Digitaler Zwilling

Ein digitaler Zwilling (engl. ) ist eine digitale Repräsentanz eines materiellen oder immateriellen Objekts aus der realen Welt in der digitalen Welt. Es ist unerheblich, ob das Gegenstück in der realen Welt bereits existiert oder zukünftig erst existieren wird. Digitale Zwillinge ermöglichen einen übergreifenden Datenaustausch. Sie bestehen aus Modellen des repräsentierten Objekts und können daneben Simulationen, Algorithmen und Services enthalten, die Eigenschaften oder Verhalten des repräsentierten Objekts beschreiben, beeinflussen, oder Dienste darüber anbieten.<ref>Gesellschaft für Informatik (GI): Digitaler Zwilling. 15. Februar 2018, abgerufen am 17. Februar 2018. </ref>

Das Digitale-Zwillings-Konzept

Anfang des 21. Jahrhunderts wurde die Idee des digitalen Zwillings durch M. Grieves und J. Vickers zu einem Konzeptmodell des digitalen Zwillings weiterentwickelt, das sich aus drei Hauptteilen zusammensetzt:

Datei:Digital Twin Concept of Grieves and Vickers.png

Bild des Digitalen Zwillings-Konzeptes von Grieves und Vickers<ref name=":0" />

1. den physischen Produkten im „realen Raum“,
2. den virtuellen oder digitalen Produkten im „virtuellen Raum“ und
3. den Daten- und Informationsverbindungen, die beide miteinander verbinden.<ref name=":0">Michael Grieves: Digital Twin – Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication (Whitepaper). LLC, 2014 (researchgate.net). </ref>

Digitale Zwillinge werden üblicherweise in Untertypen unterteilt, zu denen der digitale Zwillingsprototyp (DTP), die digitale Zwillingsinstanz (DTI) und das digitale Zwillingsaggregat (DTA) gehören.<ref>Grieves, M. and J. Vickers, Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems, in Trans-Disciplinary Perspectives on System Complexity, F.-J. Kahlen, S. Flumerfelt, and A. Alves, Editors. 2016, Springer: Switzerland. p. 85–114. Online=https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-38756-7_4</ref> Der DTP besteht aus den Modellbeschreibungen zur Realisierung eines physischen Produkts. Der DTP existiert, bevor es ein physisches Produkt gibt. Der DTI ist der digitale Zwilling jeder einzelnen Instanz des Produkts, sobald es hergestellt ist. Der DTI ist mit seinem physischen Gegenstück für die restliche Lebensdauer des physischen Gegenstücks verbunden. Der DTA ist die Aggregation von DTIs, deren Daten und Informationen für Abfragen über das physische Produkt, Prognosen und Lernen verwendet werden können. Die spezifischen Informationen, die in den digitalen Zwillingen enthalten sind, werden durch Anwendungsfälle bestimmt. Der digitale Zwilling ist ein logisches Konstrukt, was bedeutet, dass die tatsächlichen Daten und Informationen in anderen Anwendungen enthalten sein können.

