Optimierung von Hafenoperationen mit digitalen Zwillingen

Das Smart Port 2025 Projekt hat das Ziel, Häfen effizienter ZU gestalten, indem smarte Technologien eingesetzt werden. Der Fokus liegt auf kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMUs) sowie grossen Firmen, die zusammen eine komplette Aktionskette im Hafen bilden. Das Hauptziel ist, die digitalen Werkzeuge in den Häfen zu verbessern, um die Abläufe besser zu managen.

#Was sind Digitale Zwillinge?

Eine grundsätzliche Idee in diesem Projekt ist das Konzept der Digitalen Zwillinge, die digitale Versionen von realen Objekten oder Systemen sind. Digitale Zwillinge ermöglichen eine kontinuierliche Verbindung zwischen dem physischen Objekt (wie einem Schiff oder einem Kai) und dessen digitalem Pendant. Das ist wichtig, weil es hilft, die Abläufe zu überwachen und zu verbessern.

#Historische Beispiele für Zwillinge

Die Idee, einen Zwilling zu erstellen, ist nichts Neues. Zum Beispiel haben Militärführer Sandtische verwendet, um Schlachtfelder zu simulieren und Truppenbewegungen zu planen. NASA nutzte physische Trainingskapseln während der Apollo-Missionen, um Probleme zu verstehen, die bei echten Raumfahrzeugen auftreten könnten. Auch wenn diese frühen Beispiele nicht digital waren, funktionierten sie nach dem gleichen Prinzip, ein Modell zur Hand zu haben.

#Phasen der Erstellung digitaler Zwillinge

Die Erstellung digitaler Zwillinge beinhaltet verschiedene Phasen, in denen Entscheidungen getroffen werden müssen. Dieser Bericht identifiziert drei entscheidende Phasen:

1. Zielkonstruktion im Problemraum: Hier werden die Ziele für den Digitalen Zwilling definiert, die sich darauf beziehen, was erreicht werden muss.

2. Architekturdesign-Phase: In dieser Phase wird die Gesamtstruktur des Digitalen Zwillings basierend auf den im ersten Schritt festgelegten Zielen entworfen.

3. Bereitstellungsphase: Hier werden die Technologien ausgewählt und genutzt, die zur Erstellung des Digitalen Zwillings benötigt werden.

#Anwendungsfälle

Um zu erklären, wie Digitale Zwillinge in der Praxis funktionieren, verwendet das Projekt zwei einfache Beispiele:

1. Schiffsnavigation: Dabei wird ein einzelnes Schiff modelliert, das sich in eine Richtung bewegt.

2. Hafenbetrieb: Ein komplexeres Beispiel, das zeigt, wie Schiffe in einen geschäftigen Hafen ein- und ausfahren.

#Verstehen der Komponenten digitaler Zwillinge

Digitale Zwillinge bestehen aus zwei Teilen: dem tatsächlichen Objekt (dem physischen System) und dem Zwillingsobjekt (dem digitalen Modell). Das Zwillingsmodell kann symbolisch oder datengestützt sein und wird durch Sensoren mit dem tatsächlichen Objekt synchronisiert. Das ermöglicht wichtige Funktionen wie das Erkennen von Problemen, wenn es Unterschiede zwischen den tatsächlichen Messungen und den Vorhersagen des Modells gibt.

#Ziele und Eigenschaften von Interesse

Digitale Zwillinge werden mit bestimmten Zielen erstellt, die als Eigenschaften von Interesse bezeichnet werden. Zum Beispiel könnte ein Ziel sein, festzustellen, ob das Schiff effizient arbeitet oder ob es Anomalien in seiner Leistung gibt. Eigenschaften sind Merkmale des physischen Systems, die gemessen oder berechnet werden können.

#Variabilität in digitalen Zwillingen

Es können verschiedene Versionen digitaler Zwillinge existieren, selbst für den gleichen Objekttyp. Zum Beispiel könnten mehrere Schiffe desselben Modells unterschiedliche Segel oder Motoren haben. Diese Variationen sind wichtig, da sie eine Anpassung an spezifische Anforderungen ermöglichen. Um diese unterschiedlichen Merkmale zu verwalten, kann ein Merkmalsbaum verwendet werden, der hilft zu verstehen, welche Optionen es zur Erstellung eines bestimmten Digitalen Zwillings gibt.

#Workflow zur Erstellung digitaler Zwillinge

Die Erstellung eines Digitalen Zwillings folgt einem Workflow:

1. Ziele identifizieren: Der erste Schritt ist, die Ziele in Bezug auf die Eigenschaften von Interesse festzulegen. Es können mehrere Ziele gesetzt werden.

2. Konzeptuelles Architekturdesign: Nachdem die Ziele definiert sind, wird die Architektur des Digitalen Zwillings entwickelt. Einige Teile dieser Architektur können basierend auf vorherigen Entscheidungen ein- oder ausgeschlossen werden.

