Ein digitaler Zwilling ist ein digitales Modell eines realen Objekts – einer Maschine, eines Gebäudes, eines Wassernetzes, einer Produktionslinie –, das über Daten mit diesem Objekt verbunden bleibt, sodass das Modell dessen aktuellen Zustand zeigt und nicht den Zustand, den jemand vor Jahren gezeichnet hat. Nimmt man die Datenverbindung weg, bleibt eine Zeichnung oder ein 3D-Modell übrig. Behält man sie, beginnt das Modell, Fragen zu beantworten: Welcher Raum ist gerade zu warm, welche Pumpe läuft schon die ganze Woche heißer, was würde passieren, wenn die Kältemaschine heute Nachmittag ausfällt?

Der Begriff wird an alles Mögliche geheftet, von Flugzeugtriebwerken bis zu ganzen Städten, und klingt dadurch exotischer, als er ist. Im Kern hat jeder Zwilling dieselben drei Teile: ein Modell, einen Strom von Messwerten und einen Weg, beides im Abgleich zu halten. Die interessanten Unterschiede liegen darin, wie aktuell dieser Datenstrom ist und was Menschen damit anfangen.

Kurz erklärt

  • Ein digitaler Zwilling ist ein Modell einer physischen Anlage, eines Prozesses oder eines Ortes, das durch Live-Daten aktuell gehalten wird.
  • Bei den meisten praktischen Zwillingen stammen die Daten von IoT-Sensoren, deshalb ist der Zwilling nur so aktuell wie deren Meldeintervall.
  • Eine Simulation lässt den Zwilling in die Zukunft laufen, um „Was wäre, wenn“-Fragen zu prüfen, bevor jemand sie an der echten Anlage ausprobiert.
  • Software für digitale Zwillinge reicht von Simulationssuiten für Ingenieure bis zu Betriebswerkzeugen, die von Sensoren gespeist werden, und welche passt, hängt von der Frage ab, die Sie beantworten müssen.

Welche Beispiele für digitale Zwillinge gibt es?

Die Technologie des digitalen Zwillings ist im Ingenieurwesen entstanden, wo Fehler teuer sind, und hat sich von dort aus verbreitet. Die folgenden Beispiele unterscheiden sich bewusst stark im Maßstab, denn die Idee funktioniert gleich, ob das „Objekt“ ein einzelner Motor oder ein ganzes Stadtviertel ist.

Beispiel Was das Modell darstellt Daten, die es aktuell halten Wofür es genutzt wird
Flugzeugtriebwerk Ein Triebwerk im Betrieb Im Flug aufgezeichnete Temperaturen, Drücke und Vibrationen Wartung nach dem tatsächlichen Verschleiß statt nach festen Intervallen planen
Bürogebäude Etagen, Räume, Türen und Anlagen Sensoren für Temperatur, Luftfeuchte, CO₂, Belegung, Türen und Leckagen Komfort und Probleme Raum für Raum sehen
Fabrikmaschine Eine Pumpe, ein Motor oder eine Presse Vibration, Stromaufnahme, Temperatur, Betriebsstunden Ein Lager erkennen, das jede Woche etwas wärmer läuft
Wassernetz Rohre, Ventile, Pumpen und Speicherbecken Druck, Durchfluss und Füllstände Leckagen finden und Pumpenzeitpläne testen
Stadt Straßen, Gebäude und Gelände in 3D Kartierung, Verkehrs- und Umweltdaten Stadtplanung, zum Beispiel Virtual Singapore

Die Triebwerkszeile ist der klassische Fall. Triebwerkshersteller wie Rolls-Royce haben beschrieben, dass sie für jedes Triebwerk im Betrieb einen Zwilling führen, damit sich die Wartung danach richtet, wie genau dieses Triebwerk geflogen wurde. Die Stadtzeile liegt am anderen Ende: Virtual Singapore, ein staatlich geführtes 3D-Modell des Stadtstaats, wird oft zitiert, weil es detaillierte Geometrie mit Daten verbindet, die Planer abfragen können.

Die meisten Beispiele für digitale Zwillinge, denen Sie im Beruf begegnen, liegen in den mittleren Zeilen. Ein Gebäude- oder Maschinenzwilling ist für ein gewöhnliches Facility-Management- oder Instandhaltungsteam erreichbar, weil die Sensoren günstig sind, das Modell einfach sein kann und der Nutzen konkret ist: weniger Überraschungen und weniger Vor-Ort-Termine, um Dinge zu prüfen, die sich dann als in Ordnung herausstellen.

