Digitaler Zwilling: Was wird tatsächlich abgebildet?

Ein Zwilling kann eine einzelne Anlage abbilden, ein Produkt über seinen Lebensweg begleiten oder den Ablauf eines Betriebs beschreiben. Welchen Nutzen er bietet, hängt davon ab, welcher Ausschnitt der Wirklichkeit dargestellt wird und wie diese Darstellung mit der Arbeit verbunden ist. Dabei ist der digitale Zwilling vom cyber-physischen Produktionssystem zu unterscheiden: Das Produktionssystem umfasst auch die physische Erfassung, Kommunikation und Steuerung.

Produkt, Anlage und Betrieb haben unterschiedliche digitale Zwillinge

Für die praktische Einordnung lassen sich drei Perspektiven unterscheiden. Diese Einteilung richtet sich nach dem betrachteten Gegenstand. Sie ist keine abschließende Typologie aus einer Norm.

Produktzwilling: Im Mittelpunkt steht ein Produkt oder eine einzelne Produktinstanz. Herkunft, Herstellung, Materialeigenschaften und Veränderungen lassen sich auf dieses Produkt beziehen.

Anlagenzwilling: Sein Gegenstand ist eine Maschine oder technische Anlage. Er beschreibt Komponenten, Betriebszustände, Messwerte und gegebenenfalls technische Modelle des Anlagenverhaltens.

Betriebszwilling: Hier stehen ausgeführte Tätigkeiten und ihre Zusammenhänge im Mittelpunkt. Aufgaben, Materialien, Chargen, Personen, Vorgaben, Messwerte und Ergebnisse werden als zusammenhängender betrieblicher Verlauf betrachtet.

Ein Beispiel zeigt die Unterschiede.

In einem Fertigungsbetrieb wird die fiktive Charge CH-742 an der Anlage AN-06 bearbeitet. Bei einer vorgesehenen Messung fällt ein Wert auf. Die zuständige Person muss klären, was dieser Befund bedeutet.

Der Produktzwilling kann zeigen, welche Materialien und Herstellungsschritte zu CH-742 gehören.

Der Anlagenzwilling kann Auskunft über erfasste Betriebszustände von AN-06 während der Bearbeitung geben.

Der Betriebszwilling zeigt den Arbeitszusammenhang: Welche Anweisung galt? Wer führte die Messung aus? Welches Ergebnis wurde festgehalten? Welche Prüfung und Entscheidung folgten?

Die drei Perspektiven ergänzen sich. Sie beantworten unterschiedliche Fragen zum selben Vorgang.

Nicht jede digitale Darstellung besitzt dieselbe Kopplung

Kritzinger und Mitautoren unterscheiden drei Stufen der Verbindung zwischen einem physischen System und seiner digitalen Repräsentation. ^[2]

Bei einem Digital Model findet kein automatischer Datenaustausch statt. Ein Digital Shadow übernimmt Daten automatisch vom physischen in das digitale System. Beim Digital Twin im engeren Sinn erfolgt der automatische Austausch in beide Richtungen.

Diese Einteilung beschreibt den technischen Kopplungsgrad. Sie sollte nicht mit jeder Verwendung des Begriffs „digitaler Zwilling“ gleichgesetzt werden.

Ein Betriebszwilling kann über Aufgaben, Prüfungen, prozessabhängige Sperren und nächste Schritte auf die Ausführung zurückwirken. Neue Ergebnisse aktualisieren das digitale Abbild; daraus ergeben sich nach den festgelegten Prozessregeln weitere Aufgaben oder notwendige Prüfungen.

Der Rückweg kann über die angeleitete Person führen. Sie erhält den Arbeitskontext, erfasst neue Informationen und trifft die fachlich vorgesehenen Entscheidungen. Das System führt den Ablauf entsprechend dem eingerichteten Prozess fort.

Das ist ein Betriebszwilling mit menschengeführter Rückkopplung. Damit ist nicht behauptet, dass die strenge Kategorie eines automatisch bidirektional gekoppelten Digital Twin nach Kritzinger erfüllt wird. Eine selbstständige Maschinensteuerung wird ebenfalls nicht vorausgesetzt.

Objekte, Ereignisse und Beziehungen bilden den Betriebszwilling

Ein Betriebszwilling besteht nicht nur aus Datenfeldern. Er benötigt unterscheidbare Objekte, erfasste Vorgänge und Beziehungen zwischen ihnen.

Bei CH-742 gehören dazu die Materialcharge, die Anlage AN-06, die ausgeführte Messaufgabe, die verwendete Arbeitsanweisung und das Ergebnis.

Ein Kontextmodell beschreibt, welche dieser Beziehungen für die konkrete Aufgabe relevant sind. Der Bezug zwischen Messung und Probe ist beispielsweise etwas anderes als der Bezug zwischen Anlage und Produktionsauftrag.