3. Bereitstellung: Schliesslich werden die notwendigen Technologien und Systeme ausgewählt, um den Digitalen Zwilling zum Leben zu erwecken.

#Experimentieren mit digitalen Zwillingen

Experimente sind entscheidend für digitale Zwillinge, da sie helfen, zu testen, wie gut das System seine Ziele erreicht. Jedes Experiment sollte klare Beschreibungen, Setups und Workflows enthalten, um sicherzustellen, dass es wiederholt werden kann.

#Aktuelle Architekturen und deren Variationen

Es existieren verschiedene Architekturmodelle, die bei der Erstellung digitaler Zwillinge helfen. Einige konzentrieren sich darauf, wie das tatsächliche Objekt und der Zwilling interagieren, während andere den Gesamtfluss des Systems oder die internen Komponenten des digitalen Modells betrachten.

#Beispiele für Kommunikationsmodelle

Die Interaktion zwischen dem tatsächlichen Objekt und dem Zwilling kann variieren. Einige Modelle beschreiben ein digitales Modell, wenn es eine manuelle Verbindung gibt, während ein Digital Shadow auf eine automatisierte Verbindung verweist. Diese Begriffe helfen, zwischen Automatisierungs- und Datentransferlevels zu unterscheiden.

#Laufende Beispiele im Hafenbetrieb

#Einfache Hafensimulation

In einer Simulation des Hafens von Antwerpen fahren Schiffe entlang definierter Routen. Die Simulation spiegelt reale Dynamiken wider, wo Schiffe durch Schleusen und Kaianlagen navigieren müssen. Das vereinfachte Modell vergleicht sich mit dem Strassenverkehr, um zu zeigen, wie Schiffe ihre Wege und Kapazitäten managen müssen.

#Ein-dimensionales Yachtmodell

Ein weiteres einfaches Beispiel ist eine Yacht, die sich in eine Richtung auf dem Wasser bewegt. Dieses Modell hilft zu visualisieren, wie die Yacht im Vergleich zu den erwarteten Verhaltensweisen funktioniert.

#Ziele der laufenden Beispiele

Bei der Arbeit mit den laufenden Beispielen werden spezifische Ziele definiert, um sicherzustellen, dass die Digitalen Zwillinge die Abläufe effektiv überwachen und analysieren. Zum Beispiel ist es entscheidend, das Verhalten in Echtzeit zu visualisieren, aktuelle Zustände zu überwachen und eine ordnungsgemässe Datenverarbeitung sicherzustellen.

#Referenzarchitektur-Umriss

Eine Referenzarchitektur skizziert, wie Digitale Zwillinge strukturiert werden können. Diese hochrangige Ansicht ermöglicht es den Benutzern zu verstehen, welche Komponenten notwendig sind, um ihre Digitalen Zwillinge zu erstellen, inklusive des tatsächlichen Objekts, des Zwillingsobjekts und des Experimentmanagers.

#Komponenten erklärt

1. Tatsächliches Objekt (AO): Das ist das reale System, das modelliert wird.

2. Zwillingsobjekt (TO): Das ist die digitale Darstellung des tatsächlichen Objekts.

3. Experimentmanager: Dieser steuert und leitet, wie der Digitale Zwilling während Experimente arbeitet.

4. Benutzer/Maschinenagent: Das sind die Schnittstellen, über die Benutzer mit dem Digitalen Zwilling interagieren.

#Variationen in der Architektur

Es gibt verschiedene Versionen der Architektur, die basierend darauf existieren, welche Komponenten ein- oder ausgeschlossen sind. Diese Variationen ermöglichen Flexibilität je nach spezifischen Bedürfnissen des zu erstellenden Digitalen Zwillings.

#Technologiewahlen für laufende Beispiele

Für das Hafenbeispiel wurden Python und ROS2 zur Entwicklung des Digitalen Zwillings gewählt. Diese Technologien bieten eine robuste Plattform für die Echtzeitausführung und Kommunikation zwischen den Komponenten.

Im Yachtbeispiel wird ein anderer Ansatz mit Modelica und FMUs verwendet, um das Verhalten der Yacht zu modellieren und sie mit dem Digitalen Zwilling zu integrieren.

#Fazit und zukünftige Richtungen

Das Smart Port 2025 Projekt zeigt, wie wichtig Digitale Zwillinge zur Verbesserung der Effizienz von Hafenbetrieben sein können. Während die Technologie weiterhin fortschreitet, gibt es Möglichkeiten, komplexere Anwendungsfälle zu erkunden und die verwendeten Architekturen für Digitale Zwillinge zu verfeinern. Zukünftige Arbeiten werden sich auf reale Anwendungen konzentrieren und sicherstellen, dass Digitale Zwillinge sich an verschiedene Szenarien und Anforderungen anpassen können.

Abschliessend betont das Projekt die Notwendigkeit strategischer Entscheidungen bei der Architektur- und Technologiewahl, während darauf abgezielt wird, Systeme zu schaffen, die in realen Situationen effektiv arbeiten.