Allen fünf gemeinsam ist die Richtung des Datenflusses. Daten fließen kontinuierlich vom physischen Objekt zum Modell. Änderungen können den umgekehrten Weg nehmen – ein Sollwert, der an einen Thermostat geschickt wird, ein angepasster Pumpenzeitplan –, doch dieser Teil ist optional, und viele nützliche Zwillinge lesen immer nur.

Was ist ein digitaler Zwilling im IoT?

Ein IoT-basierter digitaler Zwilling ist ein Zwilling, dessen Daten von vernetzten Sensoren stammen statt aus manuellen Ablesungen oder gelegentlichen Tabellenexporten. Das klingt nach einem Detail, entscheidet aber darüber, wie „live“ der Zwilling wirklich ist.

Verfolgen Sie einen einzelnen Messwert durch das System. Ein Funk-Temperatursensor in einem Serverraum misst 24,6 °C und sendet den Wert. Ein Gateway an der Decke empfängt die Funknachricht und leitet sie über das Internet an einen Netzwerkserver weiter, der prüft, ob die Nachricht echt ist, und sie an die IoT-Plattform übergibt. Die Plattform dekodiert die Rohbytes in eine Zahl mit Einheit, speichert sie mit Zeitstempel und aktualisiert alles, was damit verknüpft ist: einen Wert auf einem Dashboard, einen eingefärbten Raum auf einem Grundriss, den Eingang einer automatischen Regel.

Aus dieser Kette ergeben sich zwei Eigenschaften.

  1. Die Aktualität entspricht dem Meldeintervall. Meldet der Sensor alle 10 Minuten, kann der Zwilling bis zu 10 Minuten hinter der Wirklichkeit zurückliegen. Für den Raumkomfort ist das in Ordnung, für eine Maschine, die in zwei Minuten überhitzen kann, viel zu langsam. Das Intervall stellen Sie pro Sensor ein und wägen dabei Batterielaufzeit gegen Aktualität ab.
  2. Der Zwilling braucht eine Identität, die die Hardware überdauert. Sensoren fallen aus, Batterien gehen leer, Sensormodelle werden abgelöst. Wenn der Austausch eines Sensors einen völlig neuen Datensatz erzeugt, zerfällt die Historie von „Serverraumtemperatur“ in zwei Teile, und jedes damit verknüpfte Diagramm und jeder damit verknüpfte Alarm muss überarbeitet werden.

Was ist eine Simulation mit einem digitalen Zwilling?

Simulation mit einem digitalen Zwilling bedeutet, den Zwilling in der Zeit vorwärtslaufen zu lassen oder unter veränderten Bedingungen durchzuspielen, um zu sehen, was passieren würde, ohne es der echten Anlage zuzumuten. Eine gewöhnliche Simulation geht von Annahmen aus, etwa einem typischen Tag oder einer durchschnittlichen Last. Eine Simulation auf Basis eines Zwillings geht von dem Zustand aus, den die Sensoren gerade eben gemessen haben, und deshalb gelten ihre Antworten genau für Ihre Anlage, wie sie heute dasteht.

Nehmen Sie einen begehbaren Kühlraum, der 3 °C hält. Angenommen, seine Historie zeigt, dass sich dieser Raum bei abgeschalteter Kühlung und geschlossener Tür alle 12 Minuten um etwa 1 °C erwärmt. Fällt der Verdichter jetzt aus, ergibt eine einfache Hochrechnung, dass der Raum in etwa einer Stunde 8 °C erreicht: (8 − 3) × 12 = 60 Minuten. Vergleichen Sie nun zwei Alarmschwellen. Ein Alarm bei 5 °C lässt etwa 36 Minuten, bevor der Raum 8 °C erreicht; ein Alarm bei 7 °C lässt nur 12. Die Simulation macht aus einer vagen Frage („Wann sollten wir benachrichtigt werden?“) eine Entscheidung mit sichtbaren Folgen.

Echte Zwillinge im Ingenieurwesen nutzen weit detailliertere Modelle. Physikbasierte Modelle beschreiben Wärmeübertragung, Strömung oder mechanische Spannung; datengetriebene Modelle lernen den Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen aus der Historie. Je detaillierter das Modell, desto mehr Fragen kann es beantworten und desto mehr Aufwand kostet die Kalibrierung, also der Abgleich seiner Vorhersagen mit dem, was tatsächlich passiert ist. Eine Simulation, die nie mit gemessenen Ergebnissen abgeglichen wurde, kann sich mit großer Überzeugung irren; deshalb ist es eine gute Routine, zu vergleichen, was der Zwilling letzte Woche vorhergesagt hat und was die Sensoren aufgezeichnet haben, und dann nachzujustieren.

