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Kommentar von Guido Jouret, ABB Digital Twin – von der Automatisierung zur Autonomie

| Autor / Redakteur: Guido Jouret / Nico Litzel

Der Begriff „digitaler Zwilling“ wurde 2010 von der NASA in einer Technologie-Roadmap eingeführt, die den Einsatz von Werkzeugen für die Raumfahrt beschrieb. Fast ein Jahrzehnt später ist der „digital Twin“ wieder einmal das Werkzeug der Wahl, das eine irdische Innovation ermöglicht: die weltweite Evolution von Industrie 4.0 von der Automatisierung zur Autonomie.

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Der Autor: Guido Jouret ist Chief Digital Officer von ABB
Der Autor: Guido Jouret ist Chief Digital Officer von ABB
(Bild: ABB)

Zwar wird die „digitale Transformation“ der Vierten Industriellen Revolution zugerechnet, doch „digital“ ist bereits seit der Dritten Industriellen Revolution auf dem Radar – und zwar in Form von Richtlinien-basiertem Computing, das wie das limbische System der rechten Gehirnhälfte beim Menschen arbeitet. Der Unterschied ist, dass die Digitalisierungstechnologien von heute lernen, adaptieren und Erkenntnisse entwickeln. Damit erlauben sie Branchen zu analysieren, zu agieren und zu optimieren. Die Digital Twin-Technologie ist ein wichtiges Element in dieser Evolution.

Doch was ist ein digitaler Zwilling? Zunächst einmal: Es gibt nicht einen digitalen Zwilling oder den digitalen Zwilling. Potenziell gibt es Milliarden digitaler Zwillinge. Die initiale Definition der NASA trifft auch heute noch zu: „Eine sehr realistische, digitale Simulation eines Objekts oder Systems, das die besten verfügbaren digitalen Modelle, kontinuierliche Sensor-Updates und historische Daten nutzt, um den Lebenszyklus des Zwillings in der realen Welt zu spiegeln. Der digitale Zwilling verhindert Beschädigungen oder Abnutzung, indem er Veränderungen im Nutzungsprofil vorschlägt. Damit unterschützt er den Erfolg der Mission.“

Auf den ersten Blick erscheint dies sehr einfach zu sein – bis die Vielzahl der unterschiedlichen Branchen aufgezählt wird, die von den Möglichkeiten eines digitalen Zwillings profitieren können. Dazu gehören Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Landwirtschaft, Automotive und Transport, Elektronik, Maschinenbau, Bergbau, Energieerzeugung und -versorgung, Finanzdienstleistungen, Pharma- und Gesundheitsindustrie, Behörden, Retail, Architektur sowie die Konsumgüter-Industrie.

Anders gesagt: Fast alle Branchen profitieren von dieser Technologie. Innerhalb dieser Industrien werden digitale Zwillinge für eine Vielzahl von verschiedenen Aufgaben eingesetzt, darunter die Dokumentation des Lebenszyklus, 3D-Darstellung, Simulation, Datenmodellierung, Modell-Synchronisierung, Visualisierung, Monitoring, vernetzte Analysen sowie Kontrolle. Die Leistungsfähigkeit digitaler Zwillinge wird deutlich, wenn man sich die Vielzahl unterschiedlicher Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie anschaut. Dies ist ein wichtiges Element der Industrie 4.0-Evolution von der Automatisierung hin zur Autonomie.

Was genau mit Autonomie gemeint ist

Digitale Zwillinge sind zwar wichtig, aber nur ein Teil der Evolution hin zur Autonomie. Genauso wichtig dafür sind künstliche Intelligenz und Expertise des Bereichs. Im Fall von autonomen Fahrzeugen – Automobilen, LKW, industriellen Robotern, Bergbau-Maschinen, Drohnen, etc. – ist es gefährlich, Künstliche Intelligenz (KI) in der realen Welt zu trainieren. Bestes Beispiel dafür ist der tödliche Unfall eines Fußgängers, der durch ein autonomes Uber Fahrzeug 2018 in Tempe, Arizona (USA) verursacht wurde. Aus Gründen der Sicherheit, aber auch der Effizienz, sollte KI in einer virtuellen Welt über digitale Zwillinge trainiert werden. Nvidia hat kürzlich ein solches Open Source, Cloud-basiertes virtuelles „Testgelände“ für autonome Fahrzeuge angekündigt. Damit sind Unternehmen in der Lage, KI in Tausenden unterschiedlichen virtuellen Modellen über Millionen von Szenarien hinweg zu trainieren – und zwar ohne „in real life“ (IRL, im realen Leben) Präsenz und ohne mögliche Unfälle.

