2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 197 Eine Plattform-Infrastruktur für Digital Twins Dr. Ilka May LocLab Consulting GmbH, Darmstadt, Deutschland Zusammenfassung Managed Services und Marktplätze haben das größte Wachstumspotenzial im Zusammenhang mit digitalen Zwillingen. Zu den Hürden für die Einführung dieser innovativen digitalen Technologien gehören jedoch finanzielle Anfangsinvestitionen bei der Erstellung des 3D Contents. Weiterhin werden von Betreibern großer Infrastruktur-Portfolien zunehmend Lösungen für die Aktualisierung, Fortführung sowie sichere Weitergabe und Mehrfachnutzung von digitalen 3D Modellen gefordert, um den Return on Investment zu sichern. Die Firma LocLab hat eine KI-basierte industrielle Produktionsmethode zur Erstellung Digitaler Zwillinge entwickelt. So können Digitale Zwillinge großer Anlagenbeständen effizient und skalierbar erstellt werden. Neu ist die von LocLab entwickelte Plattform „Digital Twin Hub“, eine End-to- End-Lösung, die sich vollständig in vorhandene Systeme integrieren lässt. Offene und standardisierte Schnittstellen ermöglichen es Anlagenbesitzern und -betreibern, ihren Zulieferern und Partnern Anlageninformationen in einer sicheren Cloud-basierten Umgebung gemeinsam zu nutzen und darauf zuzugreifen. 1. Einführung Digitale 3D-Zwillinge lassen sich am besten als digitale und objektbasierte 3D-Modelle beschreiben, die mit datenhaltigen Systemen und Datenbanken, z. B. CAFM, IoT, ERP usw., verbunden werden können. Ein digitaler 3D-Zwilling bietet den räumlichen und intuitiven Kontext, den technische Plätze, Listen oder Dashboards nicht bieten können. Sie ermöglichen daher eine bessere Entscheidungsfindung, vorausschauende Wartung, Szenario Planung, Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeitsplanung viel effizienter als rein alphanumerische Anwendungen. Managed Services und Marktplätze haben das größte Wachstumspotenzial im Zusammenhang mit digitalen Zwillingen. Zu den Hürden für die Einführung dieser innovativen digitalen Technologien gehören jedoch finanzielle Anfangsinvestitionen bei der Erstellung des 3D Contents. Weiterhin werden von Betreibern großer Infrastruktur-Portfolien zunehmend Lösungen für die Aktualisierung, Fortführung sowie sichere Weitergabe und Mehrfachnutzung von digitalen 3D Modellen gefordert, um den Return on Investment zu sichern. Die Firma LocLab ist Teil von Hexagon AB, einem weltweit führenden Anbieter von Digital-Reality-Lösungen, die Sensor-, Software- und autonome Technologien kombinieren. LocLab hat eine KI-basierte industrielle Produktionsmethode zur Erstellung Digitaler Zwillinge mit Schwerpunkt auf Transport- und Energieinfrastruktur entwickelt. So können Digitale Zwillinge großer Anlagenbeständen effizient und skalierbar erstellt werden. Neu ist die von LocLab gemeinsam mit Hexagon entwickelte Plattform „Digital Twin Hub“. Der Digital Twin Hub ist eine End-to-End-Lösung, die sich vollständig in die vorhandenen Systeme integrieren lässt. Offene und standardisierte Schnittstellen ermöglichen es Anlagenbesitzern und -betreibern, ihren Zulieferern und Partnern sowie anderen Unternehmen, Anlageninformationen in einer sicheren Cloud-basierten Umgebung gemeinsam zu nutzen und darauf zuzugreifen. Das Back-End der Plattform bildet die cloud-basierte Plattform HxDR von Hexagon. Die Nutzer der 3D-Modelle können von überall aus auf ihre 3D-Modelle zugreifen, zum Beispiel über Webbrowser, über eine PC-App oder über eine APP für mobile Geräte. Über generische Schnittstellen können Daten aus verschiedenen Systemen und Quellen angebunden werden, z. B. Asset und Facility Management, ERP-Systeme oder IoT-Daten. Der Digital Twin Hub ist als offene Plattform konzipiert: Ein Netzwerk von Partnern wird in der Lage sein, ihre eigenen digitalen 3D-Inhalte hochzuladen, zu aktualisieren, darauf zuzugreifen und sie mit anderen Nutzern oder ihren eigenen Kunden zu teilen dies ist ein bahnbrechender Ansatz mit großem Skalierungspotenzial. 