• Digitale Zwillinge: Der Weg zur digitalen Reife

    Wenn Sie digitale Zwillinge schaffen oder verwalten, wie können Sie dann die nächste Stufe erreichen?

Digitale Zwillinge: Der Weg zur digitalen Reife

Brian Robins, VP, Product and Industry Marketing

Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Artikels scheint das Thema der digitalen Zwillinge die Fähigkeit zu besitzen, Emotionen zu wecken und Debatten auszulösen, wie wir sie eher aus dem Bereich der Post-Wahrheits-Politik oder des Kontaktsports gewohnt sind. Entweder sind digitale Zwillinge ein Muss für jeden Ingenieursberater mit Selbstachtung; oder sie werden als das neueste glänzende Objekt abgetan, das von der VC-angeheizten "Konstrukteurswut" erdacht wurde. Einerseits sind digitale Zwillinge wichtig genug, um ihren eigenen nationalen Tag der digitalen Zwillinge zu rechtfertigen; andererseits werden die Befürworter der BIM "digital-twin-washing" beschuldigt, so wie sie auch ihre ökologischen Nachhaltigkeitsreferenzen "grün gewaschen" haben, getrieben von der Angst, etwas zu verpassen (FOMO).

Ein Teil des Problems besteht darin, dass digitale Zwillinge in der Infrastruktur so neu sind, dass es unweigerlich und bedauerlicherweise ein gewisses Maß an Positionskämpfen um Definitionen und Terminologie gibt. Dies hat einige Chief Digital Officers dazu veranlasst, eine Art Reinheitstest für digitale Zwillinge anzuwenden. Ein digitaler Zwilling kann nur dann ein digitaler Zwilling sein, wenn ... er im Betrieb eingesetzt wird, wenn er Echtzeit-IoT-Daten enthält, wenn er zur Kontrolle des physischen Assets verwendet wird, wenn er KI und maschinelles Lernen einbezieht, wenn er autonom ist und selbstständig denkt und so weiter. Aber was nützt die Anwendung eines Reinheitstests für digitale Zwillinge, wenn digitale Zwillinge Erkenntnisse liefern und Wertschöpfung und Leistungsverbesserung ermöglichen?

Von den mehr als 500 Einreichungen für die Bentley-Konferenz "Year in Infrastructure 2019" identifizierten fast 25 % ihr Projekt als ein Projekt, das die Innovation bei digitalen Zwillingen fördert oder anstrebt. Dies stellt einen bemerkenswerten Anstieg von Jahr zu Jahr dar und ist ein unbestreitbarer Beweis für die Wertschöpfung. Diese mehr als 125 Projekte erstrecken sich über Branchensegmente, Regionen, Lebenszyklusphasen und Vertragsansätze und stellen eine einzigartige Stichprobe dar, die es zu analysieren und daraus zu lernen gilt. Was sagen sie uns? Was können wir von diesen Weltklasse-Projekten lernen, die unsere Definitionen und Terminologie beeinflussen könnten? Welches waren die Ansätze, Praktiken und Stücke, die zu Wertschöpfung und erfolgreichen Ergebnissen führten?

Die Methoden der digitalen Zwillinge und der digitalen Zwillinge gelten für alle Phasen des Lebenszyklus. Je früher ein Projekt mit dem Gedanken an digitale Zwillinge beginnt, desto reichhaltiger sind die Daten und Erkenntnisse. Digitale Zwillinge dienen vielen Zwecken; es gibt keinen einzelnen digitalen Zwilling. Verschiedene Interessengruppen interagieren mit digitalen Zwillingen aus unterschiedlichen Perspektiven und leiten unterschiedliche Arten von Werten ab.

Viele digitale Zwillinge beginnen mit Reality Modeling und Drohnenerhebungen. Eine digitale Darstellung der Baustelle erleichtert die Visualisierung und wird oft mit immersiven Benutzererfahrungen kombiniert, um ein intuitives Verständnis des Kontexts zu ermöglichen. In der Planungsphase werden digitale Zwillinge eingesetzt, um die Konstruierbarkeit sowie die Reihenfolge und Logistik des Modellbaus nachzuweisen. Dies ist eine sehr beliebte Anwendung von digitalen Zwillingen und bezieht typischerweise die realen Baustellenbedingungen und wechselnde Positionen von Ausrüstung und Materialien mit ein. Es gibt auch ein klares Muster der Wertschöpfung durch digitale Übergaben, bei denen der technische Berater neben dem physischen Vermögenswert auch einen digitalen Vermögenswert geliefert hat. In der Regel war die papierlose Übergabe viel effizienter, führte zu einer Einsatzbereitschaft, die die Benchmarks übertraf, und erhöhte die Kapitalrendite.