In der Vergangenheit ging es „nur“ um die digitale Abbildung bzw. Repräsentanz eines realen Objektes oder Prozesses (s. o.), in dem Konzept von Grieves und Vickers geht es auch um die Kommunikation zwischen dem realen und virtuellen Objekt, deshalb sprechen sie auch vom Digitalen-Zwillings-Konzept. Die Daten, die von dem realen zum virtuellen Objekt/Prozess fließen werden auch als oder digitaler Schatten bezeichnet. Die Informationen, die vom virtuellen zum realen Objekt/Prozess fließen, werden auch als bzw. digitaler Impuls bezeichnet. Aus dem Vergleich und der Analyse der Abweichungen zwischen den realen und virtuellen Objekten können die realen Objekte wieder an das virtuelle Objekt angepasst werden. In der Informationstechnologie war anfangs das reale Objekt führend und das digitale Abbild diente der Unterstützung der realen Prozesse. Durch die Industrie 4.0 hat es einen Paradigmenwechsel gegeben, so ist bei dem Digitalen Zwillings-Konzept das virtuelle Objekt führend, das reale Objekt muss diesem folgen bzw. sich diesem anpassen. Bei technischen Anlagen kann aus den auftretenden Abweichungen eine Nachjustierung einer Anlagenkomponente oder bspw. auch eine vorausschauende Instandhaltung () abgeleitet werden. Bei Prozessen oder sich bewegenden Objekten können die Abweichungen durch die Veränderung der Steuerungsgrößen (s. a. Stellgröße) und/oder der Eingabeparameter entsprechend wieder angeglichen werden. Damit umfasst die Definition des Digitalen Zwillings mittlerweile auch die Steuerung auf Basis von Echtzeitdaten,<ref>Hendrik van der Valk, Hendrik Haße, Frederik Möller, Michael Arbter, Jan-Luca Henning: A Taxonomy of Digital Twins. In: AMCIS 2020 Proceedings. 10. August 2020 (aisnet.org [abgerufen am 21. Juli 2022]). </ref> sodass folgende Archetypen identifiziert werden können:<ref>Hendrik van der Valk, Hendrik Haße, Frederik Möller, Boris Otto: Archetypes of Digital Twins. In: Business & Information Systems Engineering. Band 64, Nr. 3, 1. Juni 2022, ISSN 1867-0202, S. 375–391, doi:10.1007/s12599-021-00727-7 (springer.com). </ref>

Basic Digital Twin

Digitale Repräsentation eines Objektes oder Systems mit internem Speicher und Datenverarbeitung

Enriched Digital Twin

Digitaler Zwilling mit Einbindung benachbarter Datenströme (Upstream)

Autonomous Control Twin

Autonomes cyber-physisches System mit Mensch-Maschine-Schnittstelle (z. B. Dashboard) zur Interaktion und Eingriffsmöglichkeit

Enhanced Autonomous Control Twin

Autonomous Control Twin mit Daten-Downstream in nachgeordnete Systeme

Exhaustive Twin

Autonomes, interoperables System, das Usern volle Eingriffsmöglichkeit gewährt und sowohl eingehende Daten einbindet als auch ausgehende sendet

Anwendungsbereiche

Der digitale Zwilling kann für unterschiedliche Zwecke entwickelt und in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden.

Industrielle Fertigung von technischen Produkten

Für die Industrie hat der digitale Zwilling<ref>Ulrich Sendler, Rainer Stark, Anton S. Huber: Industrie 4.0 grenzenlos. Hrsg.: Ulrich Sendler. Springer Vieweg, Berlin / Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-48277-3, S. 270. </ref> eine besondere Bedeutung.<ref>Was ist ein Digitaler Zwilling? SendlerCircle klärt auf. 26. Februar 2019, abgerufen am 12. Mai 2019 (). </ref><ref>Definition des sendler\circle für ‘Digitaler Zwilling’ – Neues und Hintergrundinfos zu PLM. Archiviert vom Vorlage:IconExternal am 12. Mai 2019; abgerufen am 12. Mai 2019. </ref> Seine Existenz und Nutzung in den Prozessen der industriellen Wertschöpfung kann für die Unternehmen ein entscheidender Wettbewerbsvorteil sein. Dies gilt insbesondere seit Anfang der 2010er-Jahre, seit das Internet der Dinge die Herstellung von digital gesteuerten und vernetzten Produkten aller Art mit integrierten Dienstleistungen möglich macht.

In der Industrie gibt es digitale Zwillinge beispielsweise für Produkte, Produktionsanlagen, Prozesse und Dienstleistungen. Sie können auch schon vor dem realen Zwilling existieren, zum Beispiel als Designmodelle künftiger Produkte und sie können dazu dienen, Daten aus dem Einsatz der realen Zwillinge zu analysieren und auszuwerten.

Ihr besonderer Wert für die Industrie ergibt sich aus der Einsparung physikalischer Prototypen und der Möglichkeit, Verhalten, Funktionalität und Qualität des realen Zwillings unter jedem relevanten Aspekt zu simulieren. Dieser Wert kann für alle Teile der Wertschöpfung über den gesamten Lebenszyklus von Produkten, Anlagen und Dienstleistungen genutzt werden.

