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Digitale Modelle und Realität verschmelzen

Die Diskussionen zum Thema Digitaler Zwilling werden auch von Unternehmen genauestens verfolgt, die aus den bislang theoretischen Konzepten realen Nutzen ziehen wollen. Denn der Digitale Zwilling verspricht vielfältige Anwendungsfälle, die Fabriken leistungsfähiger und Produkte kundenorientierter machen können. Die Unternehmen arbeiten an der Umsetzung des Konzepts und bereiten ihre Prozesse und Systeme auf den Einsatz des Digitalen Zwillings vor.

Was ist neu am Konzept „Digitaler Zwilling“?

Es ist längst Standard, dass Industrieunternehmen auf digitale Modelle zurückgreifen: beispielsweise in der Produktentwicklung (CAD) oder in der Planung von Produktionsanlagen (Design Review). Alle aktuellen Anwendungsfälle kommen im Vorfeld der konkreten Nutzung des Produkts oder Produktionsmittels zum Einsatz. Das Konzept des Digitalen Zwillings geht weit über dieses Modellverständnis hinaus, da es in der Nutzungsphase eines Produkts oder einer Produktionsanlage ansetzt. Beim Digitalen Zwilling werden das reale Produkt und das digitale Abbild erstmals direkt miteinander verknüpft. So wird ein virtuelles Abbild der Realität geschaffen, das den echten Zustand eines realen Produkts darstellt. So lassen sich individuelle Untersuchungen und Tests durchführen und beispielsweise durch Simulation verbesserte Konfigurationen ermitteln.

Eine beidseitige Synchronisierung des realen Produkts und des digitalen Abbilds bietet ein großes Optimierungspotenzial, da die durch die Simulation gewonnen Konfigurationen am realen Produkt direkt umgesetzt werden können.

Beschleunigter Optimierungszyklus

Eine Datenerfassung und -übertragung kann nahezu in Echtzeit erfolgen, sodass auch der gesamte Optimierungszyklus automatisiert und beschleunigt werden kann. Auch die Simulation und eine Rückkopplung der Ergebnisse können je nach Anwendungsfall automatisiert werden.

Unabhängig davon, ob der Digitale Zwilling im Consumer-Markt oder für Produktionsanlagen beziehungsweise ganze Produktionssysteme eingesetzt wird: das Ziel ist immer die Verbesserung der Leistungsfähigkeit des realen Produkts.

Konzept des Digitalen Zwillings (Quelle: UNITY AG)

Im B2C-Bereich ermöglicht der Digitale Zwilling neue Geschäftsmodelle: zum Beispiel durch eine Leistungssteigerung nach dem Verkauf des Produkts oder der Verkauf des Digitalen Zwillings selbst. Letzteres ermöglicht dem Kunden, sein Produkt eigenständig zu optimieren und zu individualisieren. Seine Anpassungen kann er im Vorfeld mithilfe einer Simulation absichern.

Im B2B-Bereich zielt der Einsatz eines Digitalen Zwillings ebenfalls auf die stetige Leistungssteigerung der Anlage ab. So können die Prozessdaten der gesamten Nutzungsdauer einer Maschine auf das digitale Abbild übertragen werden. Damit können alternative Produktionsszenarien und Fertigungsparameter simuliert werden. Die optimierten Anlagenkonfigurationen können dann – zum Beispiel zur Verlängerung der Werkzeugstandzeiten – zurück an die reale Maschine übertragen werden, ohne dass es zu langen Produktionsunterbrechungen kommt. Diese auf Realdaten basierende Simulation kann zukünftig auch automatisch in Echtzeit erfolgen und eine stetige Optimierung ermöglichen. So könnte der Abfall bestimmter Leistungskennzahlen eine Simulation mit geänderten Parametern auslösen und zu einer Optimierung führen. Auch in einem Fertigungsnetzwerk lassen sich durch die Verknüpfung mit dem geplanten Produktionsprogramm Leistungsgrenzen und Engpässe frühzeitig erkennen und Gegenmaßnahmen einleiten. Weitere Geschäftsmodelle für Anlagenhersteller ergeben sich aus dem Verkauf der Fertigungsleistungen einer Maschine.

