Von der virtuellen Inbetriebnahme zu simulationsbasierten digitalen Zwillingen (VC2DT)

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Wortmann
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560217479

Den digitalen Zwilling als exakte Nachbildung eines repräsentierten cyber-physischen Produktionssystems (CPPS) zu betrachten ist eine idealistische Vision, zu der die Forschung ein Kontinuum von Konzepten digitaler Zwillinge hervorgebracht hat. In der Produktionsautomatisierung versprechen digitale Zwillinge bspw. eine effizientere Prozessplanung, höhere Verlässlichkeit und eine bessere Nutzung von Produktionssystemen oder Kostenreduktionen. Der Begriff des digitalen Zwillings ist allerdings nicht einheitlich definiert. An dem einen Ende des Kontinuums digitaler Zwillinge, dem Modellende, werden Simulationsmodelle von Maschinenklassen, d.h. mit dem Anspruch für alle Instanzen dieser Art von Maschine gültig zu sein, modelliert, simuliert und analysiert. Diese Modelle bezeichnet man daher auch als digitale Zwillinge eines Systems „as-designed". Am Systemende des Kontinuums betrachtet man CPPS im Betrieb, also „as-operated". Dies sind meist Softwaresysteme, welches ein bereits existierendes System repräsentieren und manipulieren. Es ist essenziell, dass digitale Zwillinge „as-operated" auf die in den Simulationsmodellen kodierte Domänenexpertise zugreifen können, bspw. um Sensordaten geeignet zu interpretieren und Systemverhalten zu prognostizieren. Dazu müssen die „as-designed" Simulationsmodelle allerdings an die Realität der konkreten CPPS-Instanzen angepasst werden, deren Verhalten durch Toleranzen im Aufbau, Umwelteinflüsse, oder Verschleiß von den idealisierten Annahmen dieser Simulationsmodelle zunehmend divergiert. Dadurch verlieren diese zunehmend ihre Prognosefähigkeiten und Analysen hierüber können zu Fehlschlüssen führen. Im Rahmen der Inbetriebnahme müssen daher die „as-designed" Klassen-Modelle der Systeme in „as-operated" Instanz-Modelle eines konkreten, physisch aufgebauten, Systems transformiert werden, um weiterhin nützliche Analysen zu ermöglichen. Im Rahmen des beantragten Vorhabens soll untersucht werden, inwieweit eine modellbasierte Methodik dazu beitragen kann, die Klassen-Modelle von CPPS (teil)automatisch während der Inbetriebnahme in präzise Instanz-Modelle zu transformieren. Hierbei wird auf den Vorarbeiten des Antragsstellers im Bereich digitaler Zwillinge aufgebaut, in dem Simulationsmodelle, die aus der virtuellen Inbetriebnahme stammen, in das bisherige Framework integriert werden. Durch Identifizierung von dominanten Ursachen der Diskrepanz zwischen Simulationsergebnissen und Messwerten der realen CPPS, werden Diskrepanzmodelle abgeleitet, die die Diskrepanz minimieren. Diese auf das System angepasste Diskrepanzmodelle werden mithilfe einer Tagging-Modellierungssprache den Simulationsmodellen an der passenden Stelle eingefügt. Zum Projektabschluss sollen die automatische Anpassung der Simulationsmodelle an einem Demonstrator validiert sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Alexander Verl