1 EINLEITUNG
1.1 MOTIVATION
1.2 ZIELSTELLUNG UND FORSCHUNGSFRAGE
1.3 METHODIK UND VORGEHEN
2 GRUNDLAGEN
2.1 DIGITAL TWINS
2.1.1 Evolution und Konzept von Digital Twins
2.1.2 Architektur von Digital Twins
2.1.3 Kommunikation von Digital Twins
2.1.4 Sensoren und Aktuatoren
2.2 DEMONSTRATOR
2.2.1 Modell
2.2.2 Simulation
2.2.3 Prototyping
2.2.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse
2.3 VORGEHENSMODELL
2.3.1 Allgemeine Einordnung und Abgrenzung
2.3.2 Relevante Arten von Vorgehensmodellen
3 ENTWICKLUNG DES ARTEFAKTS
3.1 ANALYSE EXISTIERENDER ANSÄTZE
3.2 ABLEITUNG VON ANFORDERUNGEN AN DAS VORGEHENSMODELL
3.3 SYSTEMATISCHE ENTWICKLUNG EINES EINHEITLICHEN VORGEHENSMODELLS
4 EVALUATION
4.1 DEMONSTRATION DES ARTEFAKTS
4.2 EVALUATION DES ARTEFAKTS
5 SCHLUSSBETRACHTUNG
5.1 ZUSAMMENFASSUNG DER ERKENNTNISSE
5.2 KRITISCHE WÜRDIGUNG
5.3 AUSBLICK
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Funktionalität des digitalen Zwillings, den aktuellen Status des physischen Zwillings darzustellen, was durch dessen Datenerfassung ermöglicht wird. Dazu soll im Kern der Arbeit ein Demonstrator entwickelt werden, der die Wirkungsweise und Funktionsweise von Digital Twins demonstriert und veranschaulicht. Es ist eine Methode für die Entwicklung von Digital Twins als Demonstratoren zu entwickeln, in deren Rahmen ein konkreter Digital Twin implementiert wird. Daraus ergibt sich folgende Forschungsfrage, die im Rahmen dieser Masterarbeit untersucht werden soll: Wie kann ein Vorgehensmodell gestaltet sein, das die Entwicklung eines Digital-Twin-Demonstrators beschreibt?
Als Methode zur Beantwortung der Forschungsfrage wird der wissenschaftliche Ansatz der ‚Design-Science-Research‘ verwendet, der unter anderem von March und Smith (1995) sowie Hevner et al. (2004) beschrieben wird. Nach Hevner et al. (2004) befasst sich die Design Science mit der Forschung durch die Entwicklung und Bewertung von Artefakten, die den identifizierten Unternehmensbedarf decken sollen. Braun et al. sind der Auffassung, dass nach dem Ansatz der Grundlagenforschung die Methodenkonstruktion eindeutig Teil der Design Science ist. Damit belegen sie, dass die Konzeption eines Vorgehensmodells, so wie es im Rahmen dieser Arbeit entwickelt werden soll, als denkbares Artefakt dieser Herangehensweise wahrzunehmen ist. Neben den von Hevner et al. (2004) veröffentlichen Richtlinien zur Design-Science-Research orientiert sich diese Masterarbeit an dem Vorgehensmodell von Peffers et al. (2006).
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
1.1 MOTIVATION
1.2 ZIELSTELLUNG UND FORSCHUNGSFRAGE
1.3 METHODIK UND VORGEHEN
2 GRUNDLAGEN
2.1 DIGITAL TWINS
2.1.1 Evolution und Konzept von Digital Twins
2.1.2 Architektur von Digital Twins
2.1.3 Kommunikation von Digital Twins
2.1.4 Sensoren und Aktuatoren
2.2 DEMONSTRATOR
2.2.1 Modell
2.2.2 Simulation
2.2.3 Prototyping
2.2.4 Zusammenfassung der Erkenntnisse
2.3 VORGEHENSMODELL
2.3.1 Allgemeine Einordnung und Abgrenzung
2.3.2 Relevante Arten von Vorgehensmodellen
3 ENTWICKLUNG DES ARTEFAKTS
3.1 ANALYSE EXISTIERENDER ANSÄTZE
3.2 ABLEITUNG VON ANFORDERUNGEN AN DAS VORGEHENSMODELL
3.3 SYSTEMATISCHE ENTWICKLUNG EINES EINHEITLICHEN VORGEHENSMODELLS
4 EVALUATION
4.1 DEMONSTRATION DES ARTEFAKTS
4.2 EVALUATION DES ARTEFAKTS
5 SCHLUSSBETRACHTUNG
5.1 ZUSAMMENFASSUNG DER ERKENNTNISSE
5.2 KRITISCHE WÜRDIGUNG
5.3 AUSBLICK
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines systematischen Vorgehensmodells für die Konstruktion eines Digital-Twin-Demonstrators in der Fertigungsindustrie. Die zentrale Forschungsfrage untersucht, wie ein solches Vorgehensmodell strukturiert sein muss, um die praktische Umsetzung dieser komplexen Technologie zu unterstützen und bestehende Forschungslücken zu schließen.
- Grundlagen von Digital Twins, Simulationen und Demonstratoren
- Analyse bestehender Vorgehensmodelle in der Software- und Systementwicklung
- Systematische Ableitung von Anforderungen an ein einheitliches Vorgehensmodell
- Praktische Implementierung und Demonstration an einem Roboterarm-Szenario
- Evaluation des entwickelten Artefakts hinsichtlich wissenschaftlicher Kriterien
Auszug aus dem Buch
2.1.1 Evolution und Konzept von Digital Twins
Im Zuge der technologischen Einschränkungen während der frühen Entwicklung ist die Geschichte der Digital Twins zeitlich komprimiert. In der theoretischen Entwicklung durchliefen Digital Twins drei Phasen – Entstehung, Inkubation und Wachstum (Tao et al., 2019, S. 2407). Das erstmalige Auftreten von digitalen Zwillingen in der Öffentlichkeit könnte auf die Präsentation von Michael Grieves im Jahr 2003, über das Produktlebenszyklusmanagement zurückgeführt werden, die zugleich als Ursprung der Digital Twins angesehen wird (Grieves, 2014, S. 1).
