Der Begriff „Digitaler Zwilling“ läuft uns allen im Moment fast so häufig über den Weg wie „KI“. Und dabei ist der Begriff Digitaler Zwilling durchaus konkurrenzfähig im Hinblick auf maximale Dehnung des Begriffs und im Hinblick auf Ausschlachtung in Marketing-Headlines (über KI hatte ich dazu auch einen Artikel geschrieben). Das trifft für jede Branche zu, seien es Maschinenbau und Produktion, Gebäudewirtschaft, Landwirtschaft, Mobilität, Medizin, Stadtplanung oder Versicherung. Es nimmt so weit überhand, dass es mich mittlerweile leider eher abschreckt, wenn ich den Begriff lese, weil sich dahinter oft ablenkendes Buzzword-Bingo verbirgt.

Wie so oft stecken ursprünglich gute Absichten dahinter und das Konzept ist prinzipiell sinnvoll. Bis die Marketing-Maschinerie zahlloser Unternehmen, Berater und auch Forscher einen Schleier der Mystifizierung und der überzogenen Hoffnungen darüber ausgebreitet haben.

Diesen Schleier möchte ich in diesem Artikel lüften und einen Blick hinter den Hype-Vorgang ermöglichen. Dazu ziehe ich mit Blick auf das Big Picture einige wichtige Aspekte rund um Digitale Zwillinge auseinander und räume mit verbreiteten Missverständnissen auf. Außerdem gebe ich einige Tipps, mit denen ihr in Diskussionen um konkrete Digitale Zwillinge gut gerüstet seid, um hinter den Hype-Vorhang zu blicken und ganz konkret zu verstehen, was ihr da vor euch habt. Und einzuschätzen, ob das, was euch als „Digitaler Zwilling“ präsentiert wird, den Namen verdient hat oder mal wieder nur einen Marketing-Anstrich bekommen hat.

Grundkonzept eines Digitalen Zwillings

Ein Digitaler Zwilling ist ein digitales Modell eines geplanten oder realen Assets (Produkt, System, Prozess, …), das potentiell im gesamten Lebenszyklus des Assets bei unterschiedlichsten Zwecken unterstützen kann durch Software-gestützte Methoden wie Simulation, Testen, Analyse oder Steuerung. (Angelehnt an Wikipedia)

In der obigen Abbildung ist das reale Asset ein Produkt bzw. ein komplexes System, nämlich ein Flugzeug. Dieses Flugzeug existiert in der realen Welt und wird in der virtuellen Welt durch ein digitales Modell abgebildet. Dieses Modell kann nicht für sich allein existieren. Es existiert immer im Kontext eines bestimmten Softwaresystems, das auf und mit dem digitalen Modell arbeitet. Modell und Softwaresystem müssen aufeinander abgestimmt sein und werden für bestimmte Zwecke gestaltet und realisiert. Diese Zwecke bestimmen, welche Aspekte des realen Flugzeugs im Modell abgebildet werden und welche Funktionen die Software bieten muss. Geht es z.B. darum, dass der digitale Zwilling des Flugzeugs bei der Bestimmung von Wartungszeitpunkten helfen soll, dann muss das Modell u.a. Daten über reale Einsatzzeiten und Belastungen enthalten und die Software muss Algorithmen zur Berechnung der Wartungszeitpunkte umsetzen.

Hier beginnt schon die mögliche Unschärfe: Manchmal wird als digitaler Zwilling nur das eigentliche digitale Modell als Abbild des realen Assets bezeichnet. Wenn man aber einbezieht, dass man damit gewisse Zwecke erreichen möchte, dann ist das nicht mit dem Modell alleine machbar, sondern benötigt immer das umgebende Softwaresystem mit seiner ganzen Funktionalität. Insofern ist es oft sinnvoll, die Kombination aus digitalem Modell und umgebendem Softwaresystem als Digitalen Zwilling zu bezeichnen.