Unsere Analyse dieser digitalen Zwillingsprojekte identifiziert drei Merkmale, die für digitale Zwillinge typisch sind: digitaler Kontext, digitale Komponenten und digitale Chronologie. Mit digitalem Kontext meinen wir die Umgebung, das Gelände und den Untergrund; jedes Gut befindet sich irgendwo auf diesem Planeten, und dieser Ort ist oft ein großer Risikofaktor für seine Sicherheit und Widerstandsfähigkeit. Digitale Komponenten ermöglichen es Designern und Ingenieuren, von bewährten, leistungsfähigen Entwürfen zu profitieren und gleichzeitig für die Fertigung und Herstellung zu standardisieren. Mit digitaler Chronologie meinen wir, dass digitale Zwillinge technische Veränderungen im Laufe der Zeit erfassen und eine nachvollziehbare Aufzeichnung darüber liefern, wer was wann geändert hat. Überdeutlich ist auch, dass die meisten digitalen Zwillinge eine Strategie zur Bewältigung der Herausforderungen hinsichtlich Datenqualität und Vollständigkeit hatten. Technische Daten stammen aus verschiedenen, multidisziplinären Anwendungen und erfordern ein hohes Maß an Abgleich, Validierung und Scrubbing, was sich als ebenso mühsam erweisen kann, wie es sich anhört. Die goldene Regel ist es, sicherzustellen, dass die Daten zugänglich sind, mit anderen Worten, dass sie nicht durch proprietäre Formate blockiert werden.

Mit diesem Beispielsatz können wir auch einige Lektionen lernen und einige Schlussfolgerungen zur Reife ziehen. Was macht reife digitale Zwillinge aus?

Hier ist unser Blick auf die Praktiken und Ansätze, die verschiedene Stufen oder Reifegrade von digitalen Zwillingen charakterisieren:

Level 1:

Projekthelden, d.h. Projektleiter oder Geschäftseinheiten tun genug, um wettbewerbsfähig zu sein.

  • Es gibt begrenzte Möglichkeiten aufgrund von papierbasierten und PDF-Workflows
  • 3D-Modelle können existieren, sind aber auf eine einzige Disziplin und einen einzigen Bereich beschränkt
  • Realitätsnetze können existieren, werden aber nicht verwendet, außer für spezielle Anwendungen
  • Änderungen an Vermögenswerten oder damit zusammenhängende Informationen zu Vermögenswerten werden im digitalen Zwilling nicht erfasst

 

Level 2:

Industriegetrieben, d.h. es werden einige Industriestandards verwendet. Standards wie IFC und ISO 19650 werden eingehalten, aber die Lieferung ist immer noch in einer Weise vom WIP getrennt, die diese unproduktiv macht.

 

  • Das Konzept der digitalen Zwillinge ist etabliert, beschränkt sich aber auf neue Modifikationen oder neu erworbene Komponenten
  • Realitätsnetze können existieren, werden aber nicht verwendet, außer für spezielle Anwendungen
  • Standards werden anerkannt / geliefert, aber die nachgeschaltete Verwendung dieser Standardleistungen ist begrenzt
  • Änderungen an Vermögenswerten oder damit zusammenhängende Informationen zu Vermögenswerten werden nicht im digitalen Zwilling erfasst oder in dokumentenbasierten Systemen parallel geführt

 

Level 3:

Projekthelden herrschen immer noch, aber die Corporate Digital Governance wendet eine gewisse Strenge bei der Einführung in andere Projekte an.

  • Es gibt einen digitalen Zwilling, der auf BIM-Modellen der im Bau befindlichen Anlagen basiert, aber nicht gewartet oder aktualisiert wird, um die aktuellen Bedingungen widerzuspiegeln
  • Realitätsnetze können existieren, werden aber nicht verwendet, außer für spezielle Anwendungen
  • Standards werden anerkannt / geliefert, aber die nachgeschaltete Verwendung dieser Standardleistungen ist begrenzt
  • Änderungen an Vermögenswerten oder damit zusammenhängende Informationen zu Vermögenswerten werden nicht im digitalen Zwilling erfasst oder in dokumentenbasierten Systemen parallel geführt
  • Es gibt einige manuelle Verbindungen zwischen den im digitalen Zwilling gespeicherten Informationen und den Betriebs-/Wartungssystemen

 

Level 4:

Die Unternehmensführung ermöglicht eine Abstimmung über alle Projektdatenquellen hinweg. Sowohl Geschäftsabteilungen als auch Geschäftsbereiche ermöglichen einen Instanzenabgleich zur Verbindung von Projekt- und Unternehmensdatenquellen.