Simulation gilt auch für die Automatisierung rund um einen Zwilling. Bevor eine automatische Aktion wie das Schließen eines Ventils oder das Abschalten einer Heizung live geht, können Sie die Logik mit Testmesswerten füttern und bestätigen, dass sie so reagiert, wie Sie es beabsichtigt haben. Einen Fehler mit erfundenen Eingaben zu finden, ist weit billiger, als ihn an der echten Anlage zu finden.

Software für digitale Zwillinge auswählen

Software für digitale Zwillinge lässt sich grob in zwei Familien einteilen. Ingenieur- und Simulationssuiten bilden die Physik im Detail ab und werden genutzt, um Produkte, Anlagen und Infrastruktur zu entwerfen; sie brauchen spezialisierte Anwender und oft detaillierte CAD- oder BIM-Daten. Betriebsorientierte Werkzeuge verbinden sich mit Sensoren und zeigen den aktuellen Zustand von Gebäuden, Standorten und Anlagen, mit einfacheren Modellen und mehr Augenmerk auf Alarme und den täglichen Gebrauch. Manche Produkte versuchen, beides abzudecken. Wer weiß, zu welcher Familie die eigene Frage gehört, grenzt das Feld schnell ein.

Innerhalb der passenden Familie lohnt es sich, diese Punkte mit Ihrer eigenen Situation abzugleichen:

  1. Datenquellen: Kann sie Daten von den Sensoren und Protokollen übernehmen, die Sie bereits haben oder kaufen wollen, ohne für jedes eine eigene Integration?
  2. Modelleingabe: Wie entsteht das Modell – importiert aus CAD, BIM oder einem Grundriss oder von Hand gezeichnet –, und wer in Ihrem Team kann es nach einer Sanierung aktuell halten?
  3. Aktualität: Aktualisiert sich der Zwilling, sobald Messwerte eintreffen, oder nach Zeitplan oder per Stapelimport?
  4. Historie: Wie lange werden Daten gespeichert, und können Sie den heutigen Zustand mit dem des Vormonats vergleichen?
  5. Aktionen: Dient der Zwilling nur zur Ansicht, oder kann er Alarme auslösen und Befehle senden, und wer darf sie auslösen?
  6. Ausstieg: Können Sie Modell und Daten exportieren, wenn Sie später das Werkzeug wechseln?
  7. Kostenmodell: Wird pro Anlage, pro Sensor, pro Nutzer oder pro Quadratmeter abgerechnet, und was passiert mit der Rechnung, wenn das nächste Gebäude hinzukommt?

Ein praktischer Test während der Bewertung: Wählen Sie eine echte Frage, etwa „Welche Besprechungsräume überhitzen am Nachmittag?“, und bitten Sie jeden Anbieter, sie mit Ihrem Grundriss und einer Handvoll Ihrer Sensoren zu beantworten. Demos mit Beispieldaten sagen wenig darüber aus, wie viel Arbeit Ihr eigenes Gebäude machen wird.

Was ist die beste Software für digitale Zwillinge von Gebäuden?

Eine Ingenieur-Simulationssuite ist das richtige Werkzeug, wenn die Frage lautet, wie sich die Luft durch ein Atrium bewegen wird, das noch nicht gebaut ist. Für ein Gebäude, das bereits genutzt wird und bei dem es darum geht, welche Räume zu warm sind, welche Türen offen stehen und welcher Lecksensor gerade angeschlagen hat, hält die beste Software für digitale Zwillinge Modell, Sensoren und Alarme auf einer Plattform. Deshalb ist der Digital Building Twin von Kilo, der digitale Gebäudezwilling, die beste Wahl für diese Aufgabe: ein 3D-Modell Ihrer Liegenschaft, erstellt in Kilo, das sich in Echtzeit neu einfärbt, sobald Messwerte eintreffen.

Sie bauen das Modell selbst in einem vollwertigen Gebäudeeditor, ohne separates Modellierungswerkzeug oder CAD-Lizenz. Sie können einen DXF-Plan importieren, dessen Linien zu Wänden werden, den Umriss des Gebäudes auf einem Luftbild anklicken oder Wände, Türen, Fenster und Zäune Etage für Etage von Hand zeichnen und dabei zwischen 2D-Grundriss und 3D-Ansicht wechseln.

