Digitaler Zwilling: Smart Industry und intelligentes Unternehmen

DIGITALER ZWILLING ALS INTELLIGENTES BETRIEBSFÜHRUNGSINSTRUMENT. Die Bedeutung der digitalen Zwillingstechnologie und ihr Beitrag liegt in ihren dualen Einstellungen als Simulations- und Management-Tool. Digitale Twin in Kombination mit dem Internet der Dinge (IoD) und Machine Intelligence (MI) kann gängige Objekte in intelligente Dinge verwandeln.

Neben dem, was als passive Funktion des Digitalen Zwillings betrachtet werden kann, also als ein Werkzeug, das nicht direkt in die Herstellungs- und Transportprozesse (Lieferprozesse) eingreift, sondern diese nur interpretiert, entstand allmählich eine neue Form des Digitalen Zwillings, die mit einer tatsächlichen Verwaltungs- und Kontrollfunktionalität ausgestattet ist.

Es ist also diese Form des "aktiven" Digitalen Zwillings, die die entscheidende Voraussetzung für den ordnungsgemäßen und effektiven Betrieb cyberphysikalischer Produktionssysteme und damit für eine automatisierte Betriebsführung in Fertigung und Logistik ist.

Betrachtet man die Operationen, die der digitale Zwilling ausführt, so kann er auch als autonomer Informationsagent bezeichnet werden. Der Begriff Agent bezieht sich auf eine Einheit, die in der Lage ist, eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen.

Das Attribut autonom definiert die Fähigkeit eines Agenten, individuell und unbeaufsichtigt zu handeln, so dass er die volle Kontrolle über sein Verhalten hat. In der einfachsten Form besitzt der Agent eine reaktive Fähigkeit, d.h. er ist in der Lage, eine Reaktion auf Impulse aus seiner Umgebung auszulösen. Das Beispiel eines einfachen Mittels ist ein Thermostat, der nach einer zuvor definierten Regel autonom auf Temperaturschwankungen reagiert.

Ein aktiver Digitaler Zwilling ist im Grunde genommen eine Software, die eine bestimmte Aufgabe im Namen eines Objekts oder unter Benutzerzuordnung ausführt. Eine solche Form des Digitalen Zwillings wird als intelligenter Informationsagent bezeichnet, da er bereits mit einer bestimmten Form der künstlichen Intelligenz (KI) ausgestattet ist.

Im Hinblick auf Veränderungen im Umfeld und auf definierte Aufgaben ist dieser Agent in der Lage, die Initiative zu ergreifen und seine Umgebung und die darin enthaltenen Objekte autonom zu beeinflussen sowie über die Durchführung von Operationen autonom zu entscheiden, um ein möglichst effektives Ergebnis durch die optimale Form zu erzielen.

Es ist der aktive Digitale Zwilling, der eine der wesentlichen Komponenten moderner Smart Industry Systeme sowie das gesamte digitale Ökosystem eines Unternehmens darstellt. In so komplexen Infrastrukturen wie in Fabriken muss die Technologie des Digitalen Zwillings mit zusätzlichen Fähigkeiten wie Anpassungsfähigkeit, Skalierbarkeit, Agilität und mehreren kognitiven Kompetenzen ausgestattet werden.

Kognitive Technologien ermöglichen es dem Digitalen Zwilling, auf völlig neue und unbekannte Impulse zu reagieren und das ist vor allem auf frühere Erfahrungen und Ergebnisse früherer Entscheidungen und deren anschließende Neubewertung zurückzuführen. Gleichzeitig müssen intelligente Informationsagenten (Digitale Zwillinge) eine Prädisposition für die Interaktion in einem Kollektiv anderer Agenten haben.

Digitale Zwillinge müssen in der Lage sein, in einer Gruppenordnung oder in einer bestimmten Hierarchie zu kommunizieren und zusammenzuarbeiten.

                    Digitaler Zwilling als strategische Technologie für das Jahr 2019 (quelle: Gartner)

SMART INDUSTRY UND INTELLIGENTES UNTERNEHMEN

Sowohl produzierende Unternehmen als auch Logistikströme stellen ein dynamisches und nicht deterministisches Umfeld dar, also ein solches, in dem jede Maßnahme nicht mit einem garantierten endgültigen Ergebnis verbunden ist. Unter Berücksichtigung des häufigen Auftretens von Ausnahmesituationen, die meist durch externe Faktoren verursacht werden (z.B. unerwartete oder fehlerhafte menschliche Eingriffe), ergibt sich die Notwendigkeit, robustere und komplexere Managementsysteme einzusetzen.