Ein digitaler Zwilling nimmt verschiedenste Formen an. Er kann zum Beispiel beim Design von Systemen mit Hilfe von MBSE die verschiedenen Abstraktionsstufen zur Systemarchitektur durchlaufen, darüber hinaus auf einem Verhaltensmodell der Systementwicklung aufbauen, einem 3D-Modell oder einem Funktionsmodell, das mechanische, elektronische und andere Eigenschaften und Leistungsmerkmale des realen Zwillings im Lauf einer modellbasierten Ausgestaltung möglichst realistisch und umfassend abbildet.

Die unterschiedlichen digitalen Zwillinge können miteinander verknüpft sein und auch eine umfangreiche Kommunikation und Interaktion mit den realen Zwillingen erlauben. Man spricht auch von einem digitalen Faden (), der sich durch den gesamten Produktlebenszyklus zieht und noch weitere produktrelevante Informationen einschließen kann. Den größten Nutzen hat ein Unternehmen von solch einem durchgängigen digitalen Faden, der die Optimierung über verschiedene Wertschöpfungsprozesse hinweg erlaubt und die Ausschöpfung einer großen Palette von digitalen Geschäftsmodellen für Produkte oder angebotene Dienstleistungen.

Wenn dabei die große Anzahl von Abhängigkeiten zwischen System- und Produktarchitekturen, Varianten, Geschäftsmodellen und Dienstleistungen für das Produktportfolio strukturell und systematisch gehandhabt werden, kann der digitale Faden in den jeweiligen Lebenszyklen seine Leistungsfähigkeit umfassend entfalten für konsistente digitale Zwillinge.

Die Produktionstechnik ist nur eines von vielen industriellen Einsatzfeldern. Digitale Zwillinge bilden Anlagen über den gesamten Lebenszyklus (Design, Erstellung, Betrieb und Wiederverwertung) ab. Schon während der Planung können Ingenieure Simulationsmodelle nutzen, um Abläufe zu optimieren. Ist die Anlage in Betrieb, können die gleichen Simulationsmodelle verwendet werden, um Abläufe weiter zu optimieren und um die Produktion zu wandeln.<ref>Definition » Digitaler Zwilling «. In: Gabler Wirtschaftslexikon. (wirtschaftslexikon.gabler.de [abgerufen am 17. Februar 2018]). </ref>

In der Praxis existiert eine Vielzahl von Definitionen der Digitalen Zwillingen in der Produktion. Diese Definitionen richten sich dabei oftmals an verschiedene Zwecke (z. B. Wartungs-Szenarien<ref>Itxaro Errandonea, Sergio Beltrán, Saioa Arrizabalaga: Digital Twin for maintenance: A literature review. In: Computers in Industry. Band 123, 1. Dezember 2020, ISSN 0166-3615, S. 103316, doi:10.1016/j.compind.2020.103316. </ref>) oder spezifische Domänen in der Produktion (z. B. Produktion von Batteriezellen<ref>Jonathan Krauß, Arno Schmetz, Antje Fitzner, Thomas Ackermann, Kevin Bernard Pouls, Tom-Hendrik Hülsmann, David Roth, Janine Gehring, Nils Christian Hamacher, Wilhelm Jaspers, Leon Mohring, Natalja Rube, Jens Tübke, Alexander D. Kies, Alexander Kreppein, Johann-Philip Abramowski, Robert H. Schmitt, Christoph Baum, Alexander Brandstetter, Soumya Singh, Dennis Cziasto, Olga Meyer, Mia J. K. Kornely, Sander Kraus, Philipp Niemietz, Thomas Bergs, Achim Kampker: Der Digitale Zwilling in der Batteriezellfertigung. 10. Januar 2023, doi:10.24406/publica-496 (fraunhofer.de [abgerufen am 22. Juni 2023]). </ref>). Diese Definitionen sind dabei nicht zwangsläufig kompatibel und können widersprüchlich sein.<ref>Manuela Dalibor, Nico Jansen, Bernhard Rumpe, David Schmalzing, Louis Wachtmeister, Manuel Wimmer, Andreas Wortmann: A Cross-Domain Systematic Mapping Study on Software Engineering for Digital Twins. In: Journal of Systems and Software. Band 193, 1. November 2022, ISSN 0164-1212, S. 111361, doi:10.1016/j.jss.2022.111361. </ref>