In einer futuristischen virtuellen Welt hört sich Gebietssachkenntnis nach einer Vorgehensweise aus dem 19. Jahrhundert an. Ist das Word „Erfahrung“ vielleicht schon überholt? Allerdings ist die Kenntnis des Sachgebiets die geheime Zutat für Autonomie. Erfolgreiche Industrieunternehmen und ihre smarten Hardware- / Software-Partner haben gelernt, in unterschiedlichen Umgebungen und Konditionen zu arbeiten. Die Kombination aus der richtigen Digital-Twin-Technologie, immer intelligenterer und besserer KI sowie einer umfangreichen Kenntnis des Segments beschleunigt die Evolution hin zur Autonomie.

Industrielle Autonomie ist aber nicht binär, schwarz oder weiß, ja oder nein. Es gibt fünf Schritte auf diesem Weg:

  • 1. Von Menschen gesteuert
  • 2. Von Menschen gesteuert, unterstützt von Maschinen
  • 3. Von Maschinen gesteuert, aber durch Menschen unterstützt
  • 4. Von Maschinen gesteuert, aber durch Menschen verwaltet
  • 5. Komplett von Maschinen kontrolliert

Sobald eine Industrie oder eine Maschine den fünften Schritt erreicht, reduziert sich die Zahl der benötigten menschlichen Mitarbeiter. Sie sind nicht mehr „in the loop“ – hierzu gehört das Triggern automatisierter industrieller Events, auch von einem Kontrollraum – sondern „on the loop“. Sie sind dann Teleoperator, die immer autonomere Aktivitäten aus der Ferne kontrollieren und diese korrigieren oder widerrufen können.

Autonomie wird bald über einen eigenen Moore‘s Law ähnlichen „Autonomie Quotienten“ (AQ) verfügen. Er definiert die Anzahl der menschlichen Mitarbeiter, die zum sicheren und effizienten Betrieb autonomer Maschinen und Prozesse notwendig sind. Wird dies eine Person für zehn autonome Fahrzeuge sein? Oder eher eine für 100 autonome Prozesse? Oder einer für 1.000? Je höher der AQ, desto höher die Autonomie.

Der Wert digitaler Zwillinge

Die ABB Definition von digitalen Zwillingen ist einfacher als die der NASA: eine „digitale Reflektion eines physischen Asset“ – zumindest bis man realisiert, dass jedes industrielle Objekt in jeder Produktionsstätte seinen eigenen digitalen Zwilling hat. Jeder dieser digitalen Zwillinge hingegen verfügt über verschiedene Status für Planung, Design, Betrieb, Wartung, Analyse, Daten, Anwendung etc. für jedes einzelne Objekt. Darüber hinaus sind die digitalen Zwillinge in verschiedene Aufgaben über eine Vielzahl von Industrien hinweg volviert.

Momentan befinden sich geschätzt 7,5 Milliarden potenzielle digitale Zwillinge im Einsatz. Der höchste Wert ließe sich erziele, wenn die digitalen Zwillinge ihre Daten mit allen anderen digital Twins teilen würden – und zwar in einer offenen, interoperablen und Anbieter-unabhängigen Art und Weise.

Der Sinn des digitalen Zwillings besteht darin, alle Funktionen vollständig digital und kollaborativ im Lebenszyklus aller industriellen Prozesse über mehrere Unternehmen hinweg ohne Daten-, Analyse- und Zeitverlust zu halten. Digitale Zwillinge bieten in verschiedenen Phasen unterschiedliche Fähigkeiten, ihre Hauptaufgabe besteht aber darin, Übergaben von einer Stufe zur nächsten und zwischen Unternehmen zu ermöglichen – und zwar ohne Zeit- und Budgetverluste. Digitalisierungsinseln reichen nicht aus, um Autonomie zu erlangen. Digitale Zwillinge sind das Bindeglied zwischen Automatisierung und Autonomie.

ABB hat beispielsweise fast die Hälfte der Zeit für den Bau eines Umspannwerks eingespart, indem es in jeder Phase digitale Zwillinge einsetzte. Dazu gehörten die Planung, das Design sowie der Bau des Werks. Digitale Zwillinge für den Betrieb und die Wartung kommen später ins Spiel.