2. Digitaler Zwilling Im Zusammenhang mit der digitalen Transformation ist der Begriff „Digitaler Zwilling“ (eng. digital twin) ein Schlagwort bei der Transformation von Objekten in ein digitales Abbild, unter dem „ein virtuelles Modell z. B. eines Prozesses, eines Produktes oder einer Dienstleistung, was die reale und virtuelle Welt verbindet“ [1] verstanden wird. Digitale Zwillinge sind bereits in vielen Branchen im Einsatz und lassen sich je nach Branche auf unterschiedliche Weise definieren. Nach Hicks Literaturübersicht kann die Definition eines „digitalen Zwillings“ im Allgemeinen wie folgt abgeleitet werden: Ein digitaler Zwilling ist eine Zusammenstellung von abgestimmten nützlichen Informationen (Strukturen, Funktionen und Verhalten) über ein physisches Objekt in einer virtuellen Welt [2]. Er bildet damit alle Elemente eines Objektes so ab, wie sie auch in der realen Welt vorgefunden werden. Es ist ebenso möglich, einen digitalen Zwilling aus Echtzeit-Daten sowie historischen Daten realer Objekte bzw. Systeme zu generieren, um reale Veränderungen über einen Zeitraum virtuell abzubilden und um das 198 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Eine Plattform-Infrastruktur für Digital Twins Verhalten eines Objektes zu simulieren. Auf Basis dieser Simulation können Erkenntnisse und Prognosen abgeleitet werden, die sich in der Realität anwenden lassen. Beispielsweise kann anhand eines digitalen Zwillings eine Fertigungsmaschine und deren Ablauf virtuell dargestellt werden, um einen Produktionsprozess zu analysieren und zu optimieren [3]. 2.1 BIM und der Digitale Zwilling Im Zuge der zunehmenden Digitalisierung des Bausektors werden zunehmend digitale, objekt-basierte 3D Modelle generiert und nach Abschluss einer Baumaßnahme an die Betreiber übergeben. In dem Zusammenhang ist eine Begriffsverwirrung festzustellen zwischen BIM Modell, Asset Information Model, Digital Twin und ähnlichen Begriffen. Hilfreich ist da die leicht zu vermittelnde Unterscheidung nach Grieves und Vickers [4] in einen digitaler Zwillingsprototyp (Digital Twin Prototype, „BIM Modell“) und digitale Zwillingsinstanz (Digital Twin Instance). Beim digitalen Zwillingsprototyp handelt es sich um einen prototypischen Entwurf eines Objektes. Dieser enthält alle nötigen Informationen und Spezifikationen, um eine physische Version des virtuellen Objektes herzustellen. Das digitale Abbild dient hierbei also als Vorlage und existiert zeitlich vor dem physischen Objekt. Im Gegensatz dazu ist eine digitale Zwillingsinstanz die virtuelle Repräsentation eines bereits existierenden physischen Objektes, dessen Eigenschaft sie beschreibt und in einem strukturierten Datenmodell abbildet. Ebenso wichtig wie die Unterscheidung zwischen Prototyp und Instanz ist aber auch eine Gemeinsamkeit zwischen BIM und dem Digitalen Zwilling - der Objektbezug. Beide, das BIM Modell und die Digitale Zwillingsinstanz haben einen Objektbezug. Dadurch unterscheidet sich das BIM Model vom 3D CAD Modell und die Digitale Zwillingsinstanz von der Punktwolke, dem 360° Panoramabild oder der Dreiecksvermaschung. Der Objektbezug ermöglich die oben genannten Eigenschaften des Digitalen Zwillings zur Simulation, Analyse, Optimierung oder Datenintegration über den gesamten Lebenszyklus von Planung, Bau, Betrieb und Rückbau. 