Datei:Digitaler Steuerungs-Zwilling.png

Illustration des Digitalen-Steuerungs-Zwilling

Transportwirtschaft

Im Bereich der Transportwirtschaft und des Lagerwesens entwickeln Internationale Logistikunternehmen wie die DHL oder UPS laufend neue Anwendungen für den digitalen Zwilling wie Track and Trace oder die intelligente Steuerung von Lagerhäusern oder ganzen Hafenanlagen (s. Weblinks) und Software-Hersteller wie SAP oder Oracle erweitern ihre ERP-Systeme und bieten neue IT-Lösungen als für das Supply Chain Management<ref>Vorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/NameVorlage:Cite book/Name: [ Mastering the Supply Chain by a Concept of a Digital Control-Twin.] , archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am Vorlage:Cite book/URL; abgerufen am 29. Dezember 2020 (10.15480/882.3120).  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/tore.tuhh.de Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung</ref> an.

Produktions- und Auftragssteuerung

Das Konzept des digitalen Zwillings wird zunehmend auch in der Produktionssteuerung, der Logistik und der Beschaffung angewendet<ref>W. Herlyn, H. Zadek: Der Digitale Steuerungs-Zwilling – Dynamische Auftrags- und Materialflusssteuerung auf Basis des Konzeptes eines digitalen Steuerungs-Zwillings. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZwF). Bd. 115, 2020, S. 70–73.</ref>. Dadurch kann dieses Konzept eng mit den Methoden und Mitteln der Steuerungstechnik und der Regelungstechnik verbunden werden. Inzwischen wird dieses Konzept auch für die auftragsbezogene Fertigungssteuerung in der Automobilindustrie bei Mercedes-Benz eingesetzt.

Medizin

Die Idee des digitalen Zwillings findet auch in der Medizin zunehmend Verbreitung in Form eines Abbilds eines Patienten<ref>Digitaler Zwilling in der Medizin: Revolution im Gesundheitswesen? bfdi.bundesdruckerei.de, abgerufen am 6. Dezember 2024. </ref><ref>PDF-Datei: Digitale Patientenzwillinge sollen Diagnose und Therapie verbessern. iese.fraunhofer.de, abgerufen am 6. Dezember 2024. </ref> und lässt sich dem Bereich der personalisierten Medizin zuordnen. Es lassen sich dabei folgende Ansätze/Herangehensweisen unterscheiden:

Virtuelles Abbild mittels bildgebender Verfahren

Der mittlerweile schon sehr etablierte Ansatz für einen Digitalen Zwilling eines Patienten ist, ein virtuelles Abbild eines Patienten mittels bildgebender Verfahren, wie MRT u. a., zur Simulation von medizinischen Anwendungen zu erstellen. So kann sich der Arzt bereits vor der Behandlung mit der konkreten Situation des jeweiligen Patienten auseinandersetzen und bei chirurgischen Operationen können dadurch patientenindividuelle Einsätze (z. B. künstliche Gelenke) vorgefertigt und genau eingesetzt werden, was ein verbessertes Operationsergebnis und einen schnelleren Genesungsverlauf ermöglicht. In der Computerassistierte Chirurgie sind sie wichtig, um eingesetzten Operationsroboter sehr präzise zu steuern.