Damit ein Digitaler Zwilling seine Zwecke erreichen kann, ist eine Kopplung des realen Assets mit dem digitalen Modell nötig. Dazu werden typischerweise Daten des realen Assets über Sensorik (im Asset oder außerhalb) gesammelt und in das digitale Modell übertragen (in unserem Beispiel mit dem Flugzeug z.B. Daten über die realen Flugbedingungen und gemessene physikalische Belastungen, aber vielleicht auch über das umgebende Wetter). In Umkehrrichtung möchte man häufig mit dem digitalen Zwilling auch steuernden Einfluss auf das Asset der realen Welt nehmen (in unserem Beispiel könnte das z.B. die Aufforderung an den Piloten sein, eine außerplanmäßige Inspektion bei einem Zwischenstopp vornehmen zu lassen, wenn besonders schwere Witterungsbedingungen durchflogen wurden).

Das Konzept des Digitalen Zwillings umfasst typischerweise: Asset in der realen Welt, Digitaler Zwilling und die Kopplung dazwischen. Je nach konkretem Anwendungszweck sind aber sehr unterschiedliche Ausprägungen möglich.

Digitale Zwillinge können entlang des gesamten Lebenszyklus von Assets zum Einsatz kommen.

• Wie in der Abbildung gezeigt, kann dies bereits in der Phase der Entwicklung beginnen. Dort gibt es noch kein Asset in der realen Welt und der Digitale Zwilling ist sozusagen der Bauplan, der bei der Konstruktion und frühzeitigen Abschätzung von Eigenschaften des realen Assets hilft, indem er Simulationen in der virtuellen Welt ermöglicht, ohne dass das reale Asset schon existieren muss.
• Bei der Produktion kann der Digitale Zwilling dann den Produktionsprozess und die Schritte der Herstellung und Montage begleiten und aufzeichnen, z.B. für Zwecke der Qualitätskontrolle oder aber als Grundlage für spätere Wartung oder Verwertung.
• In der eigentlichen Nutzung und Wartung von Assets ist zu beachten, dass es potentiell sehr viele Instanzen des Assets gibt (während es in der Konstruktion im Vergleich „nur“ ein Modell als Bauplan gibt). Damit hat jedes Asset seinen eigenen Digitalen Zwilling. Ob diese in der gleichen Instanz des umgebenden Softwaresystems „leben“ hängt davon ab, wem sie gehören und wer das Softwaresystem betreibt. Hier sind viele Konstellationen denkbar. In der Nutzung und Wartung sind viele Zwecke denkbar, z.B. wie oben beschrieben, wo es um die Errechnung von idealen Wartungszeitpunkten für Flugzeuge geht.
• In der finalen Verwertung könnte der Zweck des Digitalen Zwillings des Flugzeugs sein, genau Auskunft zu geben über die verbauten Teile, ihr Alter und ihre Zusammensetzung aus Materialien, sodass Recycling erleichtert wird.

Es ist klar, dass in jeder Phase ein Digitaler Zwilling auch isoliert Nutzen bieten kann. Wenn ein Digitaler Zwilling aber über alle Phasen existiert und das umgebende Softwaresystem Zwecke in allen Phasen bedient, dann kann bedeutend höherer Nutzen erzielt werden und die gesammelten Daten können sich phasenübergreifend auszahlen. Damit wird aber auch immer das Design des digitalen Modells und des umgebenden Softwaresystems anspruchsvoller, um alle Zwecke sauber und in guter Qualität zu bedienen.

Um die Vielfältigkeit Digitaler Zwillinge noch zu erweitern, kann natürlich jegliches Asset der realen Welt mit einem Digitalen Zwilling ausgestattet werden: Also auch Menschen, aber auch immaterielle Dinge wie Software oder Produktionsverfahren. Immer muss bei diesen Assets überlegt werden, wo der eigentliche Mehrwert durch einen Digitalen Zwilling wirklich entsteht und wie die Verknüpfung des realen Assets mit dem virtuellen Modell passiert.

Missverständnisse und Irreführung rund um Digitale Zwillinge

Durch die Vielfältigkeit der konkreten Zwecke, der Branchen und der individuellen Ausgestaltungen von Digitalen Zwillingen ist es schwierig, den Überblick zu behalten. Vor allem für Leute, die nicht so tief in der Software-Welt zu Hause sind, sondern eher aus den Anwendungsbereichen kommen. Aber oft genug auch für Leute, die seit vielen Jahren intensiv mit Software arbeiten. Deshalb gehe ich hier explizit auf einige häufige Missverständnisse ein.

Digitale Zwillinge sind kein neues Konzept!