Angesichts der Komplexität solcher Produktions- und Logistikumgebungen mit vielen gleichzeitig laufenden Prozessen, von denen die meisten bis zu einem gewissen Grad miteinander verbunden (oder durcheinander konditioniert) sind, und der enormen Datenmenge, die während dieser Vorgänge erzeugt wird, ist es unmöglich, diese Prozesse mit bestehenden Management- und Kontrollsystemen zu bedienen, die auf einer Technologie einfacher Beweise oder Transaktionsprozesse basieren.

Da intelligente Informationsagenten ein Netzwerk aus dezentraler und verteilter (kollektiver) Intelligenz bilden, treten Smart Industry Systeme als intelligentes Betriebsmanagementsystem in Unternehmen in den Vordergrund.

Die Dezentralisierung und Verteilung der Betriebsführung ist in Bezug auf die Intralogistik der produzierenden Unternehmen (Fertigungslogistik) gleichermaßen bedeutsam. Das Management einer Flotte von Fahrzeugen/Geräten, die Produktionslinien bedienen, wird unglaublich komplex, wenn die Variabilität und Produktanpassung in der Massen- und Serienproduktion zunimmt. Es liegt nicht mehr in der menschlichen Macht, den gesamten Prozess erfolgreich zu steuern und dabei die höchstmögliche Effizienz zu erreichen.

Einer der Gründe dafür ist die Tatsache, dass die schiere Menge der Eingangsdaten, die in die Entscheidungsfindung über die richtige und pünktliche Materialversorgung einfließt, die menschlichen kognitiven Fähigkeiten übersteigt. Der fortschreitende Einsatz von Robotern und fahrerlosen Transportsystemen (FTS) führt zu steigenden Anforderungen an die Intelligenz von Smart Industry Management- und Steuerungssystemen.

Dies erfordert daher die Implementierung der Technologie von Multi-Agentensystemen (MAS), die einzelne autonome Agenten (Digitale Zwillinge) miteinander verbinden, damit sie nahtlos interagieren (miteinander kommunizieren, koordinieren und zusammenarbeiten) und sicherstellen können, dass sie die definierten gemeinsamen Ziele und Aufgaben erfüllen.

Dezentrale Multi-Agentensysteme ermöglichen es, verschiedenen Agenten unterschiedliche Rollen zuzuweisen, um variable Aufgaben zu erfüllen und so komplexe Systeme mit besserer Reaktion auf äußere und innere Faktoren und Bedingungen aufzubauen.

Da die digitale Transformation in der Fertigung und Logistik weiter voranschreiten wird, werden Smart Industry Systeme, die mit Multiagentensystemen ausgestattet sind, immer häufiger in die Prozesse der Produktionslinienversorgung implementiert, wo zahlreiche FTS-Flotten die pünktliche und korrekte Materialzufuhr für Roboter im Fertigungsablauf sicherstellen werden.

Im Vergleich zu den heutigen Systemen basieren sie nicht mehr auf einer zentralen Verwaltung, sind aber in der Lage, eine gemeinsame Autokonfiguration durchzuführen. Das Informationsökosystem einer Fabrik wird zu einer organischen Struktur wachsen, innerhalb derer sich die aktuelle Prozessautomatisierung bis zur Prozessautonomie entwickeln wird.

DIGITALER ZWILLING IM MAINSTREAM

Die Bedeutung der Technologie des digitalen Zwillings als seine Bedeutung ergibt sich aus dem gleichzeitigen doppelten Nutzen als Simulations- und Steuerungswerkzeug. Die Erstellung virtueller Nachbildungen von Produktionsabläufen, der gesamten Fabriken, Unternehmen oder Lieferketten über das passive Modell des digitalen Zwillings ermöglicht es Unternehmen, sowohl etablierte als auch hypothetische Prozesse zu überwachen, zu simulieren und zu testen.

So können die Mitarbeiter unter company´s in der Fertigung und Logistik Engpässe, Schwachstellen oder kritische Stellen oder ineffiziente Abläufe identifizieren, verschiedene Anomalien erkennen oder vorsorglich auf potenziell kritische Situationen aufmerksam machen und so deren Auftreten verhindern (z.B. auch in Form von vorausschauender Instandhaltung) und damit die Betriebskosten senken.

