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Digital Twins

Grenzenlos vernetzt mit digitalen Abbildern

02/2019 – Die digitalen Abbilder von Zügen, Bahnhöfen und anderen Konzern-Assets sind Teil des Internets der Dinge – und wesentlicher Baustein für eine smarte Digitalisierung bei der Deutschen Bahn.

Das Internet der Dinge (engl. kurz IoT) ist längst mehr als nur ein Trend. Allein bis zum Jahr 2020 werden weltweit mehr als 20 Milliarden Objekte mit dem Internet vernetzt sein. Nach Schätzungen der Unternehmensberatung Deloitte gibt es davon rund 750 Millionen in Deutschland. Diese vernetzten Objekte bilden die Basis für die millionenfache Versorgung von sogenannten Digital Twins mit Daten. Ein Digital Twin ist ein virtuelles Abbild eines physischen Assets, Prozesses oder Systems. Assets bei der Deutschen Bahn können Loks und Güterwagen, aber auch Schienen, Weichen, Bahnhofsuhren oder smarte Mülleimer sein. „Durch die virtuelle Darstellung erhält man Auskunft über den physischen Zustand, zum Beispiel ob ein Mülleimer voll ist oder ob eine Lok bzw. deren einzelne Komponenten defekt oder voll einsatzfähig sind“, sagt Jörn Petereit, Vice President IoT/M2M bei DB Systel. Kurz gesagt: Der Zustand in der physischen, also realen Welt wird in eine digitale Welt übertragen.

Das grundlegende Konzept dafür ist sicher nicht neu, bereits seit mehr als 30 Jahren werden digitale Abbildungen in der Produktentwicklung eingesetzt, zum Beispiel bei 3-D-Renderings, Asset-Modellen und Prozesssimulationen. Der Grund: Mit einem digitalen Twin wird die Machbarkeit von Projekten validiert und sichergestellt. Die NASA setzt zum Beispiel seit Jahrzehnten Digital Twins für die komplexe Simulation von Raumfahrzeugen ein. Doch man muss nicht zu den Sternen greifen: Die Deutsche Bahn nutzt seit vielen Jahren mit BIM (Building Information Modeling) eine Software für die digitale Planung, Realisierung und Bewirtschaftung von komplexen Bauprojekten über den gesamten Lebenszyklus.

Mehr Infos, mehr Nutzen

Im IoT-Kontext werden darüber hinaus Daten aus der digitalen Welt mit den realen Daten in Echtzeit zusammengebracht, was einen ganz anderen Rückfluss an Informationen gewährleistet. Wird zum Beispiel der physische Zustand eines Güterwagens mithilfe von Sensorik erfasst, kann dieser nahezu in Echtzeit in die digitale Welt übertragen werden. So erreicht man eine Transparenz, mit der zum Beispiel die Instandhaltung optimiert werden kann und sich Rückschlüsse auf die Nutzung des Assets ziehen lassen. Bei der Deutschen Bahn gibt es viele Möglichkeiten für den Einsatz potenzieller IoT-Technologien, darunter rund 3.000 Stellwerke, 70.000 Weichen oder 5.400 Bahnhöfe mit unzähligen Anzeigetafeln, Uhren, Fahrstühlen und Rolltreppen. Auch die mehr als 2.500 Loks und 80.000 Güterwagen im Cargo-Bereich, die Züge im Personenverkehr und zahlreichen Instandhaltungswerke bieten eine große Anzahl potenzieller IoT-Endpunkte.

Ich kann mit einem Digital Twin nicht mehr nur fragen: ‚Wo bist du?‘ und ‚Wie geht es dir?‘, sondern auch ‚Wann kommst du an?‘.

Jörn Petereit, DB Systel

Ein Beispiel: In der physischen Welt beschränkt sich der Produktnutzen beim Güterwagen auf den Transport von A nach B. Mit dem digitalen Abbild erhält man darüber hinaus eine Auskunft über Zustand, Laufleistung oder die Beladung. Mehr noch: Das digitale Abbild lässt sich um die kontextbezogenen Informationen unterschiedlicher Datenspender erweitern.

