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Digitaler Zwilling Mobile Maschinen virtuell zum Leben erwecken

| Autor / Redakteur: Dr. Michael Schluse, Prof. Dr. Jürgen Roßmann / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Experimentierbare Digitale Zwillinge ermöglichen die übergreifende simulationsgestützte Entwicklung von mobilen Systemen. Wie das funktioniert, zeigen wir am Beispiel einer virtuellen Forstmaschine.

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Der Experimentierbare Digitale Zwilling (EDZ) der Forstmaschine interagiert mit den EDZ der digitalisierten Umgebung – bestehend aus Bäumen, Maschinen, Waldarbeitern. Unterschiedliche Einsatzszenarien können so vollumfänglich getestet werden.
Der Experimentierbare Digitale Zwilling (EDZ) der Forstmaschine interagiert mit den EDZ der digitalisierten Umgebung – bestehend aus Bäumen, Maschinen, Waldarbeitern. Unterschiedliche Einsatzszenarien können so vollumfänglich getestet werden.
(Bild: Thomas Steil, MMI, RWTH Aachen)

Bei der Entwicklung mobiler Systeme unterstützen passende Simulationswerkzeuge z.B. bei der Untersuchung der Fahrzeugstruktur, der Auslegung des Antriebs und der Entwicklung grundlegender Steuerungs- und Regelungskonzepte.

Doch dabei werden im Wesentlichen lediglich die einzelnen Aspekte des Gesamtsystems betrachtet. Die Frage, wie sich das Verhalten einer Teilkomponente auf das gesamte System in unterschiedlichen Betriebssituationen auswirkt, bleibt meist unbeantwortet. Doch gerade diese Fragestellung wird mit steigender Systemkomplexität und vielfältigen wechselseitigen Abhängigkeiten zwischen den Teilkomponenten immer wichtiger, denn die Funktionsfähigkeit aller Teilkomponenten führt nicht zwangsläufig zu einem funktionsfähigen, performanten und gleichzeitig auch noch kostengünstigen Gesamtsystem.

Neuartige virtuelle Testbeds, die gesamte Systeme unter Beibehaltung der Detaillierung und Aussagekraft der einzelnen Komponentensimulationen in ihrer Einsatzumgebung simulieren, schließen diese Lücke. Notwendige Grundlagen hierzu liefern Konzepte rund um Industrie 4.0 und den „Digitalen Zwilling“. Der Digitale Zwilling repräsentiert ein so genanntes technisches Asset (z.B. das mobile System als Ganzes als auch seine Sensoren, Motoren, Steuerungskomponenten u.ä.) mit seinen Daten, Funktionen und Kommunikationsmöglichkeiten in unterschiedlicher Detaillierung in der digitalen Welt. Hierzu kombiniert er das Wissen aus Konstruktion und Entwicklung, also aus dem digitalen Modell, mit Betriebsdaten (Digitaler Schatten) sowie einem Verhaltensmodell zu einem realitätsnahen digitalen Abbild. Die Anwendung moderner Simulationstechnik erweckt den Digitalen Zwilling dann zum Leben und macht ihn experimentierbar, aus einem Digitalen Zwilling wird ein Experimentierbarer Digitaler Zwilling (EDZ).

Komponentensimulationen vernetzen

Diese EDZ werden – wie ihre realen Pendants, aber zunächst rein in der virtuellen Welt – miteinander vernetzt. Unterschiedliche Systeme und Einsatzszenarien lassen sich so durch Netzwerke interagierender EDZ abbilden, die dann in virtuellen Testbeds in ihrer Gesamtheit simuliert werden. Dies ist der Ausgangspunkt für ein übergreifendes Simulation-based Systems Engineering. In dessen Mittelpunkt stehen die EDZ, die sich z.B. ausgehend vom Model-based Systems Engineering mit jedem einzelnen Entwicklungsschritt weiterentwickeln. So entsteht sukzessive ein vollständig digitales Abbild der jeweiligen realen Assets, das jetzt auch deren Verhalten umfassend nachbildet.

Ein wichtiger Aspekt ist die Wiederverwendbarkeit der EDZ. Ebenso leicht wie man einen EDZ mit anderen vernetzen kann, so einfach kann man ihn auch in andere Einsatzszenarien überführen. Beides ermöglicht eine schnelle Untersuchung neuer Einsatzgebiete der EDZ ebenso wie die mehrfache Nutzung in unterschiedlichen Einsatzgebieten von Simulation im gesamten Lebenszyklus mobiler Systeme.

Experimentierbarer Digitaler Zwilling einer Forstmaschine

Die Simulationstechnik hierzu steht bereit. Das Titelbild illustriert dies am Beispiel des EDZ einer Forstmaschine bestehend aus EDZ von Fahrzeug, Kran, Erntekopf, diverser Sensoren, fahrzeuginterner Kommunikationsinfrastruktur und Steuer- und Regelungssystemen. Die virtuelle Maschine interagiert mit den EDZ ihrer digitalisierten Umgebung bestehend aus Bäumen, Waldboden oder auch anderen Maschinen und Waldarbeitern. Sie kann so in unterschiedlichen Einsatzszenarien automatisiert wie interaktiv unter Berücksichtigung interner wie externer Wechselwirkungen vollumfänglich getestet und in der Simulation bereits in wichtigen Teilen in Bezug auf ihre Funktionsfähigkeit abgesichert werden.

Gleiches gilt beispielsweise auch für teil- oder vollautonome Fahrzeuge. Hochdetaillierte EDZ von Fahrwerk, Antriebsstrang, Sensoren, Daten verarbeitender Algorithmen sowie des Fahrers ermöglichen eine detaillierte Untersuchung neuer Fahrzeuge lange bevor sie real gebaut werden. (sh)

* Dr. Michael Schluse und Prof. Dr. Jürgen Roßmann arbeiten am Institut für Mensch-Maschine-Interaktion der RWTH Aachen

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