Digitale Zwillinge für Raumfahrzeuge bauen

Die Idee eines Digitalen Zwillings (DZ) wird in vielen Bereichen immer beliebter. Ein Digitaler Zwilling ist eine digitale Version eines realen Objekts oder Systems. Er hilft bei verschiedenen Aufgaben wie Überwachung, Analyse, Diagnose, Entscheidungsfindung und Steuerung. Dennoch gibt es keine klare Definition, was ein Digitaler Zwilling ist, und keinen einfachen Weg, einen zu entwickeln. Dieser Artikel möchte klären, was ein Digitaler Zwilling ist und wie man einen effektiv aufbaut.

#Was ist ein Digitaler Zwilling?

Ein Digitaler Zwilling kombiniert drei Hauptbestandteile:

1. Das physische Objekt oder System (bekannt als physischer Zwilling)
2. Sein virtuelles Gegenstück (der digitale Zwilling)
3. Die Verbindungen zwischen diesen beiden

Einfach gesagt, ist es eine Möglichkeit, eine digitale Version von etwas Physischem zu erstellen, um es besser zu verstehen und zu managen.

#Bedeutung von Digitalen Zwillingen in Raumfahrzeug-Trägersystemen

Da Raumfahrtmissionen immer komplexer werden, steigt der Bedarf an präzisen Modellen von Raketen und Trägersystemen. Digitale Zwillinge sind nützliche Werkzeuge, um die Daten komplexer Systeme zu verwalten. Sie können helfen, Fehler in Raumfahrzeugen zu identifizieren und den Designern, die an Raketen arbeiten, Einblicke zu geben. Viele Ingenieure schauen nun, wie man maschinelles Lernen und andere datengestützte Methoden in der Raketentechnologie nutzen kann, und Digitale Zwillinge können bei der Handhabung der grossen Datenmengen, die in diesen Prozessen entstehen, unterstützen.

#Herausforderungen bei der Entwicklung von Digitalen Zwillingen

Trotz der offensichtlichen Vorteile ist es kompliziert, ein umfassendes Rahmenwerk für Digitale Zwillinge in Raumfahrtsystemen zu erstellen. Die bestehenden ungenauen Definitionen machen es schwierig, einen vollständigen Plan zur Erstellung von Digitalen Zwillingen zu entwickeln. Ausserdem kommt der Mangel an spezialisierten Werkzeugen als weitere Hürde hinzu, die Konzepte der Digitalen Zwillinge in der Praxis anzuwenden.

#Die Rolle der modellbasierten Systemtechnik

Um diese Probleme anzugehen, hat die modellbasierte Systemtechnik (MBSE) an Bedeutung gewonnen. MBSE fördert die Standardisierung der Ingenieurarbeit bei komplexen Systemen, was zur Verbesserung der Konsistenz und Wartungsfreundlichkeit beitragen kann. Es wurde in verschiedenen Luft- und Raumfahrtprojekten von Organisationen wie NASA und anderen Raumfahrtunternehmen mit positiven Ergebnissen bei der Verbesserung der Designintegration und Koordination eingesetzt.

#Entwicklung von Digitalen Zwillingen: Die Reifegradmatrix

Um die Entwicklung von Digitalen Zwillingen zu unterstützen, kann eine Reifegradmatrix etabliert werden. Diese Matrix beschreibt verschiedene Stadien, die ein Digitaler Zwilling durchlaufen kann, von einem einfachen beschreibenden Modell bis hin zu einem voll funktionsfähigen System. Jedes Stadium hat spezifische Merkmale, einschliesslich der Art des Datenflusses zwischen den physischen und digitalen Versionen, dem Automatisierungsgrad und der Klassifizierung des Modells.

#Reifegrade

1. Beschreibend: Das ist die einfachste Stufe, wo ein einfaches digitales Modell des physischen Objekts existiert, ohne echte Daten.

2. Analytisch: Hier werden weitere Datenquellen hinzugefügt, um das Modell zu verbessern. Analytische Funktionen werden eingeführt, um das digitale Modell zu analysieren.

3. Operativ: Auf dieser Stufe synchronisiert sich Echtzeitdaten mit dem digitalen Modell, sodass es den aktuellen Zustand des physischen Objekts widerspiegelt.

4. Vorschreibend: Der Digitale Zwilling kann Daten zurücksenden, um den Zustand des physischen Objekts zu beeinflussen.

5. Kognitiv: Fortgeschrittene Algorithmen können das Objekt bewerten und optimieren, um Entscheidungsprozesse zu automatisieren.

6. Verbunden Kognitiv: Der Digitale Zwilling kann sich mit anderen digitalen Systemen verbinden, um umfassendere Einblicke zu erhalten.

#Entwicklung von Digitalen Zwillingen mit der DEVOTION-Methodik

Um die Entwicklung von Digitalen Zwillingen einfacher und effektiver zu gestalten, wird eine schrittweise Methodik namens DEVOTION vorgeschlagen. Diese Methodik hilft, durch die verschiedenen Reifegrade zu navigieren, indem sie einen strukturierten Prozess verfolgt.

#Schritte in der DEVOTION-Methodik

1. Erstelle das digitale Modell: Beginne mit der Erstellung eines grundlegenden digitalen Modells des physischen Objekts.

