Zwischen Realität und Simulation: Der Aufstieg von Digital Twins in der modernen Technologielandschaft

Die Art und Weise, wie Organisationen ihre Betriebsprozesse optimieren, Produktentwicklungen vorantreiben und die Bürger:innenbetreuung verbessern, hat sich durch die vierte industrielle Revolution oder Industrie 4.0 grundlegend verändert. Die sogenannten „Digital Twins“ – digitale Zwillinge von physischen Produkten, Anlagen und Prozessen – sind eine der Schlüsseltechnologien, die diese Revolution vorantreiben. In diesem Beitrag untersuchen wir die Bedeutung, den Nutzen sowie die Anwendungsmöglichkeiten von Digital Twins.

Was ist ein Digital Twin? 

Der Grundgedanke hinter Digital Twins ist, die physische und digitale Welt miteinander zu verknüpfen, um bessere Entscheidungen zu treffen, effizienter zu arbeiten und Innovationen voranzutreiben. Sie bieten die Möglichkeit, echte Objekte oder Systeme in Echtzeit zu generieren und überwachen, indem sie Daten von Sensoren und anderen Quellen sammeln und visualisieren. Diese Daten werden in Modelle umgewandelt, die es ermöglichen, Vorhersagen zu treffen, Szenarien zu testen und Verbesserungen vorzunehmen. Ein Digital Twin kann zahlreiche Formen annehmen, von einfachen Modellen einzelner Maschinen bis hin zu komplexen Systemen, die ganze Fabriken oder Städte abbilden. Hierdurch ist es möglich, komplexe Sachverhalte zu simulieren und beispielsweise die Auswirkungen von etwaigen stadtplanerischen Änderungen kosteneffizient zu antizipieren und zu optimieren. Das Zusammenspiel etlicher Faktoren auf die innerstädtische Verkehrsinfrastruktur ist somit einfach durch Computersimulationen optimier- und abstimmbar (Fraunhofer IESE, 2021).

Die Geschichte der Digital Twin-Technologie dabei reicht bis in die 1960er Jahre zurück. Die NASA begann, Simulationen von Raumfahrzeugen durchzuführen, um das Verhalten dieser unter verschiedenen Bedingungen zu testen, bevor sie ins All geschickt wurden. Diese virtuellen Modelle bildeten die Grundlage für die Entwicklung von realen Raumfahrzeugen. In den letzten Jahren hat sich die Technologie des Digital Twins vor allem durch den Aufstieg der künstlichen Intelligenz, Machine Learning und Big Data weiterentwickelt und ist zu einem wichtigen Instrument für die Industrie 4.0 geworden (NASA Technical Support Server, 2021). 

Der Nutzen von Digital Twins in verschiedenen Industrien und Sektoren

Die Integration von Digital Twins in eine breite Palette von Branchen hat das Potenzial, unsere Welt nachhaltig zu verändern. In verschiedenen Branchen, u.a. im Automotive-Sektor und im öffentlichen Bereich, liegt derzeit ein besonderer Fokus auf der Entwicklung und Anwendung von Digital Twins. Ein prominentes Beispiel dieser technologischen Entwicklung ist die Partnerschaft zwischen Automobil- und Chipherstellern, bei der zukünftige Fabriken digital gespiegelt werden, um Abläufe effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Ebenso gewinnt der Einsatz von Digital Twins in der öffentlichen Infrastruktur- und Stadtplanung zunehmend an Bedeutung.

Folgend einige Schlüsselaspekte, die den Fokus auf Digital Twins in den genannten Sektoren verdeutlichen:

1. Automotive Sektor:

Digital Twins werden eingesetzt, um zukünftige Fabriken abzubilden.
Ziel ist die Steigerung der Effizienz und Kosteneinsparungen in den Produktionsabläufen.

2. Öffentlicher Bereich – Stadt- und Infrastrukturplanung:

Digital Twins werden verwendet, um Echtzeitdaten für die Abbildung von Städten und Infrastrukturen zu nutzen.
Durch die digitale Modellierung können komplexe Prozesse schneller analysiert und optimiert werden.
Ein konkretes Anwendungsbeispiel ist die Reduzierung von Hitzeinseln durch die Anpassung von digitalen Abbildungen basierend auf aktuellen Daten.

2.1 Simultane Simulation von Wechselwirkungen:

Digital Twins ermöglichen die simultane Simulation verschiedener Wechselwirkungen in der Stadtplanung.
Dies erleichtert die ganzheitliche Optimierung von städtischen Prozessen und Infrastrukturelementen.

3. Energiesektor:

Digital Twins nehmen eine besondere Bedeutung bei der Dezentralisierung von Energieversorgung und -erzeugung sowie bei erneuerbaren Energien ein.
Unter anderem besteht die Möglichkeit, wichtige Anlagen und Systeme im Rahmen der Vorbereitung auf unterschiedlichste Szenarien, inklusive schwere Unwetter, einem Stresstest zu unterziehen, um Schwachstellen zu identifizieren.