Prozessereignisse halten fest, welche Handlung ausgeführt oder welcher Zustandswechsel erfasst wurde. Ein geplanter Messschritt ist dabei nicht dasselbe wie seine bestätigte Durchführung.

Bei einer späteren Untersuchung kann Data Lineage zeigen, wie ein Ergebnis aus seinen Quellen und Verarbeitungsschritten hervorgegangen ist und welche weiteren Informationen davon abhängen.

Für CH-742 entsteht so eine zusammenhängende Sicht auf den auffälligen Messwert und die darauf folgenden Tätigkeiten. Sie muss nicht aus voneinander unabhängigen Listen nacherzählt werden.

Der Nutzen liegt in Rückverfolgung, Vergleich und gezielter Prüfung

Ein digitaler Betriebszwilling hilft vor allem bei drei betrieblichen Aufgaben.

Herkunft nachvollziehen. Zu einem auffälligen Ergebnis lassen sich die dokumentierten Eingaben, verwendeten Materialien und ausgeführten Schritte untersuchen. Bei CH-742 kann der Betrieb vom Messwert zur betreffenden Aufgabe und ihren Grundlagen zurückgehen.

Durchläufe vergleichen. Sind mehrere Chargen anhand vergleichbarer Ereignisse erfasst, werden Unterschiede in Reihenfolgen, Wartezeiten, Prüfungen und Ergebnissen untersuchbar. Die Analyse von Prozessvarianten zeigt unterschiedliche Ausführungswege. Process Mining kann solche Unterschiede anhand der aufgezeichneten Abläufe systematisch untersuchen.

Prüfungen vorbereiten. Wer über eine Abweichung oder Freigabe entscheidet, benötigt den betroffenen Gegenstand, die geltenden Vorgaben, die Ergebnisse und die noch offenen Fragen. Der Betriebszwilling führt die erfassten Bezüge zusammen und unterstützt so die fachliche Bewertung.

Bei CH-742 lässt sich beispielsweise erkennen, ob nach dem auffälligen Messwert eine erneute Prüfung angeordnet wurde, wer sie durchgeführt hat und welcher weitere Schritt daraus entstanden ist.

Die Kosten bestimmen Datenumfang, Anbindungen und laufende Pflege

Die Kosten eines digitalen Zwillings entstehen aus seinem vorgesehenen Einsatzbereich.

Ein Anlagenabbild mit wenigen Zustandswerten benötigt andere Daten und Schnittstellen als ein Betriebszwilling, der Chargen, Materialien, Arbeitsanweisungen, Geräte und Entscheidungen verbindet.

Wesentliche Aufwandstreiber sind die Auswahl und Identifikation der betrieblichen Objekte, die erforderliche Erfassungstiefe, die Integration vorhandener Systeme, die Einrichtung der Arbeitsabläufe sowie die Pflege von Regeln und Schnittstellen.

Auch die Übernahme vorhandener Daten kann Aufwand verursachen. Entscheidend ist dabei, welche historischen Informationen weiterhin benötigt werden und ob ihre Herkunft ausreichend nachvollziehbar ist.

Für CH-742 wäre zunächst zu bestimmen, welche Material-, Anlagen- und Aufgabenbezüge zur Untersuchung eines Messbefunds erforderlich sind. Erst aus diesem konkreten Bedarf lässt sich der Einführungsaufwand sinnvoll ableiten.

Die Aussagekraft endet an den Grenzen der Erfassung

Ein Betriebszwilling kann nur Zusammenhänge zeigen, die dokumentiert oder aus einer ausdrücklich bezeichneten Grundlage abgeleitet wurden.

Wurde eine Messung nicht erfasst, darf sie nicht als nachgewiesene Handlung erscheinen. Ein gespeicherter Wert belegt für sich genommen weder eine korrekte Messmethode noch die fachliche Richtigkeit des Ergebnisses.

Auch beim Vergleich mehrerer Durchläufe gilt: Eine zeitliche oder statistische Auffälligkeit ist noch kein Nachweis ihrer Ursache.

Der Betriebszwilling ersetzt keine fachliche Prüfung, keine erforderliche Validierung und keine verantwortliche Freigabe. Die menschliche Entscheidung bleibt als eigener Schritt erkennbar.

Ebenso ist der Betriebszwilling von einer Simulation zu unterscheiden. Eine Anwendung kann beides verbinden, doch aus der nachvollziehbaren Abbildung von Prozessabläufen folgt nicht, dass künftige Anlagenzustände oder Produktionsresultate berechnet werden können.

Die Stärke des Betriebszwillings liegt darin, den erfassten Verlauf und seine Grenzen sichtbar zu halten.