In der Instandhaltung dienen Digital Twins nicht nur als Informationsspender zu Daten des aktuellen Betriebszustandes eines Güterwaggons, sie nehmen ebenfalls die Rolle des Enablers für zahlreiche Analytics-Lösungen ein.

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Der Clou: Die benötigten Daten existieren in den meisten Fällen schon. Sensoren übermitteln bereits Daten von Zügen und anderen Assets. Mit dem digitalen Twin werden relevante Informationen verknüpft, durch die Kombination einzelner Werte wird die Aussagekraft in Echtzeit erhöht. In Verbindung mit Daten aus Bestandssystemen wie zum Beispiel Fahrplandaten, Geodaten oder Sensoren an Brücken, die die Durchfahrt eines Zugs registrieren, lässt sich beispielsweise automatisch die genaue Ankunftszeit eines Zugs ermitteln. Diese prognostizierte Ankunftszeit wird an das virtuelle Abbild des Zugs angeheftet. „Damit erhöht sich der Produktnutzen des physischen Assets“, erklärt Jörn Petereit. „Ich kann den Güterwagen, beziehungsweise seinen digitalen Zwilling, nicht mehr nur fragen: ‚Wo bist du?‘ und ‚Wie geht es dir?‘, sondern auch ‚Wann kommst du an?‘. Digital Twins ermöglichen die Erzeugung eines inkrementellen Produktnutzens, da dieser in Zukunft vermehrt digital bzw. softwaregetrieben entsteht.“

Ein Zwilling kommt selten allein

Der digitale Wert eines Assets wird durch den Digital Twin höher als der physische. Der Grund: Mit dem digitalen Zwilling werden zum einen die Transparenz und die Diagnosemöglichkeit erhöht, zum anderen wird der Vergleich zwischen dem realen Asset und dem erweiterten digitalen Abbild immer besser. Das erlaubt bei jedem einzelnen Twin Rückschlüsse auf optimale Betriebsparameter und bietet Mehrwerte im Bereich der Effizienz. Spannend wird es, wenn alle digitalen Twins als Teil eines Ökosystems betrachtet werden, da damit die Interaktion der digitalen Zwillinge untereinander ermöglicht wird. Beispielsweise der Zug in Verbindung mit der Schiene und dem Instandhaltungswerk. Grundlage für dieses Ökosystem ist die DB IoT Cloud.

Das Digital Twin-Ökosystem als Basis der intelligenten Digitalisierung. Durch die Vereinbarkeit der unterschiedlichen Plattformen und Technologien im DB-Ökosystem werden Datenschätze für Digital Twins übergreifend nutzbar.

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Die Vorteile sind vielseitig: Digital Twins bieten mehr Effizienz, da ein permanentes Monitoring des physischen Assets die Bestimmung optimaler Betriebsparameter ermöglicht und damit einen effizienten Betrieb mit niedrigen Betriebskosten sicherstellt. Zudem wird die Qualität deutlich erhöht, da zusätzliche Daten aus der gesamten Prozesskette zum Beispiel in der Instandhaltung eine umfassende und kontinuierliche Qualitätssicherung gewährleisten. Auch die Risiken werden minimiert: Ein permanentes Monitoring erkennt frühzeitig Anomalien und potenzielle Störungen. „Gegenüber bisherigen konventionellen Lösungen ergeben sich aus der umfassenden Vernetzung deutlich flexiblere Steuerungsmöglichkeiten“, so Jörn Petereit.

In Verbindung mit Analyse-Technologien, künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen werden künftig neue Erkenntnisse über den Digital Twin in den physischen Asset- und digitalen Prozess auf Basis der DB IoT Cloud zurückgespielt. Dieser permanente Kreislauf ermöglicht die Erzeugung eines steigenden digitalen Nutzens über den gesamten Produktlebenszyklus.