 

  • Es gibt einen digitalen Zwilling, der zum Verständnis der Design-Basis von Assets verwendet wird
  • Realitätsmodelle der physischen Assets sind Teil des digitalen Zwillings als Referenz für den Ist-Zustand des Assets
  • Die Mehrzahl der Deliverables und Aufzeichnungen werden weiterhin in dokumentenbasierten Formaten gespeichert, sind aber in irgendeiner Form mit dem digitalen Zwilling verbunden ("Hot Spot")
  • Änderungen an den Anlagen oder damit verbundene Anlageninformationen werden im digitalen Zwilling mit einer gewissen Verzögerung erfasst, aber ohne die Möglichkeit, den Status der Implementierung oder die aktuellen Betriebsbedingungen zu verfolgen

Level 5:

Die Entscheidungsfindung bewegt sich in Richtung digitaler Stakeholder sowie der Visualisierung von aktuellen und Was-wäre-wenn-Ereignissen auf dem kontextfähigen digitalen Zwilling.

  • Ein digitaler Zwilling existiert und wird täglich für die Verwaltung und Modellierung der Leistung von Anlagen verwendet
  • Realitätsmodelle der physischen Vermögenswerte werden erstellt und kuratiert und in den digitalen Zwilling aufgenommen, damit die Benutzer den aktuellen Zustand der Vermögenswerte sehen können
  • Digitale Informationen werden erstellt und mit dem digitalen Zwilling verknüpft, um den vollständigen Zugang zu den für die Überwachung der Anlagenleistung erforderlichen Informationen zu ermöglichen
  • Änderungen an digitalen Zwillingsbeständen und den damit verbundenen Bestandsinformationen werden nahezu in Echtzeit erfasst und sind über die Zeit hinweg nachvollziehbar

 

Wenn Sie der Schöpfer oder Kurator von digitalen Zwillingen sind, wie können Sie auf die nächste Ebene gelangen? Welches sind die Arbeitsbereiche und Arbeitspaketleistungen, die Sie anwenden können? Gibt es eine Blaupause oder einen Rahmen für Ihre Initiativen? Veränderungen sind schwierig. Als Softwareunternehmen konzentrieren wir uns in erster Linie darauf, wie die Technologie der digitalen Zwillinge eingesetzt werden kann, aber es ist wichtig zu betonen, dass Menschen und Prozesse ebenso viel Einfluss auf erfolgreiche Ergebnisse haben wie die technologischen Faktoren.

Hier sind unsere Empfehlungen für Theaterstücke und Übungen, die auf unseren Erfahrungen bei der Implementierung von digitalen Zwillingen für schwere Zivil-/Verkehrsprojekte, Verarbeitungsanlagen und intelligente Städte basieren. Die unten aufgeführten Praktiken basieren auf organisatorischen Fähigkeiten. Eine Organisation kann zwar über einen vollständig intelligenten, anlagengebundenen digitalen Zwilling verfügen, aber sie verfügt möglicherweise nicht über die internen Fähigkeiten, ihn immergrün zu halten, um einen verlässlichen aktuellen Status zu liefern, und ist möglicherweise nicht in der Lage, die nächsten Schritte zu unternehmen. Diese Praktiken erfordern einen mehrstufigen Plan, der nicht nur berücksichtigt, wie der digitale Zwilling eingerichtet und geliefert wird, sondern auch, wie er konsistent gewartet, kuratiert und konsumiert wird. Wenn man zulässt, dass ein digitaler Zwilling veraltet, verliert er natürlich seinen Wert und untergräbt die digitale Strategie einer Organisation.