Chance jetzt ergreifen – Digitalen Zwilling umsetzen

Der Digitale Zwilling bietet großes Potenzial für eine industrielle Nutzung. Die Verbreitung nimmt zu und die fortschreitende Digitalisierung und die Einführung der Industrie 4.0 erhöhen die Realisierbarkeit des Konzepts. Die stetige Verkleinerung von Sensoren und Prozessoren erhöht die Verfügbarkeit von Echtzeit-Zustandsdaten; die Vernetzung sämtlicher Produktions- und Lebenswelten ermöglicht die Verknüpfung von digitalem Abbild und realem Produkt.
Erste Beispiele aus der Praxis zeigen, dass Unternehmen sich bereits auf vielfältige Weise mit dem Digitalen Zwilling beschäftigen: PTC stellte 2015 ein Mountainbike vor, dessen Feder- und Dämpfungsparameter auf Basis erfasster und ausgewerteter Daten gesteuert wurden. Das Federverhalten wurde simulativ optimiert, auch eine Konfiguration per Smartphone-App war möglich. Daneben stellte General Electric einen Windpark vor, der sich anhand aktueller Wetter- und Winddaten selbst optimiert. 

Beide Unternehmen haben Lösungen gefunden, um große Datenmengen innerhalb kürzester Zeit aufzunehmen und zu verarbeiten. Der Digitale Zwilling und das reale Produkt müssen permanent aktuell gehalten werden und in der Softwarekonfiguration synchronisiert sein. 

Für Unternehmen ist es höchste Zeit, die Chance aus einer gesteigerten Leistungsfähigkeit, angepasstem Produktverhalten und Datengenerierung zu ergreifen und die eigenen Produkte und Produktionsmittel fit für die Zukunft zu machen und ihre Wettbewerbsfähigkeit so langfristig zu sichern.

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel „Vorsprung durch Digitale Zwillinge“ von Moritz Schele und Markus Kühn (UNITY AG), der im Fachmagazin Smart Engineering (Ausgabe 5, 2017) erschienen ist.

Das Phänomen Plattform

Der Consumer-Markt wurde bereits umgekrempelt – erfolgreiche Plattformunternehmen wie Amazon, Facebook oder Google haben den klassischen Markt verändert und etablierte Unternehmen verunsichert. Nach dem Consumer-Markt wird sich auch die Industrie mit dem Phänomen „Plattform“ auseinandersetzen müssen. In Gesprächen mit verschiedenen Experten stellten wir schnell fest, dass stets zwei unterschiedliche Dimensionen des Begriffs betrachtet werden: Die einen blicken aus der betriebswirtschaftlichen Sicht auf Plattformen, die anderen aus der technischen [SSW2015]. Doch offensichtlich lassen sich Geschäftsmodelle und Technologien nicht getrennt voneinander diskutieren. Dem sind wir auf den Grund gegangen und haben schließlich das Geschäftsmodell-Technologie-Portfolio (Gausemeier/Plass) entwickelt (Abb. 1), das den Zusammenhang beider Dimensionen veranschaulicht [EPR2017].

Das Geschäftsmodell-Technologie-Portfolio von Gausemeier/Plass, UNITY
Das Geschäftsmodell-Technologie-Portfolio von Gausemeier/Plass, UNITY

Kurz erklärt: Das Geschäftsmodell-Technologie-Portfolio

Die Dimension Geschäftsmodelle – mit der Unterscheidung in produkt- und servicebezogene Geschäftsmodelle – ist auf der X-Achse dargestellt. Erstere zeichnen sich oft durch physische Assets aus (Produkte oder Lösungen). Hier besteht ganz klassisch eine direkte Beziehung zwischen Anbietern und Nachfragern. Im zweiten Teil, Services, können neue, datenbasierte Geschäftsmodelle entwickelt werden, sodass Netzwerke entstehen.

Die Dimension Technologie wird auf der Y-Achse dargestellt. Hier unterscheiden wir die folgenden Entwicklungsstufen: In der klassischen Welt herrscht eine klare Trennung zwischen den Informationstechnologien auf dem Office Floor (Information Technology, IT) und denen auf dem Shop Floor (Operational Technology, OT). In der nächsten Stufe wachsen diese Systeme – angestoßen durch Industrie 4.0 – nun zusammen (IT/OT). Dies ermöglicht die Vernetzung der einzelnen Unternehmensebenen sowie die unternehmensübergreifende Vernetzung zu Lieferanten und Kunden, sodass man bei dieser Entwicklungsstufe erstmals von vertikaler und horizontaler Integration in der Automatisierungspyramide spricht [Pla2016]. Die nächste Entwicklungsstufe sind Plattformtechnologien. Infrastructure as a Service (IaaS), vernetzte Systeme (Cyber-physical Systems, CPS), Software-definierte Plattformen (Platform as a Service, PaaS) und Services bilden die Basis für IoT(Internet of Things)-Plattformen. Aus den beiden Dimensionen ergeben sich nun die folgenden vier Felder:

„Im Feld Klassisches Geschäft (Industrie) kommen Infrastrukturen, IT, Prozesse und Organisationsformen gemäß der Automatisierungspyramide zum Einsatz. Das Geschäftsmodell ist produkt- (auch im Sinne von Dienstleistungsprodukten) oder auch lösungsorientiert. Es handelt sich um die bekannten und etablierten Geschäftsmodelle mit dem Einsatz herkömmlicher Technologien. Jegliche Optimierung im Sinne von Digitalisierung und Automatisierung bezieht sich auf die Wertschöpfungsketten und Produkte.