Auf Basis von individuellen medizinischen Daten

Durch Erfassung von Vitalparametern, durch Analyse von multimodalen Patientendaten und/oder mittels Genomsequenzierung sowie mittels präziser Phänotypisierung<ref>Digitale Biomarker und digitale Patientenzwillinge: Die unsichtbaren Helden deiner Gesundheit! iese.fraunhofer.de, 15. August 2024, abgerufen am 6. Dezember 2024. </ref> wird ein virtuelles Abbild eines Patienten, ein digitaler Zwillinge, geschaffen, der dann z. B. für die individualisierte Wahl von Arzneimitteln weiterentwickelt wird, um einen besseren Behandlungseffekt für den jeweiligen Patienten zu ermöglichen.<ref>Aleksandr Ianevski, Jenni Lahtela, Komal K. Javarappa, Philipp Sergeev, Bishwa R. Ghimire, Prson Gautam, Markus Vähä-Koskela, Laura Turunen, Nora Linnavirta, Heikki Kuusanmäki, Mika Kontro, Kimmo Porkka, Caroline A. Heckman, Pirkko Mattila, Krister Wennerberg, Anil K. Giri, Tero Aittokallio: Patient-tailored design for selective co-inhibition of leukemic cell subpopulations. In: Science Advances. Band 7, Nr. 8, Februar 2021, ISSN 2375-2548, S. eabe4038, doi:10.1126/sciadv.abe4038, PMID 33608276, PMC 7895436 (freier Volltext). </ref><ref>Samuel Schäfer, Martin Smelik, Oleg Sysoev, Yelin Zhao, Desiré Eklund, Sandra Lilja, Mika Gustafsson, Holger Heyn, Antonio Julia, István A. Kovács, Joseph Loscalzo, Sara Marsal, Huan Zhang, Xinxiu Li, Danuta Gawel, Hui Wang, Mikael Benson: scDrugPrio: a framework for the analysis of single-cell transcriptomics to address multiple problems in precision medicine in immune-mediated inflammatory diseases. In: Genome Medicine. Band 16, Nr. 1, 20. März 2024, ISSN 1756-994X, S. 42, doi:10.1186/s13073-024-01314-7, PMID 38509600, PMC 10956347 (freier Volltext). </ref> Darüber hinaus werden bereits weitere Einsatzmöglichkeiten dieses Vorgehens angewendet<ref>Virtueller Zwilling soll Behandlung mit Krebsimmuntherapien verbessern. izi.fraunhofer.de, 13. Dezember 2023, abgerufen am 6. Dezember 2024. </ref><ref>Prototyp für digitalen Patienten-Zwilling. industrie.de, 14. März 2022, abgerufen am 6. Dezember 2024. </ref>.

Modellierung des Glukose-Insulin-Regulationsnetzwerks bei Typ-1-Diabetes

Ein mathematisches Modell der Glukose-Insulin-Dynamik ist besonders hilfreich, um die Dynamik des Blutzuckerspiegels zu verstehen. Auf dieser Grundlage entwickelten Claudio Cobelli von der Universität Padua (Italien) und Boris Kovatchev von der University of Virginia in Charlottesville, USA, den UVA/Padua-Typ-1-Diabetes-Simulator, der mit 300 „In-silico-Probanden“ (Modellparametern) ausgestattet war.<ref>Cobelli C, Kovatchev B.: Developing the UVA/Padova Type 1 Diabetes Simulator: Modeling, Validation, Refinements, and Utility. In: J Diabetes Sci Technol. Band 17, Nr. 6, 2023, S. 1493–1505, doi:10.1177/19322968231195081. </ref> Im Jahr 2008 erkannte die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) diesen Simulator als Ersatz für Tierversuche zur Erprobung von Closed-Loop-Strategien und Regelalgorithmen an. Seitdem wurden mehr als 500 Studien veröffentlicht; darüber hinaus wurden mehrere automatisierte Insulinabgabesysteme (AID-Systeme, künstliche Bauchspeicheldrüse) eingeführt. Dieser Simulator wurde auch verwendet, um nachzuweisen, dass die intraperitoneale Insulinverabreichung die manuelle Insulinabgabe vor den Mahlzeiten überflüssig machen kann (bekannt als „Hybridkontrolle“).