2. Verbessere mit Daten und Analytik: Füge Datenquellen und analytische Funktionen hinzu, um das Modell zu verbessern.

3. Implementiere Datenfluss von physisch zu digital: Richte Systeme ein, um einen Echtzeitdatenfluss vom physischen Objekt zum digitalen Modell zu ermöglichen.

4. Erstelle Feedback-Mechanismen: Ermögliche es dem Digitalen Zwilling, Daten zurück an das physische Objekt zu senden.

5. Integriere fortschrittliche Entscheidungsfindung: Setze komplexe Algorithmen für Analysen und Entscheidungen ein.

6. Erleichtere Verbindungen zu anderen Systemen: Erlaube dem Digitalen Zwilling, sich mit anderen digitalen Systemen zu verbinden, um reichhaltigere Einblicke zu gewähren.

#Werkzeugunterstützung für DEVOTION

Die Digital Twin Management Environment (DTME) ist ein unterstützendes Werkzeug, das entwickelt wurde, um die DEVOTION-Methodik zu erleichtern, indem es verschiedene Automatisierungsfunktionen bereitstellt. Es ermöglicht effektives Datenmanagement und fördert hohe Konsistenz und Interoperabilität.

#Wichtige Aspekte von DTME

1. Entwicklung domänenspezifischer Sprachen: DTME nutzt Modellierungsrahmen, um spezialisierte Sprachen zu erstellen, die Systeme genau beschreiben können.

2. Modellmanagement: Operationen wie Validierung und Transformation von Modellen können automatisch durchgeführt werden, um Zeit zu sparen und Fehler zu reduzieren.

3. Grafische Modellierungsumgebung: Nutzer können Modelle visuell erstellen und verwalten, was es einfacher macht, komplexe Strukturen zu verstehen.

4. Legacy-Modelle und Integrationen: Das System kann bestehende Modelle integrieren, um den digitalen Zwilling zu verbessern, ohne von Grund auf neu anfangen zu müssen.

5. Versionskontrolle und Datenmanagement: Um die wachsende Komplexität des Modells zu verwalten, hilft ein Versionskontrollsystem, Änderungen nachzuvollziehen und Genauigkeit zu gewährleisten.

#Fallstudie: Digitaler Zwilling für elektrische und elektronische Systeme in Raumfahrzeug-Trägersystemen

Um die Anwendung der DEVOTION-Methodik zu illustrieren, wird eine Fallstudie präsentiert, die sich auf die Erstellung eines Digitalen Zwillings für die elektrischen und elektronischen (E/E) Systeme eines Raumfahrzeug-Trägersystems konzentriert.

#Schritt 1: Erstellen des digitalen Modells

In diesem ersten Schritt wurde das Strukturierte Digitale Zwillingsmetamodell (SDTM) entwickelt. Dieses Metamodell bietet eine flexible Möglichkeit, die Schlüsselfaktoren für einen Digitalen Zwilling zu definieren, wobei der Fokus hauptsächlich auf den E/E-Systemen liegt.

#Schritt 2: Verbesserung des digitalen Modells

In diesem Schritt wurden Verbindungen zu anderen relevanten Modellen hergestellt. Ziel ist es, den Digitalen Zwilling nicht nur mit seiner direkten Darstellung, sondern auch mit externen Systemen und Anforderungen zu verknüpfen, die seine Funktionalität beeinflussen könnten.

#Schritt 3: Implementierung des Datenflusses

Die Einrichtung automatisierter Datenflüsse vom physischen System zum Digitalen Zwilling ermöglicht die Echtzeitsynchronisation der Daten. Dieser Prozess ermöglicht es dem digitalen Modell, den aktuellen Status des physischen Objekts genau widerzuspiegeln.

#Schritt 4: Implementierung von Feedback-Mechanismen

Feedback-Mechanismen wurden eingerichtet, die es dem Digitalen Zwilling ermöglichen, Befehle basierend auf den gesammelten Daten zurück an das physische System zu senden.

#Schritt 5: Fortgeschrittene Entscheidungsfindung

In diesem Schritt wurden fortschrittliche Algorithmen für Entscheidungsprozesse angewendet. Ziel ist es, die Leistung des physischen Systems durch Erkenntnisse aus dem Digitalen Zwilling zu optimieren.

#Fazit

Das Konzept des Digitalen Zwillings birgt grosses Potenzial zur Verbesserung des Designs, der Tests und des Betriebs von Raumfahrzeug-Trägersystemen. Die DEVOTION-Methodik, unterstützt durch die DTME, bietet einen strukturierten Ansatz zur effizienten Entwicklung von Digitalen Zwillingen. Indem Ingenieure der Reifegradmatrix folgen, können sie die damit verbundenen Komplexitäten bewältigen und robuste Digitale Zwillinge entwickeln, die ihre beabsichtigte Funktion effektiv erfüllen.

#Zukünftige Arbeiten

In Zukunft wird der Fokus darauf liegen, die DTME zu verfeinern, fortgeschrittene Reifegrade für Digitale Zwillinge zu erreichen und die Modellierungsfähigkeiten auf verschiedene Aspekte von Raumfahrzeug-Trägersystemen auszudehnen. Verbesserungen in den Simulationsfähigkeiten und die Integration von Echtzeitdaten werden ebenfalls entscheidend sein, um das volle Potenzial von Digitalen Zwillingen im Luft- und Raumfahrtbereich zu verwirklichen.