Methode 1:

Projektgetriebene Methode

Erstellen und Verwalten eines 3D-Modells in einem gemeinsamen Format

 

Festlegung von Standards, Anforderungen, Verfahren und Anleitungen zur Erstellung und Pflege eines Vermögensregisters und anschließende Einführung eines Vermögensregisters

Methode 2:

Industriegetriebene Methode

Erfassung aller neuen Modifikationen und Einrichtungen in einem gemeinsamen Format mit einer gemeinsamen Zuweisung in Übereinstimmung mit den relevanten Anlagenklassifikationen

 

 

Automatisieren Sie die Beziehung zwischen Dokumenten und 3D-Elementen, um Suche und Navigation zu ermöglichen

 

 

 

Identifizieren Sie Einrichtungen und Bereiche, die keine 3D-Modelle oder eingeschränkte Informationen haben

 

Methode 3:

Bewährte Methode

Erfassen Sie ein vollständiges 3D-Realitätsmodell der Anlage oder Einrichtung. Sicherstellen, dass die Realitätsmodelle geokoordiniert sind

 

 

Einführung eines Verfahrens zur Aktualisierung des 3D-Hauptmodells der Anlage

 

 

Implementierung einer Tagging-Strategie, die es ermöglicht, 3D-Elemente mit externen Datenquellen auf einen gemeinsamen Geschäftsschlüssel zu beziehen

 

Methode 4:

Empfohlene Methode

Implementierung von Daten-Ermöglichern, um die Verknüpfung unterschiedlicher Datenquellen zu erleichtern

 

 

Nutzen Sie den digitalen Zwilling für Designprüfungen und Einblicke. Der digitale Zwilling wird mit allen Aktualisierungen in einem gemeinsamen Format gepflegt

 

 

Implementieren Sie Daten-Enabler, um sicherzustellen, dass das 3D-Modell auf der Grundlage mehrerer Kriterien mit Datenquellen verknüpft wird

 

 

Erfassung des Realitätsmodells für "Ist-Zustand", das vom 3D-Modell aus geokoordiniert und klassifiziert wird

 

Methode 5:

Weiterführende Methode

Nutzen Sie den digitalen Zwilling über alle betrieblichen Rollen hinweg für betriebliche und leistungsbezogene Entscheidungen

 

 

Nutzung von IoT-Daten für die zeitgenaue Überwachung und Was-wäre-wenn-Analyse

 

Welchen Wert können Sie erwarten, wenn Sie diese Empfehlungen befolgen und diese Stücke in die Praxis umsetzen?

Ein digitaler Zwilling verändert das Spiel, da er es Ingenieuren ermöglicht, komplexe Konstruktionsprobleme im Kontext der Anlage und ihrer tatsächlichen, realen Umgebung zu lösen. Mit den Worten eines Projektleiters: "Wir schätzen, dass wir durch den Einsatz des digitalen Zwillings bei der Konstruktion Hunderte von Stunden an Konstruktionszeit gespart und ein weitaus besseres Design erzielt haben. Wir verzichteten auf einen Überprüfungszyklus für jedes Freigabepaket der Projektzeichnungen, was Hunderte von Ressourcenstunden einsparte, reduzierten die Notwendigkeit von Vor-Ort-Besichtigungen um die Hälfte und produzierten ein störungsfreies Design. Der digitale Zwilling ermöglichte es unseren Ingenieuren, Probleme effizient zu lösen und sich 100%ig auf die Wirkung ihrer Entwürfe zu verlassen. Von den geschätzten 3.000 physischen Anlagenzeichnungen eliminierten wir 45 % dieser Zeichnungen aus dem Zyklus der ersten Ausgabe, indem wir mit dem Eigentümer gemeinsame Designprüfungen durchführten.

Digitale Zwillinge haben eine breite Anwendung in fortgeschrittenen Entwurfsumgebungen, in denen ein voll funktionsfähiges, zweckgerechtes virtuelles Modell entwickelt wird, das durch die Analyse verschiedener Entwurfsentscheidungen bis hin zur Projekt-/Prototypenphase mit einem im Vergleich zu herkömmlichen Methoden weiterentwickelten Ansatz verbessert werden kann. Nach Aussage des Leiters eines Verkehrsinfrastrukturprojekts "besteht die Innovation nicht nur in einem statischen Design, das eine klar definierte Phase darstellt, sondern auch in einem Modell, das sich im Laufe der Zeit mit dem Bau der Anlage bis hin zum Management der Wartung und der anschließenden Stilllegung weiterentwickelt. Die Aufgabe eines auf diese Weise geschaffenen digitalen Zwillings besteht darin, den Zustand der physischen Anlage zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Arbeitsverwaltungsphase mit dem entsprechenden Grad an Treue darzustellen, mit dem Vorteil, dass Simulationsalgorithmen darauf angewendet werden können, um zu bewerten, wie die physische Anlage durch Veränderung der Betriebsbedingungen reagieren würde. Der digitale Zwilling hat den großen Vorteil, dass er von überall her zugänglich ist, unabhängig davon, wo sich sein physischer Zwilling befindet".