Die Simulation von Produktionsabläufen nutzt reale historische Daten, um verschiedene Optionen wie z.B. Montageoperationen zu modellieren, und basierend auf den Ergebnissen können Manager oder Vorgesetzte wählen, ob sie den Prozess, der Produkte mit höchster Qualität herstellt, in Betrieb nehmen wollen, um ungeplante Kosten für zusätzliche Korrekturen und Qualitätsprüfungen zu minimieren, die die Produktionsvorlaufzeit nicht nachträglich erhöhen. Ein Digitaler Zwilling generiert bereits in dieser (passiven) Form einen Mehrwert für Unternehmen.

Das aktive Profil von einem Digitalen Zwilling, d.h. intelligenten Informationsagenten, spielt eine entscheidende Rolle bei der intelligenten Betriebsführung. Der Digitale Zwilling in Kombination mit dem Internet der Dinge (IdD) kann normale Objekte, die keine ursprüngliche Prädisposition für "smart" haben, in intelligente Dinge verwandeln (AIoT - Artificial Intelligence of Things).

Neben der Herstellung und dem Transport von Maschinen, Geräten und Werkzeugen oder Materialien und Produkten gilt diese Fähigkeit auch für die Mitarbeiter. Die Kombination aus Digitalen Zwilling und IdD erweitert die kognitiven Fähigkeiten von Angestellten erweitern.

Es ist für Lagerarbeiter nicht möglich, die genaue Reihenfolge der Aufträge und das Volumen der Aufgaben zu kennen, insbesondere wenn Aufträge laufend und in Echtzeit generiert werden. Smart Industry Systeme priorisieren jedoch dynamisch den Workflow und weisen den Mitarbeitern über einen intelligenten Informationsagenten Aufgaben zu, basierend auf den relevanten Daten und den aktuellen Anforderungen der Kunden.

Ein Digitaler Zwilling bildet die primäre Voraussetzung für Smart Industry Systeme, die ein operatives und autonomes Fertigungs- und Lieferprozessmanagement gewährleisten. Fabriken und Unternehmen können ihre interne Logistik auf eine agilere Form, Intralogistik 4.0, umstellen, indem sie die aktive Form von Digitalen Zwillingen und das Internet der Dinge (IdD) implementieren, die normalerweise bereits in Smart Industry Systeme integriert sind.

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         Digitaler Zwilling Entwicklung 2016-2025 nach Reion in USD Mrd. (quelle: MarketsandMarkets)

Das Smart Industry System bietet die notwendige Informationsinfrastruktur für eine korrekte Betriebsführung durch beide Technologien. Diese Technologien ermöglichen die Automatisierung und weitere Autonomisierung von Prozessen, und solche Smart Industry-Lösungen erhöhen auch die Agilität des Fabrik- und Unternehmenbetriebs.

Unternehmenprozesse werden dadurch wesentlich flexibler und passen sich äußeren Faktoren (Kundenanforderungen, neue Wellen, Märkte etc.) an und bieten Möglichkeiten, die Variabilität und Individualisierung des Endprodukts oder der Dienstleistung zu erhöhen.

Darüber hinaus ist die Technologie der Digitalen Zwillinge vielseitig einsetzbar, nicht nur für die dynamische, intelligente und autonome Betriebsführung in Fabriken und der Smart Industry. Seine Funktionalität erstreckt sich derzeit auf die Bereiche Gesundheitswesen, Technik, Einzelhandel, Instandhaltung und nicht zuletzt auf die digitale Transformation von Städten (der Begriff Smart City).

Die Tendenz zum universellen Einsatz entlang der Skalierung der Funktionalitäten und der Generierung von Mehrwert trug dazu bei, dass das tatsächliche Volumen der Digitalen Zwilling-Implementierung die bisherige Prognose von Gartner´s übertraf. Das internationale Forschungs- und Beratungsunternehmen hatte seine eigenen Prognosen bereits überarbeitet und spricht von der Mainstreaming der Digitalen Zwillinge.

Die zentrale Rolle des Digitalen Zwillings ergibt sich aus seiner organischen (Inter-)Verbindung zu anderen neuen und aufstrebenden Technologien wie Internet der Dinge (IdD) und Internet of Services (IoS), Künstliche Intelligenz (KI), Machine Learning (ML), Augmented Analytics und Big Data Processing.

Die Möglichkeit der nahtlosen Verschmelzung mit anderen Technologien ergänzt die derzeitige Alleinstellung des Digitalen Zwillings trotz der fünf Jahrzehnte währenden Existenz des Konzepts. Die umfassende Funktionalität, die vielseitige Anwendung und die Endergebnisse, die sich daraus für Unternehmen ergeben, zählen zu den einflussreichsten disruptiven Technologien der Gegenwart und nahen Zukunft.