Wurden Digital Twins früher ausschließlich in der Produktion und Entwicklung von technisch komplexen Produkten verwendet, so findet man sie heute in vielen Industrien wieder. Bspw. im Gesundheitswesen, wo sie u.a. zur Effizienzsteigerung der Bettenbelegung in Krankenhäusern oder zur Analyse von Patient:innendaten und somit zu einer verbesserten Patient:innenversorgung führen, bis hin zur Landwirtschaft wo Digital Twins genutzt werden können, um Pflanzenwachstum und Erntebeiträge durch eine effizientere Bewässerung und Düngung von Feldern zu optimieren.

Grundsätzliche Herausforderungen

Die technologische Infrastruktur sowie die Datenbeschaffung zählen zu den größten Herausforderungen der Anwendung. Die Schaffung und Wartung von digitalen Zwillingen erfordert leistungsstarke Sensoren, Datenverarbeitungssysteme und eine zuverlässige Konnektivität. Städte müssen erhebliche Investitionen tätigen, um sicherzustellen, dass die erforderliche Technologie vorhanden ist und funktioniert. Da die Erfassung und Verarbeitung von Daten in großem Umfang stattfinden, müssen sie gleichzeitig sicherstellen, dass Datenschutzrichtlinien und weitere rechtliche Vorschriften eingehalten werden.

Dies führt zur zweiten Schwierigkeit: dem Datenschutz. Um die Privatsphäre der Bürger:innen zu schützen, müssen Städte und Gemeinden sorgfältig überlegen, wie sie die gesammelten Daten nutzen und speichern. Die erfolgreiche Implementierung von Digital Twins erfordert eine strategische Berücksichtigung sozialer und kultureller Unterschiede. Dies umfasst die Anpassung von Datenteilungspraktiken an lokale Normen, die Berücksichtigung von Vertrauensaspekten und Datenschutzbedenken sowie die gezielte Förderung digitaler Fähigkeiten in verschiedenen Gemeinschaften. Durch eine kultursensible Strategie können potenzielle Hürden überwunden und die breite Akzeptanz von Digital Twins gefördert werden. Um das Vertrauen der Bürger: innen in diese Technologie zu gewinnen und Missbrauch zu verhindern, müssen Datenschutzgesetze wie die Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) der EU eingehalten werden. Städte und Gemeinden stehen vor einer komplexen und anhaltenden Herausforderung, die Vorteile von Digital Twins mit dem Schutz der Privatsphäre zu vereinbaren.

Bei der Implementierung und Nutzung technologischer Lösungen sollte des Weiteren die Wartungsintensität nicht vernachlässigt werden. In einer Zeit, in der Organisationen verstärkt auf innovative Technologien setzen, um wettbewerbsfähig zu bleiben, ist es wichtig zu verstehen, dass die Wartung und Pflege eines Projekts einen erheblichen Einfluss auf seinen Erfolg auf langfristiger Ebene haben kann. Die aufwendige Wartung von Technologien wie Digital Twins erfordert beträchtliche Zeit und finanzielle Ressourcen, um ihre Effektivität durch kontinuierliche Aktualisierungen und Anpassungen sicherzustellen. Es benötigt sorgfältige Planung und klar definierte Verantwortlichkeiten, um die richtige Balance zwischen Wartungsaufwand und wirtschaftlicher Effizienz zu finden. Um die langfristige Leistung und den Mehrwert des Systems sicherzustellen, sind Ressourcen für die regelmäßige Überprüfung, Fehlerbehebung und Aktualisierung unerlässlich. Unsere Erfahrung zeigt, dass eine sorgfältige (Wartungs-)Strategie nicht nur Kosten spart, sondern auch die technologischen Lösungen zuverlässiger und stabiler macht.

Entscheidender Wettbewerbsvorteil für die Zukunft

Digital Twins basieren auf der Nutzung von Sensoren, die in physische Objekte integriert sind und Echtzeitdaten erfassen. Diese Daten, die Informationen über den Zustand und die Leistung der realen Entitäten enthalten, werden über IoT-Technologien in digitale Plattformen übertragen. Zusammen ermöglichen Sensoren und IoT eine kontinuierliche Datenerfassung und -übertragung, die als Grundlage für die Erstellung und Aktualisierung genauer digitaler Repräsentationen dient. Diese virtuellen Modelle bilden die Basis für Analysen, Simulationen und Optimierungen im Kontext von Digital Twins.

Die Zukunft hierfür ist vielversprechend. Durch den Fokus von Regierungen und Organisationen auf die schnelle (Weiter-) Entwicklung künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen werden Digital Twins noch intelligenter und autonomer werden. Insgesamt sind Digital Twins deshalb eine Schlüsseltechnologie, die Organisationen dabei unterstützt, die Herausforderungen der Industrie 4.0 zu meistern. Sie bieten eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten und tragen dazu bei, Prozesse zu optimieren, Kosten zu senken und die Kundenzufriedenheit zu steigern. Unternehmen bzw. Städte die diese Technologie nicht nur adaptieren, sondern auch effektiv nutzen, werden in der schnelllebigen Geschäftswelt einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil gewinnen.

Warum und wie vor allem Städte diese Technologie auf dem Weg zur Smart City sinnvoll nutzen sollten, beleuchten wir im zweiten Teil unseres Artikels.