3. Der Lebensraum des Digitalen Zwillings Mit der Einführung von BIM in die Welt des Planen und Bauens haben sich neue Begriffe etabliert. Dazu gehört die Common Data Environment (CDE), also die gemeinsame Datenumgebung. Gemeint ist damit, dass während eines Bauprojekts alle Projektdaten, also Dokumente, Modelle, Berechnungen, Berichte, etc., auf einer Plattform in einem geregelten und standardisierten Prozess verwaltet und gemeinsam genutzt werden können. Nach Ende des Projekts, wenn das Bauwerk in den Betrieb übergeben wird, gehen auch die Daten und Modelle von der CDE in ein Betreibersystem über. Hier beginnt für viele Anlagen- und Bauwerksbetreiber das Problem, denn ihre Betriebs- und FM Systeme sind nicht für 3D Modelle ausgelegt. Die Frage nach der Integration von Digitalen Zwillingen in eine bestehende Systemlandschaft von ERP, CAFM, IoT und DMS wird immer drängender. 3.1 Anforderungen an eine Plattform für Digitale Zwillinge Es sind maßgeblich drei Dinge, die den (Mehr-)wert eines digitalen Zwillings beeinflussen: 1) die Datenkonnektivität, 2) die Anzahl der Anwendungsfälle und 3) die Anzahl der Nutzer. Entsprechend können die Anforderungen an eine Plattform zur Verwaltung und Nutzung von Digitalen Zwillingen folgendermaßen zusammengefasst werden: • Ein sicherer Hosting-Service für alle 3D-Modelle, wobei die Anlagendaten in ihren Originalsystemen (z. B. ERP, FM, usw.) bleiben • Zugang zu den 3D Modellen von verschiedenen Endgeräten (Desktop, Tablet, Mobile) • Intuitive und integrative Anwendung für den Zugriff auf alle Anlagendaten, ohne dass eine Softwareinstallation erforderlich ist • Kollaborative Lösung mit der Flexibilität, eigene Simulationen durchzuführen • Unterstützung bei der Modelloptimierung durch Dritte • Möglichkeit, eigene BIM- und CAD-Modelle hochzuladen • Möglichkeit, Daten zu ändern (Parameter, Geometrie, Verhalten, etc.) • Fähigkeit zur Datenintegration • Möglichkeit, verschiedene Anwendungsfälle auszuführen (Einbeziehung von Interessengruppen, Schulung, Asset- und Facility-Management) Um die vorgenannten Nutzeranforderungen zu erfüllen, arbeiten zwei Entwicklungsteams von LocLab und Hexagon an einer Erweiterung der bestehenden Plattform HxDR, welche besonders auf die Belange von objekt-basierten Vektormodellen ausgelegt ist. 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 199 Eine Plattform-Infrastruktur für Digital Twins Abb. 1: Übersicht 3D Modellformate und Plattformen (eigene Darstellung) Die LocLab Cloud, basierend auf HxDR, weist folgende Eigenschaften auf, die das Verwalten, Teilen, Nutzen und Aktualisieren von Digitalen Zwillingen fördert: • End-to-End-Lösung für digitale 3D-Zwillinge • Eine zentrale Plattform für Zugriff, Nutzung, Verwaltung, Bearbeitung und Überwachung von digitalen 3D-Zwillingen, die mit anderen Plattformen und Systemen kommuniziert und Daten verlinkt • Offene Plattform • Ein Netzwerk von Partnern wird in der Lage sein, ihre eigenen digitalen 3D-Inhalte hochzuladen, zu aktualisieren, darauf zuzugreifen und sie mit anderen Benutzern oder ihren eigenen Kunden zu teilen • Vollständige Datenintegration • Datenverbindung mit verschiedenen bestehenden Systemen über generische Schnittstellen, z. B. Asset- und Facility-Management, ERP-Systeme oder IoT-Daten. • Zugänglichkeit von verschiedenen Gadgets • Die Nutzer der 3D-Modelle können von überall aus auf ihre 3D-Modelle zugreifen, z. B. über Webbrowser, APP (PCs und Mobiltelefone) • Autorisierung • Es können verschiedene Rollen vergeben werden, von denen die einzelnen Berechtigungen bzw. Zugriffsrechte abhängen. • Offene und standardisierte Schnittstellen • Ermöglicht Nutzern und ihren Netzwerken die gemeinsame Nutzung und den Zugriff auf Asset-Informationen durch digitale 3D-Modelle in einer sicheren, cloudbasierten Umgebung. 