Verwalten digitaler Zwillinge Blockchain bietet neue Wege

Digitale Zwillinge – sie bestimmen entscheidend den Erfolg von Industrie-4.0- und IoT-Projekten. Ihr Einsatz verlangt jedoch einige Regeln, die nicht immer klar sind. Helfen kann dabei die Blockchain-Technik.

Mit der digitalen Transformation in Wirtschaft und Gesellschaft wandeln sich Unternehmen, deren Geschäftsmodelle sowie das Verwenden der Produkte. Erkennbar ist das an einer Fülle an Internet of Things (IoT)- und Indus­trie-4.0-Projekten und -Produkten. Disruptive Technologien wie Blockchain und digitale Zwillinge (DZ), ermöglichen es Produktherstellern und –nutzern, sich weiterzuentwickeln.

Viele Unternehmen setzen derzeit auf das Modell des digitalen Zwillings. Um sein Potenzial jedoch voll auszuschöpfen, muss der DZ ein Produkt über den kompletten Lebenszyklus begleiten. Er wirkt dabei wie eine Art Facebook des Assets, das die Historie der Entwicklung und Nutzung mitführt und als Status den aktuellen Zustand präsentiert. Herausfordernd ist hierbei die Infrastruktur: angefangen bei der Entstehung des DZ beim Hersteller, über den Maschinenbauer bis hin zum Betreiber. Alles muss dokumentiert sein – und das transparent, unveränderlich, vom jeweiligen Besitzer administrierbar und sicher.

Eine Option hierfür ist die Blockchain-Technologie. Sie wird im Projekt »Technische Infrastruktur für Digitale Zwillinge (TeDZ)« des Spitzenclusters intelligente technische Systeme Ostwestfalen-Lippe (it´s OWL) erprobt. Zu den Assets im Projekt gehören alle werthaltigen Objekte wie Hardware, Software und Services. Ebenfalls schließt die Definition des Assets Dienstleistungen, Mensch-Maschine-Interaktionen sowie Prozessketten mit ein. Das Spitzencluster it’s OWL ist ein Zusammenschluss von knapp 200 Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Organisationen in der Region Ostwestfalen-Lippe. Es soll Innovationen in den Bereichen Automotive, Maschinenbau und Automa­tisierung voranbringen.

Produktlebenszyklus transparent darstellen

Der digitale Zwilling unterscheidet zwischen Typen und Instanzen. Ein Typ-DZ entsteht während des Entwickelns eines Assets. Er bildet die Scha­blone für das Fertigen des Assets und ist für den Anwender wie eine Produktdokumentation zum Beispiel im Rahmen der Entwicklung verfügbar. Der Instanz-DZ wird während der Produktion generiert und basiert auf dem Typ-DZ, der Fertigungsdaten – beispielsweise die Seriennummer oder den Produktionsstandort – enthält. Folglich gehört der Instanz-DZ zu einem konkreten, ausgelieferten Produkt.

Das Erzeugen und Nutzen von digitalen Zwillingen lässt sich lediglich mit einer nahtlosen Automation von Prozessen und eingesetzten Betriebsmitteln wirtschaftlich realisieren. Allein die große Anzahl an bereitgestellten Produkten sowie die Menge an verknüpften Informationen erlauben keine andere Vorgehensweise. Erforderlich ist dazu eine Infrastruktur, die den Informationsfluss für den DZ und die Identifikation gestattet, Produktiv- und Fertigungsprozesse integriert sowie den DZ anwenderspezifisch und sicher anbietet.

Am besten lässt sich das Szenario an der Instanz sowie ihrem digitalen
Zwilling veranschaulichen. Die In­stanz des Produkts liegt jeweils beim Eigner des Assets. Ausschließlich so ist der Lebenszyklus vollständig über dieverschiedenen Besitzer – wie Hersteller, Maschinenbauer und Betreiber – darstellbar. Hieraus resultieren unterschiedliche Anforderungen an die Infrastruktur für DZ, welche die Daten  liefernden und aufnehmenden Systeme der Industrie mit einbindet. Das können folgende Systeme sein (Bild 1):

  • ERP (Enterprise Resource Planning)
  • PIM (Product Information Mana­gement)
  • MES (Manufacturing Execution
  • System)
  • CRM (Customer Relationship Management)
  • ALM/PLM (Application/Product Lifecycle Management)

Wem gehört der digitale Zwilling?

Anhand des Instanzbeispiels lässt sich erkennen, dass sich die Besitzverhältnisse im Lebenszyklus eines digitalen Zwillings ändern. Dahinter steht der allgemeine Anwendungsfall, dass der bisherige Eigentümer – beispielsweise der Hersteller – seinen Besitz an einem digitalen Zwilling an einen neuen Eigentümer, beispielsweise einen Maschinenbauer, überträgt. Bild 2 visualisiert diesen Ablauf, eingebettet in die Übermittlung der Informationen des Zwillings.

Da der digitale Zwilling als ein werthaltiges digitales Objekt zu verstehen ist, wird genau wie in der physikalischen Welt ein Konzept zum sicheren Abbilden der Eigentumsverhältnisse benötigt. Dazu zählt, dass sich der Besitz als exklusive Zuordnung eines digitalen Objekts zu einer Organisationseinheit erweist. Generell lässt sich von einer Registratur sprechen, in der die Eigentumsverhältnisse aufgelistet sind.

Zu beachten ist, dass ein Asset zu einem Zeitpunkt lediglich einen Eigentümer haben kann, während sich einer Organisationseinheit mehrere Assets zuordnen lassen. Ein Beispiel für eine Regis­tratur in der physikalischen Welt ist ein Telefonbuch: Es weist Telefonnummern als Asset-ID eindeutig einer Organisation zu, also dem Namen des Teilnehmers. Nachfolgendes Szenario umfasst jedoch keine rechtliche Einordnung. Darüber hinaus sind die Eigentumsverhältnisse am DZ nicht zwangsläufig identisch mit denen am physischen Objekt (Bild 3).

Zentrales IT-System

Beim geschilderten Anwendungsfall der Eigentumsübertragung muss sichergestellt sein, dass ausschließlich der aktuelle Besitzer einen Eigentumsübertrag herbeiführen kann. Außerdem darf der gegenwärtige Besitzer nicht gleichzeitig zwei unterschiedliche Übertragungen desselben digitalen Zwillings veranlassen können. Erst mit den beiden Zusicherungen lässt sich das digitale Asset verkaufen und als Grundlage für digitale Mehrwertdienste einsetzen.

Ein konventioneller, systemtechnischer Ansatz für ein Registratursystem ist ein zentrales IT-System. Als sogenannte Single Source of Truth gewährt es neben der Steuerung des lesenden und schreibenden Zugriffs ebenfalls die Pflege der Registratur der Eigentumsverhältnisse. Mit der Pflege der Registratur muss in diesem Konzept eine Partei betraut sein, die im gesamten Wertschöpfungsnetzwerk Vertrauen genießt. Allerdings entsteht aus Sicht der Teilnehmer im Netzwerk eine unerwünschte Abhängigkeit von einer dritten Partei.