Vor dem Einsatz digitaler Zwillinge dauerte es 18 Monate, ein Umspannwerk in Betrieb zu nehmen. Die reine Konstruktionsdauer lag aber nur bei vier Monaten. Vierzehn Monate flossen in die Kommunikation zwischen dem Energieversorger, dem Maschinenbau-Unternehmen usw. Jedes der beteiligten Unternehmen digitalisierte seinen Input, die anderen Firmen druckten diesen aus, bearbeiteten ihn, digitalisierten dies wieder und sendeten die Änderungen an alle Beteiligten – so ging es immer weiter. Digitale Zwillinge für Planung, Design und Konstruktion ermöglichten es, 14 Monate auf sieben zu reduzieren und 60 Prozent an Kosteneinsparungen zu realisieren. Das Umspannwerk wurde in elf Monaten anstelle von 18 Monaten gebaut. Auch die Betriebs- und Wartungsarbeiten sind nach der Inbetriebnahme des Umspannwerks einfacher, da kollaborative digitale Zwillinge direkt in alle Funktionen des Werks integriert sind.

Digitale Zwillinge ermöglichen Technologie-Plattformen – weltweit

Der Wert von digitalen Zwillingen besteht darin, eine kollaborative globale Technologieplattform zu schaffen – und zwar nicht nur von einem einzigen Unternehmen, sondern von allen. Damit lassen sich alle Funktionen jedes Industrieobjekts während seines gesamten Lebenszyklus digital speichern, darstellen und teilen. Darüber hinaus interagiert es mit jedem anderen Objekt, Prozess und jeder Person, mit der es in Kontakt kommt. Kombiniert mit KI, der Vertrauen geschenkt werden kann (d. h. die sicher, fair und ethisch ist) und einer hohen Fachkompetenz, ist dies die digital transformierte, autonome Welt der Industrie 4.0.

Digitale Zwillinge sind für eine neue Generation von Robotern notwendig, die dort eingesetzt werden, wo Menschen oder andere Hardware nicht helfen können. So kontrolliert beispielsweise ein „Data Center Sheriff“ die endlosen Racks von Cloud-Service-Server-Farmen. Er findet fehlerhafte Server und ersetzt sie. Ein „Motor-Crawler“-Roboter arbeitet innerhalb eines Motors. Er repariert und wartet in zu engen und für den Menschen gefährlichen Räumen. Ein Roboter „Transformatortaucher“ spart die Kosten für das Entleeren von Öl in einem tiefen Unterwassertransformators. Gleichzeitig identifiziert er den zu reparierenden Bereich und füllt das Öl anschließend wieder auf. Ein Drohnen-ähnlicher „Pflanzen-Hubschrauber“ kann starten und dorthin fliegen, wo es Schwierigkeiten gibt und Reparaturen durchzuführen. Sie alle benötigen digitale Zwillinge ihrer Arbeitsumgebungen in ihrem kybernetischen Gehirn.

Dies alles klingt zunächst einmal sehr mechanisch, hat aber in Wirklichkeit viel mit Menschen zu tun. Digital-Twin-fähige Autonomie macht die Arbeit der Menschen „on the loop“ wertvoller. In der Vergangenheit musste eine Person – beispielsweise im Jahr 1910 – in einem Kontrollraum ein Auge auf eine Handvoll Zifferblätter haben. In den 1990er-Jahren beobachteten die Menschen Hunderte davon und versuchten, sie zu kontrollieren. Heute gibt es Tausende von Geräten, die in einem einzigen industriellen Kontrollraum angemeldet sind. Viele Mitarbeiter sind dadurch ausgelaugt. Das Ergebnis sind Frühpensionierungen aufgrund der hektischen Kontrollraum-Industrien wie Öl und Gas, Versorgungsunternehmen, Transport und Bergbau. Aufgrund von steigenden Autonomy-Quotient-Bewertungen von Fahrzeugen, Maschinen und Prozessen werden die Menschen „on the loop“ bald völlig überlastet sein. Der Grund ist die kontinuierlich wachsende Masse an Echtzeit-Daten und die strategischen Verantwortlichkeiten durch autonome Objekte. Die verantwortlichen Mitarbeiter benötigen Unterstützung in allen Phasen der industriellen Aktivität.

Während sich Industrie 4.0 von der Automatisierung in Richtung Autonomie entwickelt, wird ein Großteil dieser Hilfe für die Mitarbeiter von digitalen Zwillingen kommen – ergänzt durch KI- und Fachkenntnisse. Dies ist dann ein integraler Bestandteil des Arbeitsplatzes, sie dienen und koexistieren gemeinsam mit den menschlichen Mitarbeitern. Die Menschen sind für die Personen, die diese Worte im Jahr 2019 lesen, von unschätzbarem Wert. Künftig benötigen sie aber immer umfassendere digitale Darstellungen der autonomen industriellen Welt, um ihre Arbeit effektiv auszuführen. Dies wird dem Begriff „digitaler Zwilling“ eine neue, humanere Bedeutung verleihen.

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