3.2 Plattformarchitektur Die Architektur der Digital Twin Cloud besteht aus einem Back-End und einem Front-End, welche über eine API- Gateway verbunden sind. Das Front-End wird für die Bearbeitung von Digital Twins deren Verhalten oder ganze Szenarien von Digital Twins durch Kunden und Partner verwendet. Dazu gehört z. B. Zwillinge teilen, Verknüpfung von Daten, Programmierung von Modell-Aktualisierungen, usw.. Das Back-End besteht aus Cloud-basierten Microservices, die die Benutzer- und Zugangsverwaltung, das Speicherung von 3D-Inhaltsbibliotheken sowie die Bereitstellung von Shop- und Bezahlsystemen ermöglichen. Alphanumerische Kundendaten, z. B. aus den ERP-Systemen der Kunden, sowie Metadienstdaten, z. B. meteorologische Daten, werden nur abgerufen, verarbeitet und zurückgesendet, sind aber im Back-End des Digital Twin Hub nicht persistent, wodurch die Integrität der Daten gewährleistet wird. 200 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 Eine Plattform-Infrastruktur für Digital Twins Abb. 2: Konzept und Architektur 4. Potenzial und Herausforderungen Es gibt eine schnell zunehmende Zahl von Plattformen und Anbietern, die mit ähnlichen Konzepten werben: der totalen Interkonnektivität innerhalb eines Produktionszyklus beteiligter Unternehmen. Über die Cloud sollen beteiligte Unternehmen technische Details von Produkten und Prozessen innerhalb anderer Unternehmen, die in dem eigenen Produktionsprozess beteiligt sind, einsehen können. Dies soll gewährleisten, dass sich die Optimierung durch digitale Zwillinge nicht nur auf die eigene Produktion beschränkt. So kann ein Hersteller von Autos z. B. Einblicke in die Produktion und Anlieferung von Einzel-teilen, sowie den Verkauf des Endprodukts einsehen und gegebenenfalls auch an externer Stelle Optimierungen vornehmen. Größere Unternehmen profitieren auch durch die interne Vernetzung. Bezogen auf die Verkehrsinfrastruktur wird zunehmend das Potenzial des räumlichen Kontext für Asset Management und Betriebsanforderungen erkannt. Viele Betreiberorganisationen haben längst begonnen, ihren Anlagenbestand nicht nur alphanumerisch, sondern auch geometrisch digital abzubilden und zu verwalten. Damit sich Plattformlösungen durchsetzen, müssen u. a. folgende Herausforderungen gelöst werden: • Fehlender 3D Content Für fast alle Plattformbetreiber ist der fehlende Content die größte Herausforderung. Die Anzahl der BIM Modelle, die aus Planungs- und Bauprojekten an den Betrieb übergeben werden, ist im Vergleich zum Anlagenbestand verschwindend gering. Einen großen Anlagenbestand zu digitalisieren, ist noch immer teuer und aufwändig. Hier wird sich zeigen, wie sehr KI und andere Technologien die Automatisierbarkeit und damit die Skalierbarkeit in den kommenden Jahren verändern werden. • Fehlende Standards Es gibt aktuell keine Standards, mit denen die Qualität einer Digitalen Zwillingsinstanz eindeutig spezifiziert werden kann. Häufig wird auf Standards und Beschreibungen aus der BIM Planung zurückgegriffen, die aber nur bedingt anwendbar sind, wie beispielsweise das Level of Development (LOD), was die Entwicklungsreife einer Planung angibt. Dringend standardisiert werden sollten Angaben zur Positionsgenauigkeit („LoA“, Level of Accuracy), zur Objektgranularität („LoD“, Level of Detail) und zum Grad der Generalisierung („LoG“), also der Anzahl und Größe von Polygonen, die eine Fläche darstellen. Neben Texturen und Formaten nehmen diese vorgenannten Qualitätsstandards einen großen Einfluss auf die Kosten bei der Erstellung von Digitalen Zwillingen und damit auf die bereits genannte Herausforderung des fehlenden Contents. • Fehlende generische Schnittstellen Ein weiteres großes Hemmnis bei der Verbreitung cloud-basierter Lösungen sind die fehlenden generischen oder auch wiederholbaren Schnittstellen zwischen 3D Modellen und anderen Systemen. Aus technischer Sicht ist es wichtig, dass die Daten vom Zwilling aus in standardisierter Form übertragbar sind, sodass Programme, die auf unterschiedlicher Basis laufen, unter