Da in diesem Zeitraum nur vereinzelt diesbezügliche Artikel veröffentlicht wurden, kann dieser Zeitraum als die Entstehungsphase eingestuft werden (Tao et al., 2019, S. 2407). Die rapide Entwicklung der Kommunikationstechnologie, des Internet-of-Things, der Sensorik, Big Data sowie der Simulationstechnologien in den Jahren 2003 bis 2011 ebnete unweigerlich den Aufstieg der digitalen Zwillinge (Tao, Zhang, et al., 2019). Der erste veröffentlichte Zeitschriftenartikel im Zusammenhang mit Digital Twins im Jahr 2011 handelte von deren Nutzenpotenzial für die Prognose der strukturellen Lebensdauer von Flugzeugen (Tuegel et al., 2011, S. 1). Ein Jahr später wurde die Definition von digitalen Zwillingen von der NASA (National Aeronautics and Space Administration) formalisiert und parallel dazu ihre Einsatzmöglichkeiten in der Luft und Raumfahrtindustrie vorgestellt (Glaessgen & Stargel, 2012, S. 6 f.).
Ab diesem Zeitpunkt stiegen die Ambitionen zur Erforschung von digitalen Zwillingen kontinuierlich und fortwährend an, wodurch dieser Zeitraum als Inkubationsphase angesehen werden kann (Tao et al., 2019, S. 2407). Grieves zeigte in seinem Whitepaper im Jahr 2014 erstmals das Wachstum der digitalen Zwillinge von einer konzeptuellen Vision zu praktischen Anwendungen in verschiedenen Bereichen auf.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in die Thematik Industrie 4.0 und die Relevanz von Digital Twins, gefolgt von der Definition der Forschungsfrage und der methodischen Vorgehensweise.
2 GRUNDLAGEN: Theoretische Aufarbeitung der Kernbegriffe Digital Twin, Demonstrator und Vorgehensmodell, inklusive deren architektonischer und funktionaler Aspekte.
3 ENTWICKLUNG DES ARTEFAKTS: Analyse bestehender Ansätze, Ableitung der Anforderungen an das neue Modell und die systematische Konzeption des einheitlichen Vorgehensmodells.
4 EVALUATION: Praktische Demonstration des entwickelten Vorgehensmodells an einem Roboterarm-Szenario sowie die wissenschaftliche Evaluation des Modells.
5 SCHLUSSBETRACHTUNG: Zusammenfassende Betrachtung der Forschungsergebnisse, kritische Würdigung der Arbeit sowie ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.
Schlüsselwörter
Industrie 4.0, Digital Twin, Demonstrator, Vorgehensmodell, Design-Science-Research, Fertigungsindustrie, Digital Thread, Cyber-Physische Systeme, Simulation, Prototyping, OPC UA, Robotik, Datenintegration, Modellierung, Systementwicklung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Masterarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der systematischen Entwicklung eines Vorgehensmodells, das die Konzeption und Implementierung von Digital-Twin-Demonstratoren in der Fertigungsindustrie ermöglicht.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Schwerpunkte liegen auf der Digitalisierung der Produktion, der Architektur von Digital Twins, der Rolle von Demonstratoren als Vorführmodelle sowie der methodischen Systementwicklung.
Welches primäre Ziel wird mit der Forschungsarbeit verfolgt?
Das Ziel ist die Schließung einer Forschungslücke durch die Bereitstellung eines einheitlichen, praxistauglichen Vorgehensmodells für die Entwicklung von Digital-Twin-Demonstratoren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Als wissenschaftliche Methode kommt der Ansatz der Design-Science-Research zur Anwendung, um ein valides Artefakt (das Vorgehensmodell) zu entwickeln und zu evaluieren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst eine Literaturrecherche zu bestehenden Ansätzen, die Ableitung von Anforderungen an das neue Modell sowie dessen detaillierte Ausarbeitung in Phasen von der Anforderungsdefinition bis hin zu Betrieb und Wartung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Digital Twin, Industrie 4.0, Vorgehensmodell, Design-Science-Research, Simulation und Demonstrator.
Wie wurde der Demonstrator in der Praxis realisiert?
Die Demonstration erfolgte durch den Bau eines verkleinerten Roboterarms, der mittels Arduino-Mikrocontrollern gesteuert und über das Robot Operating System (ROS) mit einem digitalen Abbild synchronisiert wurde.
Warum spielt die Asset Administration Shell (AAS) eine Rolle?
Die AAS wird als bedeutendes Metamodell zur Strukturierung und Identifikation von Assets im Kontext von Industrie 4.0 diskutiert, jedoch aufgrund ihrer Komplexität im vorliegenden Vorgehensmodell spezifisch kontextualisiert.
Was zeichnet das vorgeschlagene Vorgehensmodell besonders aus?
Es kombiniert lineare Phasen mit iterativen Elementen, wodurch sowohl Struktur für den Entwicklungsprozess geboten wird als auch die notwendige Flexibilität für Korrekturen und Anpassungen während der Entwicklung erhalten bleibt.
- Arbeit zitieren
- Boran Bogdanow (Autor:in), 2020, Digital Twins in der Manufacturing Industry. Systematische Entwicklung eines Digital Twin Demonstrators, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1022187
