3. Mai 2021

Innovationslabor Hafen – Digitale 1:1 Abbildungen von Prozessen, Personen und Objekten

Ein Beitrag von Dr. Sebastian Saxe für ThIS!

Durch die stetig fortschreitende Technisierung des Hafens durch digitale Megatrends wie die des Internets der Dinge in Kombination mit der fortschreitenden Entwicklungen in den Bereichen Sensorik, 5G Netze, Virtual- und Augmented Reality, Künstlicher Intelligenz (KI) und Quantum-Computing wird die digitale 1:1 Abbildung realer Objekte, Prozesse oder Personen nunmehr Realität. Dabei verschwimmen die Grenzen zwischen der Offline- und der Online-Welt immer mehr.

Aus der Verwendung und Verknüpfung von Echtzeitdaten aus Sensoren, sowie weiteren betrieblichen und externen Informationsquellen entsteht ein virtuelles Echtzeit-Spiegelbild, dessen Zustand sich mittels Data Analytics und Machine Learning überwachen und optimieren lässt. Durch Simulationsmodelle können darüber hinaus Erkenntnisse zur Beantwortung von „Was-wäre-wenn Fragen“ gewonnen werden. Eine Besonderheit besteht zudem in der intuitiven Darstellung der Daten mittels Augmented oder Virtual Reality. Gartner definiert auf diese Weise Digitale Zwillinge. Demnach sind also Digitale Zwillinge

dynamische, virtuelle Darstellungen eines physischen Objekts oder Systems über mehrere Phasen seines Lebenszyklus hinweg. Andere Definitionen von Digital Twins sind aber ebenso existent und zutreffend. Digital Twins beschreibt mehr ein Framework oder Methodik als ein konkretes Kochrezept – und kann entsprechend angepasst werden.

Bis heute existiert noch keine einheitliche Definition Digitaler Zwillinge. Dies liegt vor allem in den unterschiedlichen Schwerpunkten und Zielsetzungen begründet, die sich je nach Branche und Anwendungsfeld stark unterscheiden. In diesem Artikel werde ich die Definition vom bekannten Marktforschungsinstitut Gartner zugrundlegen, weil sie für den „Digital Port Twin“ ein schlüssiges Bild ergibt, was im Folgenden erläutert wird. Danach präsentiere ich  Ihnen in dem folgenden YouTube-Video den Stand der Dinge bei der Verfolgung der „Digital Port-Twin Philosophie“ der Hamburg Port Authority.

YouTube-Video: Hamburger Hafen – Die Zukunft ist da

Stöbert man in der Geschichte unserer Gesellschaft, so stellt man fest, dass diese zu jedem Zeitpunkt durch Megatrends transformiert wurde (vgl. die Kontrradieff-Zyklen). Momentan treffen mit der neuen Herausforderung durch die Covid-19-Pandemie, der Mobilitätswende, der Klimakrise und mit dem demographischen Wandel gleichzeitig mehrere disruptiv einzuschätzende „Challenges“ aufeinander. Parallel verursacht ein weiterer Megatrend, die Digitalisierung, ebenfalls radikale Veränderungen und muss simultan gesteuert und bewältigt werden. Neben den großen Herausforderungen bietet die Digitalisierung auch große Chancen, etwa durch das Konzept der „Digitalen Zwillinge“: Physikalisch korrekte (1:1-) Abbildungen von Segmenten der Realität, mit denen neuartige experimentelle Innovationsumgebungen möglich werden. Häufig sieht man noch in erster Linie Digitale Zwillinge als Weiterentwicklung von Modellierungen und Visualisierungstechnologien. Doch hinter dem digitalen Präsentationslayer eines materiellen oder immateriellen Objekts oder Prozesses aus der realen Welt verbirgt sich ein noch viel größeres Potential: Die Möglichkeit zum „Experiment“ mit Gegenständen oder Prozessen! Jenes ist, in der realen Welt häufig – etwa aus Sicherheits- oder Kostengründen – gar nicht möglich. Bei diesen Simulationen handelt es sich nicht um fiktive Szenarien mit künstlichen Objekten! Die immense Ausbreitung des Einsatzes von Sensoren, wie am Beispiel der smartBRIDGE-Hamburg mit weit über 500 IoT-Sensoren, und deren Vernetzung im Konzept des Internet of Things erwecken die stillen Modelle zum Leben und geben den entsprechenden Managern und Betrachtern sogar die Fähigkeit, ihre Wahrnehmung mit uns zu kommunizieren. In dem YouTube-Video von der Hamburg Port Authority wird dies am Beispiel der Simulation eines Brandes sehr deutlich. Mit 5G-Netzen und der sich damit ergebenden extrem kurzen Latenzzeiten wird dieses perspektivisch sogar in Echtzeit geschehen. Der Leistungssprung bei den Algorithmen der Künstlichen Intelligenz, der sich ja gleichzeitig vollziehen wird, wird uns in die Lage versetzen die Wahrnehmungen der Twins im Hafen zu verstehen, und die Objekte in der realen Welt zu steuern. Dieses wird im YouTube-Film der Nautischen Zentrale der Zukunft am Beispiel einer Fehlerbeseitigung an einer Brücke sehr schön verdeutlicht.