Dem Feld Serviceanbieter sind Unternehmen zugeordnet, die schon seit Jahren mit bestehenden Technologien datengetriebene Services anbieten und gewisse Kompetenzen in diesem Bereich aufweisen. Ein Beispiel ist Datev, ein Anbieter von Software-Lösungen und IT-Dienstleistungen für Steuerberater, Wirtschaftsprüfer, Rechtsanwälte und Unternehmen. Daneben sind in diesem Feld Dienstleister zu finden, die zum Beispiel in der Prozessindustrie seit Jahren über analoge Technologien in den Prozessen Maintenance-Aufgaben übernehmen. Sie nutzen Daten zur Optimierung und bieten darauf aufbauend Services an.

Im Feld Plattformtechnologieanbieter finden sich Infrastrukturanbieter, die Rechenzentrumsleistungen mit Storage-Kapazitäten anbieten, wie etwa Amazon Web Services (AWS), der führende internationale Anbieter im Cloud Computing. Hinzu kommen insbesondere bei Industrie 4.0-Technologieanbietern Unternehmen, die vernetzte Produkte und Systeme (CPS) ermöglichen. Ein starkes Wachstum verzeichnen jene Unternehmen, die einzelne Funktionalitäten für Software-definierte Plattformen entwickeln und anbieten, zum Beispiel Lösungen für Sicherheit, Bezahlvorgänge oder Reporting. Sie erstellen keine eigenen Services, sondern liefern nur die dafür notwendigen Technologien.

Plattformunternehmen sind Unternehmen, die Services auf Basis von IoT-Technologien und datengetriebenen Geschäftsmodellen anbieten. In der Automobilindustrie zeigt sich dieser Trend exemplarisch: Connected Drive von BMW, car2go als Car-Sharing-Angebot von Daimler, die Mobility-Service-App Moovel und die Taxi-App Uber belegen die Entwicklung weg vom physischen Asset hin zum Daten-Asset.“ [EPR2017]

Im Feld „Plattformunternehmen“ gibt es zusätzlich Intermediäre. Sie stellen sich zwischen Anbieter/Anbieter-Ökosystem und Nachfrager. Sie sind Betreiber der Datenplattform und werten die generierten Daten aus, um daraus wiederum neues Geschäft zu entwickeln. Gelingt es einem Intermediär, Datenhoheit und Endkundenzugang in vollem Umfang zu erhalten, entsteht ein Oligopol und ggf. auch ein Monopol. Der Intermediär verändert die Wettbewerbsarena, da er sich zwischen die klassischen Akteure schiebt. Er bestimmt nun die Regeln und disruptiert die klassischen Geschäftsmodelle seiner Wettbewerber, welche zu austauschbaren Ausführern werden. Die Praxis zeigt bereits, dass Plattformunternehmen ihre ohnehin gewaltige Marktmacht durch den Zukauf von Assets im klassischen Geschäft (z.B. kauft Amazon Lagerhallen) noch weiter ausbauen können und weitere Marktteilnehmer verdrängen.

Fazit: Zusammenhänge verstehen und schnell handeln

Das Geschäftsmodell-Technologie-Portfolio befähigt Unternehmen, Zusammenhänge in der Plattformökonomie zu verstehen und auf Basis dieses Modells passende Strategien zu erarbeiten, um auch in Zukunft erfolgreich zu bleiben und nicht selbst von Wettbewerbern disruptiert zu werden. Unternehmen müssen sich die Frage stellen, inwieweit diese Veränderung des Marktmodells für sie relevant ist und die Gefahr bewerten. Antrieb sollte sein, selbst eine derartige Marktposition zu erreichen. Inwieweit ein Unternehmen allein in der Lage ist, die notwendigen Kompetenzen in der erforderlichen Geschwindigkeit aufzubauen, ist ebenfalls individuell zu bewerten. Durch Kooperationen mit anderen Partnern kann ein neues Ökosystem aufgebaut werden, über das eine Plattform schnell entwickelt und im Markt etabliert werden kann.

Literatur

[SSW2015] acatech: Smart Service Welt – Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft – Abschlussbericht (Langversion), S.71.

[EPR2017] Engels, G.; Plass, C.; Rammig, F.-J. (Hrsg.): acatech DISKUSSION „IT-Plattformen für die Smart Service Welt“. München 2017. S. 40 ff.

[Pla2016] Plass, C.: OPPORTUNITY „Digitale Geschäftsprozesse und -modelle verändern die Arbeitswelt“ 2016. S. 12 ff.