dessen beitragen können, was bei der Einführung von Änderungen geschehen kann, dass aber ein digitaler Zwilling sowohl zum Verständnis dessen beiträgt, was gerade geschieht, als auch dessen, was innerhalb eines Prozesses geschehen kann. Zu den wichtigsten Unterschieden gehören:
- Echtzeit-Simulationen – Herkömmliche Simulationen werden in virtuellen Umgebungen ausgeführt, die zwar Darstellungen von physischen Umgebungen sein können, aber keine Echtzeitdaten integrieren. Die regelmäßige Übertragung von Informationen zwischen einem digitalen Zwilling und seiner entsprechenden physischen Umgebung ermöglicht eine Echtzeit-Simulation. Dies erhöht die Genauigkeit der prädiktiven Analysemodelle und der Management- und Überwachungsrichtlinien von Unternehmen.
- Verbesserung des Produktdesigns – Fortschrittliche Simulationen haben die Fähigkeit, Tausende von Variablen zu analysieren, um verschiedene Antworten zu liefern, aber mit einem digitalen Zwilling kann noch mehr erreicht werden. Boeings Integration der Technologie des digitalen Zwillings in die Flugzeugkonstruktion und -produktion ist ein Beispiel für seine Fähigkeiten. In diesem Fall wurde ein digitaler Zwilling verwendet, um Teile eines Flugzeugs zu simulieren und zu analysieren, wie sich verschiedene Materialien während des gesamten Lebenszyklus des Flugzeugs verhalten werden. Mit diesen Berechnungen war Boeing in der Lage, eine Verbesserung von 40 % in der Qualität bestimmter vom Unternehmen entwickelter Teile zu erreichen.
- Optimierung von Produkten und Prozessen in der Praxis – Jedes heute fahrende Tesla-Auto hat einen digitalen Zwilling, der die großen Datensätze erfasst, die jedes Auto produziert. Die erfassten Daten werden bei der Optimierung des Designs, der prädiktiven Analyse, der Verbesserung von Selbstfahrinitiativen und der Wartung verwendet. Dies verdeutlicht, wie ein digitaler Zwilling im Gegensatz zu den theoretischen Ergebnissen, die Simulationen liefern, die physische Einheit, die er repräsentiert, unmittelbar oder direkt beeinflusst.
Schlussfolgerung
Unabhängig vom eingeschlagenen Weg verbessert die digitale Transformation von Assets und Prozessen die industriellen Bemühungen in vielerlei Hinsicht. Dazu gehören die Verfeinerung des Produktdesigns, die Echtzeit-Fehlerbehebung und die Implementierung neuer Ideen. Um eine umfassende digitale Transformation bestehender oder geplanter Einheiten, Systeme und Prozesse zu erreichen, ist eine genaue Datenerfassung erforderlich. Diese Aufgabe erfüllen intelligente Technologie oder Geräte.
Die Genauigkeit einer Simulation oder eines digitalen Zwillings hängt in hohem Maße von der Genauigkeit der Daten ab, die bei der Entwicklung der Modelle verwendet werden. In den heutigen Produktionsbereichen wird die Datenerfassung durch intelligente Edge-Geräte und Mensch-Maschine-Schnittstellen ermöglicht und nur mit solchen Daten kann eine digitale Transformation stattfinden.