den gleichen Voraussetzungen damit hantieren können. Dies erfordert, dass Objekte im 3D Modell mit technischen Plätzen, IDs, Objektnamen oder ähnlichem in anderen Datensystemen gemappt werden. Solange dies ein Vorgang ist, der für jede Integration spezifisch und einmalig durchgeführt und implementiert werden muss, ist eine durchgreifende Skalierung nicht in Sicht. LocLab und Hexagon arbeiten mit einigen führenden Herstellern von ERP Systemen zusammen, um solche generischen Schnittstellen zu entwickeln und offenzulegen. • Fehlendes Geschäftsmodell Nicht zuletzt sind für die cloud-basierten Lösungen Geschäftsmodelle zu entwickeln, die eine weit verbreitete Nutzung unterstützen. Als klassische Lizenzmodelle sind diese Geschäftsmodelle technisch noch recht einfach umsetzbar, fördern aber nicht unbedingt 2. Fachkongress Digitale Transformation der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2023 201 Eine Plattform-Infrastruktur für Digital Twins die Adoption und Skalierung. Für die Betreiber, besonders die öffentliche Hand, stellen sich Fragen der Beschaffung, der Budgetierung und der Planbarkeit der Kosten. 5. Fazit Digitale Zwillinge helfen bei der Planung, Realisierung, Wartung, Instandhaltung, Erweiterung, Qualitätskontrolle, u.v.m. eines Produkts oder Systems. Die Möglichkeiten sind enorm. Für digitale Zwillinge sollte immer ein objektorientierter (modularer) Ansatz gewählt werden, damit das volle Potential aufrechterhalten werden kann. Mithilfe des „digitalen Fadens“, also der Verknüpfung verschiedener digitaler Zwillinge und deren realer Vorbilder innerhalb einer einzigen Produktionskette, stellt der digitale Zwilling eine der vielversprechendsten Optimierungshilfen für größere Unternehmen und Anlagenportfolien dar. Er schafft Bindeglieder zwischen einzelnen Silos von Planung & Bau, Instandhaltung und betrieblichen Anforderungen. Das volle Potential der digitalen Zwillinge wird dann entfaltet, wenn aus Zwilling und physischem Ebenbild ein sogenanntes bidirektionales System wird, die beiden Komponenten also untereinander Informationen austauschen und somit zu einem selbststeuernden System werden können. Für eine solche Art von System ist die Anbindung von künstlicher Intelligenz und machine learning Voraussetzung. Oft wird der digitale Zwilling mit einem Cloud Service verbunden. Es scheint, als würden viele Unternehmer sehr großes Potential in der Verbindung zwischen digitalen Zwillingen und Cloud Services sehen. Hierbei geht es darum, den digital thread online zugänglich und einfach erweiterbar zu machen, sowie einer möglichst großen Zahl von Lieferanten, Partnern und Nutzern den Zugang zu Digitalen Zwillingen in einem sicheren Framework zu ermöglichen. Literatur [1] Grösser, Prof. Dr. Stefan. 2018. Digitaler Zwilling. [Online] [zuletzt abgerufen 21.04.2023] https: / / wirtschaftslexikon.gabler.de/ definition/ digitalerzwilling-54371/ version-277410 [2] Hicks, Ben. 2019. Industry 4.0 and Digital Twins: Key lessons from NASA. [Online] 2019. [zuletzt abgerufen 21.04.2023] https: / / www.thefuturefactory. com/ blog/ 24. [3] Faungwanishsart, Thanuchaya. 2022. Geschäftsmodell und Konzeption einer Plattform zur Verwaltung, Nutzung und Überwachung von 3D Digitalen Zwillingen. Masterarbeit zur Erlangung des akademischen Grades „Master of Science (M.Sc.)“ im Studiengang Betriebswirtschaftslehre mit der Vertiefungsrichtung „Information Management“, Hochschule Darmstadt, Fachbereich Wirtschaft. Unveröffentlicht. [4] Grieves, Michael and Vickers, John. 2017. Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems. In: Franz- Josef Kahlen, Shannon Flumerfelt and Anabela Alves. Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems. Switzerland : Springer International Publishing Switzerland 2, 2017, pp. 85-113.