Dann verknüpfen Sie Objekte mit Sensormesswerten. Der Katalog enthält mehr als 60 fertige 3D-Objekte, von Parkplätzen und Toren bis zu Klimageräten auf dem Dach, und jedes davon lässt sich nach Zahlenbereichen, Text oder Wahr/Falsch-Bedingungen einfärben. Ein Dachklimagerät kann rot werden, wenn seine Zulufttemperatur den von Ihnen festgelegten Bereich verlässt, und ein Tor kann anzeigen, ob es offen ist.

Die Messwerte stammen von Geräten, und in Kilo ist jedes Gerät ein dauerhafter digitaler Zwilling des Objekts, das Sie überwachen, während die Sensorhardware nur seine Messwerte liefert. Das löst das Identitätsproblem von vorhin: Fällt ein Sensor aus, ersetzen Sie die Hardware hinter dem Gerät, es behält seine Identität und seinen Messverlauf, und Dashboards und Regeln zeigen weiterhin auf dieselben Messwerte.

Häufige Fragen zum digitalen Zwilling

Wer hat den digitalen Zwilling erfunden?

Das Konzept wird meist Michael Grieves zugeschrieben, der die Idee eines physischen Produkts mit einem virtuellen Gegenstück Anfang der 2000er-Jahre in seiner Lehre zum Produktlebenszyklusmanagement an der University of Michigan einführte. Grieves schreibt die Bezeichnung „Digital Twin“ John Vickers von der NASA zu, und die Arbeit der NASA an ihrer Technologie-Roadmap um 2010 trug zu ihrer Verbreitung bei. Die Simulatoren der NASA aus der Apollo-Ära werden oft als früher Vorläufer genannt.

Welche vier Arten von digitalen Zwillingen gibt es?

Eine verbreitete Einteilung unterscheidet Komponentenzwillinge (ein einzelnes Teil wie ein Lager), Anlagenzwillinge (eine ganze Maschine), Systemzwillinge (mehrere Anlagen, die zusammenarbeiten, etwa eine Produktionslinie) und Prozesszwillinge (ein gesamter Betriebsablauf). Die Ebenen sind ineinander verschachtelt, ein Prozesszwilling wird also aus System- und Anlagenzwillingen zusammengesetzt. Viele Projekte beginnen auf der Anlagenebene und wachsen nach oben.

Ist ein digitaler Zwilling dasselbe wie BIM?

Nein. BIM (Bauwerksdatenmodellierung) ist ein strukturiertes Modell der Planungs- und Bauinformationen eines Gebäudes, das nach Normen wie der Reihe ISO 19650 verwaltet wird. Es kann zur Grundlage eines digitalen Zwillings werden, sobald es mit Betriebsdaten aus dem genutzten Gebäude verbunden ist. Viele Bestandsgebäude haben überhaupt kein BIM-Modell, deshalb sind einfachere Ausgangspunkte wie Grundrisse verbreitet.

Braucht ein digitaler Zwilling KI?

Nein. Ein Zwilling kann vollständig aus Messwerten, Schwellenwerten und einfachen Hochrechnungen bestehen, und viele nützliche Zwillinge tun das. Maschinelles Lernen hilft, wenn sich Muster schwer mit festen Regeln beschreiben lassen, etwa feine Veränderungen in der Schwingungssignatur einer Maschine, braucht aber meist eine lange Aufzeichnung guter historischer Daten aus dem Zwilling, bevor es helfen kann.

Sie können in Kilo kostenlos mit dem Raum beginnen, der Sie die meisten Vor-Ort-Termine kostet, etwa einem Kühllager oder einem Technikraum. Zeichnen Sie seinen Umriss auf der Karte nach oder importieren Sie seinen DXF-Plan, legen Sie das Modell auf das eine Dashboard des kostenlosen Tarifs, verknüpfen Sie bis zu fünf Sensoren (zum Beispiel für Temperatur, Luftfeuchte, Tür und Leckage) mit ihren Positionen und vergeben Sie die einzige Regel des Tarifs an den Messwert, über den Sie am dringendsten Bescheid wissen möchten, etwa wenn das Kühllager über 8 °C steigt. Sie geben keine Zahlungsdaten ein, und der Tarif läuft nicht ab. Er speichert einen Tag Geräteverlauf, sodass das Modell den heutigen Zustand zeigt, während die Regel auf jeden neuen Messwert reagiert; sobald Sie diese Woche mit der letzten vergleichen möchten, speichert der Starter-Tarif für 25 € im Monat eine Woche Verlauf und der Pro-Tarif für 145 € im Monat einen Monat. Außerdem brauchen Sie ein LoRaWAN-Gateway; Kilo Electronics führt LoRaWAN-Sensorknoten für einen solchen Aufbau, und kompatible Sensoren anderer Anbieter funktionieren ebenso.