Semantic Knowledge Engineering, Interoperable and Reusable Design for Simplifying the Engineering and Operation of Digital Twins

Da Anlagen und komplexere Geräte zunehmend auch digital in Ingenieurs- und Energiesysteme integriert werden sollen, gewinnen digitale Zwillinge als Schlüsseltechnologie zur Verbindung der physischen und virtuellen Welt an Bedeutung. Für ihre Entwicklung und ihren Betrieb sind interdisziplinäre Aspekte entscheidend, wie Wissensmanagement, Interoperabilität und Wiederverwendbarkeit. Die aktuelle Forschungsliteratur weist jedoch auf zahlreiche Herausforderungen hin – insbesondere bei der Erstellung und dem Betrieb digitaler Zwillinge. Diese betreffen einzelne Komponenten, bestehende Methoden sowie unterschiedliche Perspektiven der beteiligten Akteure, was die effektive Umsetzung erschwert. Diese kumulative Dissertation setzt sich mit den genannten Herausforderungen auseinander. Ziel ist es, geeignete Frameworks und Implementierungsstrategien zu identifizieren und weiterzuentwickeln, um die Modellierung und Darstellung digitaler Zwillinge zu optimieren. Dabei werden die folgenden vier Forschungsfragen näher untersucht:1.Wie lässt sich eine einheitliche Sichtweise auf virtuelle Entitäten schaffen, um ein gemeinsames Verständnis unter den beteiligten Akteuren zu fördern und die Vergleichbarkeit bestehender Technologien, Frameworks und Architekturen digitaler Zwillinge zu ermöglichen?2.Welches Lebenszyklusmodell eignet sich, um die Entwicklung, den Betrieb und die kontinuierliche Anpassung digitaler Zwillinge abzubilden?3.Wie können physische Komponenten in sektorgekoppelten Energiesystemen – einschließlich Produktion, Umwandlung, Speicherung, Verbrauch sowie der zugehörigen erneuerbaren Energieträger – interoperabel modelliert werden, um eine weitergehende semantische Anreicherung zu ermöglichen?4.Wie können Systemmodelle – hier für industrielle Energiesysteme – durch seman-tische Annotation angereichert werden, sodass eine automatische Umwandlung in maschinenlesbare Laufzeitmodelle möglich ist? Um diese Forschungsfragen näher zu beantworten und die Entwicklung sowie den Betrieb digitaler Zwillinge zu verbessern, wurden fünf Fachartikel veröffentlicht, die in dieser Arbeit zusammengefasst sind: (1) Zunächst wird ein Meta-Framework für virtuelle Entitäten innerhalb digitaler Zwillinge vorgestellt. Dieses Framework bietet einen strukturierten Ansatz, um bestehende technische Lösungsansätze zu vergleichen und die Sichtweisen unterschiedlicher Stakeholder zu harmonisieren, wodurch ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Technologien entsteht. (2) Darüber hinaus wird ein iteratives Lebenszyklusmodell präsentiert, das die Entwicklung und den Betrieb digitaler Zwillinge abbildet. Es stellt sicher, dass digitale Zwillinge auch nach der Inbetriebnahme anpassungsfähig bleiben und ermöglicht deren kontinuierliche Weiterentwicklung. (3) Zusätzlich wurde mithilfe von Open-Source-Tools eine erweiterbare Bibliothek entwickelt, die eine flexible Modellierung von Energiesystemen ermöglicht. (4) Ergänzend dazu stellt die Arbeit einen Open-Source-basierten Parser und (5) eine Toolchain zur Verfügung, die semantische Annotationen von Systemmodellen unterstützt und die halbautomatisierte Generierung von Laufzeitmodellen ermöglicht. Insgesamt befasst sich diese Dissertation mit technischen und konzeptionellen Herausforderungen und stellt verschiedene Ansätze, Methoden und Tools für die zukünftige Entwicklung und Implementierung digitaler Zwillinge komplexer Systeme vor.