Digitale Zwillinge als Grundlage simulations­getriebener Entwicklung

Ziel der Entwicklung eines digitalen Zwillings ist üblicherweise die realitätsgetreue Abbildung eines realen Objekts und dessen Wechselwirkung mit der Umgebung. Idealerweise sollte sich das Verhalten in der digitalen Version nicht vom Verhalten des realen Objekts unterscheiden. Voraussetzung dafür ist, dass das reale Verhalten bekannt ist. Ein realitätsgetreuer digitaler Zwilling berücksichtigt nicht nur spezifizierte Eigenschaften, sondern auch jene, die während des Betriebs außerhalb der Spezifikation auftreten. Doch wie präzise muss das Abbild sein? Mit dieser Frage beschäftigt sich das Team der Steinbeis Interagierende Systeme GmbH im SimOps-Projekt.

SimOps setzt sich aus den Begriffen „Simulation“ und „Operations“ zusammen und beschreibt die Verbindung der Softwareentwicklungsmethodik DevOps mit simulationsgetriebener Entwicklung. Digitale Zwillinge bilden hierfür die Grundlage (s. Steinbeis Transfer-Magazin 02|25, S. 52). Ziel ist die frühzeitige Prüfung eingebetteter Systeme in einer simulierten physikalischen Umgebung. Eine belastbare Aussage über das in der Realität zu erwartende Verhalten ist jedoch nur möglich, wenn die benötigten Systemkomponenten – egal ob bereits existierend oder noch nicht vorhanden – in der Simulation durch digitale Zwillinge ersetzt werden.

Das Herrenberger Steinbeis-Team hat auf Basis des SimOps-Ansatzes eine Lernplattform entwickelt, die Studierenden und neuen Mitarbeitenden in Unternehmen die Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen und Algorithmen für autonomes Fahren praxisnah vermittelt. Im Zentrum dieser Plattform steht die Simulation eines Modellautos. Sie ermöglicht die Implementierung und das Testen von Fahrzeugsoftware sowie der zugrundeliegenden Entwicklungsprozesse – ohne das reale Modellauto einsetzen zu müssen. Neben einem digitalen Zwilling für kinematische und dynamische Eigenschaften umfasst die Simulation auch digitale Zwillinge der verbauten Lidar- und Ultraschallsensoren sowie der Front- und Rückfahrkameras. So wurde ein virtuelles Abbild der Realität geschaffen. Das Motto des Projekts lautet daher: „Auto fahren ohne Auto“.

Wie präzise muss der digitale Zwilling sein?

Bei der Entwicklung eines virtuellen Abbilds sind zwei Fragen unvermeidbar: „Wie genau muss das Abbild dem realen Objekt entsprechen?“ und „Ist es genau genug?“ Ein reales Beispiel verdeutlicht dies: Lidarsensoren liefern unter bestimmten Umständen – etwa bei transparenten oder lichtdurchlässigen Materialien wie Glas – abweichende Daten. Wird der Laserstrahl nur teilweise reflektiert, ist es dem Sensor nicht möglich, die Entfernung korrekt zu bestimmen. Ein vergleichbares Verhalten muss auch beim digitalen Zwilling berücksichtigt werden, da es ansonsten zu abweichenden Reaktionen in der Simulation führen würde.

Das bedeutet: Digitale Zwillinge sollten ihrem realen Vorbild möglichst nahekommen. Gleichzeitig ist bei ihrer Entwicklung eine Abwägung zwischen Genauigkeit und Entwicklungsaufwand erforderlich. Eine hundertprozentige Übereinstimmung ist in der Praxis selten möglich. Die Reaktionen des simulierten Modellautos hängen daher maßgeblich von der Güte der digitalen Zwillinge ab. Belastbare Aussagen über das in der Realität zu erwartende Verhalten lassen sich nur dann treffen, wenn diese Güte bekannt ist und bei der Auswertung der simulierten Ergebnisse berücksichtigt wird.

Das Herrenberger Steinbeis-Team beschäftigt sich deshalb mit der Frage, wie digitale Zwillinge für den jeweiligen Zweck funktional passend und effizient entwickelt sowie bewertet werden können. Ziel der SimOps-Lernplattform ist es somit auch, abstrakte Ansätze aus den Bereichen SOTIF, ISO 26262, Systems Engineering und szenariobasierte Methoden erlebbar zu machen – und aufzuzeigen, welchen Einfluss die Bewertung der Projektgüte durch eine systematische Verwendung von Kennzahlen auf das Projektergebnis haben kann.