Insgesamt veranschaulicht das Video ein schon seit langem verfolgtes, klares Ziel der HPA: die gesamte Hafenwelt mit der Abbildung aller Komponenten, Akteuren, Einflussfaktoren und Beziehungen, in einer Art „physikalisch, korrektem Simulationsspiel“ nachzubilden. Dabei wird nicht ein digitaler Zwilling von einzelnen Komponenten, wie zum Beispiel einem Containerschiff oder einem 700 Meter langem Zug betrachtet, sondern von dem gesamten, vernetzten und vermaschten System – also dem Hafen insgesamt. Und zwar in Echtzeit.

Der große Gewinn besteht darin, dass man in der Lage wäre, völlig risikolos mit unserem System – also dem Hafen – zu experimentieren, Innovationen auszuprobieren, Extremsituationen durchzuspielen (wie zum Beispiel einen Brand) und völlig neue Ablaufprozesse, wie bspw. die Wartung von Brücken mit Drohnen zu simulieren. Das alles basierend aus Daten der „realen Welt“. Zwei große Stränge der datengetriebenen Künstlichen Intelligenz spielen hier eine wichtige Rolle („supervised und unsubvervised learning“), aber noch viel wichtiger ist der wohlbekannte  „Trial-and-Error“-Ansatz, der meist durch „reinforcement learning“ umgesetzt wird. Hiermit ist man dann in der Lage Experimente zu machen und neue Ideen testen, die zum Teil sogar von künstlichen Intelligenzen selbst geschaffen werden, und die auf den ersten Blick möglicherweise „verrückt“ klingen, aber eventuell zu einer gewaltigen Verbesserung ausgewählter Prozessketten führen können.

Zur Realisierung einer solchen Vision im Hafen sind vier zentrale Bausteine von Digitalisierungstechnologien erforderlich: (1) die vollständige Simulation des Systems, (2) den durchgängigen Datenzugriff mit minimalen Latenzzeiten, (3) die KI zur Berechnung und Durchführung, und –  (4) einen neuen Ansatz im High Performance Computing. Und bei Letzterem gibt es noch eine „Baustelle“. Im Bereich klassischer Chipentwicklung sind bald keine radikalen Verbesserungen mehr zu erwarten. Glücklicherweise erscheint zeitgleich aber eine neue Technologie auf dem Markt, die seit mehreren Jahrzehnten intensiv beforscht wird: Quantum Computing. Mit Quanten Computing kommt ein völlig anderer Hardwareansatz zum Tragen. Er wird voraussichtlich in den kommenden Jahren zu einer völlig neuen Leistungsklasse im High Performance Computing führen. Dort bestehen dann neuartige „intrinsische“ Fähigkeiten zur Parallelisierung von Algorithmen.

Das oben verlinkte YouTube-Video der Hamburg Port Authority veranschaulicht diese Vision. Mit der Umsetzung in der Hafenwelt befinden uns in der vierten industriellen Revolution. Sie wird von Künstlicher Intelligenz getrieben, ist durch eine starke Vernetzung gekennzeichnet. Sowohl in der vertikalen Wertschöpfungskette als auch in den multimodalen Mobilitäten. Wir brauchen also dazu auch ein Ökosystem der „Connected Digital Port Twins“, in dem wir die Daten von den Port Authorities der Häfen in der Welt und von den Mobilitätsanbietern fusionieren, vernetzen und austauschen. Wir brauchen eine völlig neue Offenheit und Vertrauen im gesamten Hafen-Sektor, um die Vision Wirklichkeit werden zu lassen.

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