Richtig prominent ist der Begriff Digitaler Zwilling erst in den ca. letzten zehn Jahren geworden und hat in den letzten 5 Jahren noch mal deutlich Fahrt aufgenommen. Nichtsdestotrotz sind das Konzept und auch der Name bedeutend älter.

Das Konzept, dass Software ein Modell der realen Welt und ihrer Assets abbildet und darauf gewisse Aktionen wie Analysen und Simulationen zulässt, ist quasi so alt wie die Nutzung von Computersystemen und Software. Man könnte sagen, dass es eigentlich im Kern der Natur von Software liegt.

Die Kopplung zwischen realer Welt und virtueller Welt ist über die Jahrzehnte natürlich immer enger geworden durch Verfügbarkeit von mehr Sensorik, besseren Übertragungssystemen mit mehr Bandbreite für mehr Daten und kürzeren Latenzen. Außerdem steht immer mehr Speicher zur Verfügung, um immer mehr Daten zu sammeln und zu analysieren und immer detailreichere Modelle zu ermöglichen.

Gerade das wissenschaftlich-mathematische Rechnen, Modellieren und Simulieren ist sehr klar in der Historie der Digitalen Zwillinge zu verorten.

Digitale Zwillinge in ihrer jetzigen und zukünftigen Form sind konsequente und sinnvolle Weiterentwicklungsschritte, die nach und nach sich bietende technische Fortschritte ausnutzen und sinnvoll integrieren. Deshalb sollte man aber nicht jede Software als Digitalen Zwilling bezeichnen.

”Der” Digitale Zwilling klingt klar – ist es aber überhaupt nicht!

Häufig lese ich sowas wie „Der Digitale Zwilling in der Produktion“ und es wird suggeriert, dass es genau „den“ Digitalen Zwilling gibt, den ich mir jetzt kaufen oder bauen könnte.

Das ist aber mitnichten so. Es gibt unbegrenzte Möglichkeiten, Digitale Zwillinge zu einem Asset zu bauen. Sowohl zu unterschiedlichsten Zwecken als auch mit unterschiedlichsten Realisierungsmöglichkeiten.

Der Begriff bzw. das Konzept Digitaler Zwilling ist zwar grob definiert (auch auf unterschiedlichste Arten durch unterschiedlichste Player), aber er ist in keiner Weise geschützt oder klar begrenzt. Jedes Unternehmen kann also seine Lösungen als Digitalen Zwilling bezeichnen. Davon wird auch rege Gebrauch gemacht. Und wenn man die obige historische Betrachtung wohlwollend auslegt, dann ist es sogar fast immer irgendwie argumentierbar, wenn man die Kopplung zwischen realer und virtueller Welt nur lose genug lässt. In der Praxis ist eine zu strikte Auslegung auch auf keinen Fall sinnvoll, weil man sich sonst in endlosen Terminologie- und Glaubensdiskussionen wiederfindet und davon gibt es in der Informatik eh schon zu viele.

Letztlich legt das Konzept Digitaler Zwilling nur einige wenige konzeptionelle Leitplanken fest, die dazu auch noch sehr dehnbar sind. Es legt aber keine Zielsetzung und keinen Zweck fest, es legt kein Geschäftsmodell fest und es legt nichts bezüglich der Umsetzung fest, keine Softwarearchitektur, keine Algorithmen und keine Technologien.

Wenn man polemisch rangehen wollte, könnte man den Digitalen Zwilling auch so definieren: „Irgendein Softwaresystem, das bestimmte Daten über ein reales Asset in einem Modell verwaltet und es erlaubt, darauf Analysen oder Simulationen zu machen und damit im Idealfall auch wieder auf das Asset einzuwirken.“ Das klingt aber maximal beliebig und wenig attraktiv.

Was man doch eigentlich will ist ein Begriff, der Klarheit bringt und die Kommunikation und das Verständnis fördert. Und das gelingt nur, wenn man den Begriff Digitaler Zwilling mit einem klarer gefassten Scope verwendet und auch in diesem Scope nicht so tut, als würde seine Verwendung selbst schon exakt beschreiben, worum es geht.

Ein Digitaler Zwilling ist nie ein vollständiges Abbild!

Immer mal wieder lese ich „der Digitale Zwilling ist ein vollständiges Abbild des realen Objekts“. Auch der allgemeine Begriff „Zwilling“ hört sich nach „ebenbürtig“ und „vollständig“ an.