Digitale Zwillinge beweisen die Konstruierbarkeit des Projekts. Bei einem Projekt gibt es einen digitalen Zwilling, der die aktuelle Situation vor Ort repräsentiert und kurz- bis mittelfristig testen soll, dass Materialablageflächen, Menschen, Anlagentrennung und Bauarbeiten nicht kollidieren. Der digitale Zwilling wird dazu verwendet, Optionen aufzuzeigen, damit die Baustellenleiter Entscheidungen auf der Grundlage der tatsächlichen Informationen treffen können. Daraus ergaben sich Anpassungen, um sicherzustellen, dass der Bau möglich war und die Belegschaft ihre Tätigkeiten sicher und nicht unter dem Druck von Sparmaßnahmen durchführen konnte.

Einem Ingenieursberater zufolge "ermöglichen datenzentrische Entwurfsprozesse den virtuellen Bau der Anlage, bevor irgendjemand das Feld betritt.  Wir können die Konstruktion simulieren und die Produktivität an jeder Arbeitsoberfläche optimieren.  Die digitalen Prozesse führten zu einem vollständigen Engineering - keine Ansprüche wegen Auslassungen des Umfangs, und wir sind stolz darauf, dass unsere Nachbearbeitungsraten bei der Konstruktion auf weniger als 2 % gesunken sind. Das ist ein bedeutender Wert für das Projekt und das Geschäft unseres Kunden. Der ultimative Vorteil der digitalen Projektabwicklung besteht darin, dass wir unseren Kunden einen kompletten digitalen Zwilling liefern können, der mit wertvollen Informationen gefüllt ist, die für einen effizienteren und leistungsfähigeren Betrieb der Anlage über Jahrzehnte hinweg genutzt werden können.

Im Betrieb erlebten die Eigentümer eines Kraftwerks eine erhebliche Verbesserung der Gesamtverfügbarkeit und Zuverlässigkeit des Kraftwerks und erzielten durch die Vermeidung unnötiger planmäßiger Wartung Gesamtkosteneinsparungen. Ein kontinuierlich aktualisierter digitaler Zwilling liefert ein voll funktionsfähiges Bild der Zuverlässigkeit und Leistung der physischen Anlagen, das für Inspektionen, Simulationen und Wartungszwecke verwendet wird. Durch die Verwendung des digitalen Zwillings können Betreiber die Anlagen visualisieren, ihren Status überprüfen, Analysen durchführen und Erkenntnisse zur Vorhersage und Optimierung der Leistung gewinnen. Die Kombination von Anlagenmodellen mit einem zuverlässigkeitsorientierten Wartungsansatz hat zu einer Reduzierung der Wartungsaktivitäten um 10 % geführt, wodurch Zwangsausfälle um 25 % verringert und die Anlagenverfügbarkeit um 10 % erhöht werden konnte.
 
Die Eigentümer eines Stahlwerks verwenden einen digitalen Zwilling, um Bedienerschulungen durchzuführen, Notfallsimulationen zu simulieren und Unfälle zu verhindern.  Für den Betreiber eines Wasser- und Abwassernetzes eröffnete der Einsatz eines digitalen Zwillings des Systems Ingenieuren und Technikern die Möglichkeit, die Netze detaillierter und aus verschiedenen Perspektiven zu untersuchen und zu analysieren, mit Möglichkeiten für Tests und Simulationen von Szenarien, die in der realen Welt nicht realisierbar gewesen wären. Insbesondere die Modellierung von Überschwemmungs- und Verschmutzungsereignissen hat sich als leistungsfähige Fähigkeit erwiesen, Maßnahmen einzuleiten, bevor ein potenzieller Schaden eintritt.

Auf der Year in Infrastructure 2019 Konferenz sahen wir einige großartige Beispiele für digitale Zwillinge. Es ist auffallend, wie schnell sich die Landschaft entwickelt und wie viel mehr heute möglich ist als noch vor drei Jahren. Vor allem die Fähigkeit der digitalen Zwillinge, die Entscheidungsfindung zu verbessern und die Entscheidungszyklen zu verkürzen, bedeutet, dass Projekte eher pünktlich und im Rahmen des Budgets abgeschlossen werden können und die Anlagen sicherer und widerstandsfähiger werden. Es gibt zahlreiche Belege dafür, dass digitale Zwillinge auf dem Weg zur Reife sind. Wie werden die digitalen Zwillingsprojekte der Konferenz des Jahres in Infrastruktur 2020 aussehen? Eine sichere Wette ist, dass es mehr Beispiele für digitale Zwillinge mit innovativen Anwendungen des maschinellen Lernens geben wird.