Das ist aber definitiv so nicht der Fall! Ein digitaler Zwilling enthält ein Modell, und ein Modell ist immer eine Abstraktion. Und diese Abstraktion lässt bewusst viele Aspekte des realen Objekts weg. Welche Aspekte enthalten sind, hängt ganz davon ab, welche Zwecke mit dem Modell bzw. hier dem Digitalen Zwilling verfolgt werden sollen.

Diese Abstraktion hat aber nicht nur Nachteile, sondern auch Vorteile durch das Weglassen: das Modell ist günstiger zu erstellen, weil man sich eben fokussieren kann auf das, was gebraucht wird.

Das Ziel sollte nie sein, einen Digitalen Zwilling zu erschaffen!

Manchmal höre ich „Wir brauchen davon einen Digitalen Zwilling“.

Ein Digitaler Zwilling ist immer nur ein Werkzeug, um bestimmte Ziele zu erreichen und Zwecke zu verfolgen. Deshalb sollte es nie zum Selbstzweck werden, einen Digitalen Zwilling zu erschaffen. Die Ziele und Zwecke müssen sehr klar herausgearbeitet werden, dann können Software und Modell des Digitalen Zwillings entweder beschafft oder entwickelt werden. Wenn man nicht so vorgeht, ist Enttäuschung vorprogrammiert!

Guidelines zum Verstehen eines bestimmten Digitalen Zwillings

Zum Abschluss des Artikels möchte ich eine Reihe von strukturierten Fragen mitgeben, anhand derer sich jeder besser vorbereitet in Projekte oder Diskussionen über Digitale Zwillinge begeben kann:

• Asset in der realen Welt
  • Was ist das reale Asset genau?
  • Ist das reale Asset etwas Physisches oder etwas Virtuelles?
  • Besteht das reale Asset aus mehreren geschachtelten Teilen / Komponenten / Systemen, und falls ja, was davon wird im Digitalen Zwilling abgebildet?

• Digitaler Zwilling
  • Ziele und Zwecke
    • Was sind die wesentlichen Ziele und Zwecke, die mit dem Digitalen Zwilling verfolgt werden?
  • Modell in der virtuellen Welt
    • Was bildet das Modell an (statischen) Eigenschaften des realen Assets ab (Fähigkeiten, Eigenschaften, Zusammensetzung, Verhaltensweisen, …)?
    • Was bildet das Modell an dynamischen oder veränderlichen Daten des realen Assets und seiner Umgebung ab (gegenwärtige Eigenschaften, aufgetretene Events, Verlaufskurven, historische Daten, …)?
    • Was bildet das Modell ganz explizit nicht ab?
    • Wie präzise sind die Daten im Modell?
    • Wie aktuell sind die Daten im Modell?
    • Besteht das Modell aus mehreren Teilmodellen für unterschiedliche Aspekte oder für geschachtelte Assets in der realen Welt?
    • Wer erstellt womit das Datenmodell des Modells?
  • Umgebendes Softwaresystem
    • Wie viele Instanzen des realen Assets werden im Digitalen Zwilling verwaltet?
    • Ist das umgebende Softwaresystem, in dem das Modell der virtuellen Welt lebt, Teil eines größeren Systems, oder existiert es nur, um den Digitalen Zwilling umzusetzen?
    • Bietet das Softwaresystem ein Modellierungswerkzeug, um das Datenmodell des Modells in der virtuellen Welt zu erstellen?
    • Bietet das Softwaresystem eine Simulationsumgebung, um im Digitalen Zwilling Simulationen durchzuführen?
    • Bietet das Softwaresystem Visualisierungen für bestimmte Teile des Modells und damit für eine stellvertretende Visualisierung des Assets in der realen Welt?
    • Was sind die Hauptfunktionalitäten des Softwaresystems?
    • Wo ist das Softwaresystem deployed?
    • Wer betreibt das Softwaresystem?
  • Abgedeckter Lebenszyklus
    • Welche Phasen des Lebenszyklus des realen Assets bildet der virtuelle Zwilling ab?
    • Wie gut sind die Phasen des Lebenszyklus miteinander integriert?
    • Ab welcher Phase sollte der Digitale Zwilling spätestens eingesetzt werden, um die gewünschten Ziele zu erreichen?
  • Nutzergruppe
    • Welche Nutzergruppen arbeiten an der Gestaltung des Digitalen Zwillings?
    • Welche Nutzergruppen nutzen den Digitalen Zwilling, um damit Analysen, Simulationen, Steuerungen, … zu machen?
  • Geschäftsmodell
    • Was ist das Geschäftsmodell des Erstellers des Digitalen Zwillings?
    • Wie wirkt der Digitale Zwilling im Geschäftsmodell des Nutzers des Digitalen Zwillings?
    • Wo ist der ökonomische Haupthebel, warum sich der Einsatz des Digitalen Zwillings lohnen könnte / sollte?

• Verknüpfung von Asset in realer Welt und Digitalem Zwilling
  • Sensorik / Beobachtung der Realität
    • Ist die Sensorik direkt in das Asset der realen Welt eingebaut, oder befindet sie sich außerhalb und beobachtet das Asset von außen?
    • Wie viele und welche sensorische Verfahren sind involviert?
    • Welche Daten liefert die Sensorik?
    • Mit welcher Präzision liefert die Sensorik Daten?
    • In welcher Häufigkeit liefert die Sensorik Daten?
  • Aktuatorik / Einwirkung auf die Realität
    • Kann der Digitale Zwilling auf das reale Asset einwirken?
    • Auf welche Aspekte des realen Assets kann der Digitale Zwilling einwirken?
    • Wirkt der Digitale Zwilling direkt über verbaute Aktuatorik auf das reale Asset ein oder eher von außen?
    • Ist der Digitale Zwilling aktiver Teil der Steuerung des realen Assets zur Nutzungszeit, oder wirkt er eher nur indirekt und zeitversetzt auf unterstützende Prozesse (z.B. im Zuge der Wartung)?
    • Inwieweit sind im realen Asset Schutzmechanismen vorgesehen, die das reale Asset gegen Fehlsteuerungen des Digitalen Zwillings schützen?
  • Einbettung in Systeme der realen Welt
    • Ist der Digitale Zwilling so eng mit dem realen Asset verbunden, dass das reale Asset ohne den Digitalen Zwilling nicht mehr funktioniert?
    • Welche Einbußen bestehen beim realen Asset, wenn der Digitale Zwilling ausfällt?
    • Inwieweit ist der Digitale Zwilling mit Prozessen der realen Welt integriert, die im Umfeld des realen Assets ablaufen?

Fazit

Softwaresysteme zielen seit jeher auf die Zwecke ab, die heute mit Digitalen Zwillingen verbunden werden. Der Fortschritt bei unterschiedlichsten digitalen Technologien zahlt stetig darauf ein, dass Digitale Zwillinge näher am realen Asset sein können und mehr leisten können. Teilweise verwischen sogar die Grenzen zwischen realem Asset und digitalem Zwilling, weil der Digitale Zwilling zum inhärenten Teil des realen Assets werden kann.

Mittlerweile gibt es in einigen Domänen, z.B. in der Produktion, Initiativen, die sich für mehr Standardisierung und Interoperabilität von Digitalen Zwillingen einsetzen, z.B. die Industrial Digital Twin Association. Mein Artikel zeigt aber hoffentlich deutlich, dass nicht damit zu rechnen ist, dass es übergreifende Digitale Zwillinge geben wird, die „einfach so“ und „für alles“ funktionieren. Es ist wie mit anderen Softwaresystemen auch: Es kommt darauf an, was man möchte, und dafür braucht man das richtige System, das Ziel und Zweck dann hoffentlich bestmöglich erfüllt.

Mit dem Begriff „Digitaler Zwilling“ hadere ich mittlerweile an einigen Stellen, weil er wie jeder Hype irgendwann völlig überfrachtet und von zahlreichen Trittbrettfahrern gekapert wurde.

Trotzdem möchte ich hier in keiner Weise gegen den Begriff argumentieren. Er sollte aber als Ausgestaltungsrahmen gesehen werden, innerhalb dessen viel zu gestalten und klar zu benennen ist. Dann kann der Begriff sehr sinnvoll sein. Wir sollten nur die inflationäre Verwendung aus effekthascherischen Gründen vermeiden.

Genau darauf zielt dieser Artikel ab: Einen Blick auf das Big Picture des Konzepts Digitaler Zwilling zu geben. Sodass zukünftige Diskussionen dann gut gerüstet und mit der notwendigen Tiefe und Differenziertheit geführt werden.