Stadtentwicklung

Urbane Digitale Zwillinge basieren oft auf modernen Geoinformationssystemen (GIS) sowie urbanen Datenplattformen und versprechen, unterschiedliche digitale Ressourcen und Datenquellen einer Stadt zusammenführen.<ref>Technologie für digitale Zwillinge und GIS | Was ist ein digitaler Zwilling? Abgerufen am 23. Juni 2025 (). </ref><ref>Chapter 14 – Digital twins of cities and evasive futures. In: ScienceDirect. Abgerufen am 23. Juni 2025 (). </ref> Häufig wird das Konzept mit digitalen 3D-Stadtmodellen und Sensordaten in Verbindung gebracht, wobei auch Teile der urbanen Realität ohne entsprechende Datenquellen in Zwillingen abgebildet werden können.<ref>DIN SPEC 91607 – 2024-11 – DIN Media. Abgerufen am 23. Juni 2025. </ref> Das Konzept ist eng mit Smart-City-Bestrebungen verbunden<ref>Was-Wäre-Wenn? – Wie Digitale Stadtzwillinge helfen, die urbane Zukunft zu gestalten. In: Smart-City-Dialog. Abgerufen am 30. Juni 2023 (). </ref> und soll eine stärker integrierte und nachhaltige Entwicklung der Städte in der Zukunft zu ermöglichen.<ref>Jaume Ferré-Bigorra, Miquel Casals, Marta Gangolells: The adoption of urban digital twins. In: Cities. Band 131, 1. Dezember 2022, ISSN 0264-2751, S. 103905, doi:10.1016/j.cities.2022.103905. </ref> Durch Urbane Digitale Zwillinge erhält außerdem das Thema Simulation in weite Bereiche der Stadtplanung Einzug.<ref>Silvia Mazzetto: A Review of Urban Digital Twins Integration, Challenges, and Future Directions in Smart City Development. In: Sustainability. Band 16, Nr. 19, 25. September 2024, ISSN 2071-1050, S. 8337, doi:10.3390/su16198337 (mdpi.com [abgerufen am 23. Juni 2025]). </ref> Städte wie Barcelona und Zürich versprechen sich hiervon, Infrastruktur effizienter instand halten und Bürgerbeteiligung enger mit evidenzbasierten Verwaltungsmaßnahmen zusammenführen zu können.<ref>Aitor Hernández-Morales: Barcelona bets on ‘digital twin’ as future of city planning. In: Politico. 18. Mai 2022, abgerufen am 16. Juli 2022 (). </ref><ref>Gerhard Schrotter, Christian Hürzeler: The Digital Twin of the City of Zurich for Urban Planning. In: PFG – Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Geoinformation Science. Band 88, Nr. 1, Februar 2020, ISSN 2512-2789, S. 99–112, doi:10.1007/s41064-020-00092-2 (springer.com [abgerufen am 16. Juli 2022]). </ref> Auch wenn die Adaption des Paradigmas vielversprechende Potentiale auftut, wird das wohl nicht einlösbare Versprechen einer vollständigen digitalen Abbildbarkeit urbaner Systeme wissenschaftlich problematisiert.<ref>Marianna Charitonidou: Urban scale digital twins in data-driven society: Challenging digital universalism in urban planning decision-making. In: International Journal of Architectural Computing. Band 20, Nr. 2, Juni 2022, ISSN 1478-0771, S. 238–253, doi:10.1177/14780771211070005 (sagepub.com [abgerufen am 16. Juli 2022]). </ref> Verschiedene Wissenschaftler befürworten daher das Konzept von „multiplen Modellen“<ref>Michael Batty: The digital transformation of planning. In: Environment and Planning B: Urban Analytics and City Science. Band 48, Nr. 4, 1. Mai 2021, ISSN 2399-8083, S. 593–597, doi:10.1177/23998083211016122. </ref> und „verschiedenen Arten von Zwillingen“<ref>(PDF) Future Cities: Why Digital Twins Need to Take Complexity Science on Board. Archiviert vom Vorlage:IconExternal am 13. Februar 2022; abgerufen am 23. Juni 2025 (). </ref>.

Immobilienwirtschaft

In der Immobilien‑ und Bauwirtschaft gelten digitale Zwillinge als vielversprechender Ansatz, um den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes effizienter zu gestalten. Sie ermöglichen Verbesserungen in der Planung und Visualisierung, der Überwachung von Bauabläufen, der Koordination zwischen Projektbeteiligten sowie im Sicherheits‑ und Risikomanagement. Darüber hinaus unterstützen sie ein präziseres Gebäude‑ und Lieferkettenmanagement, erleichtern Wartungsprozesse und erlauben eine datengestützte Analyse zur Optimierung von Abläufen. Diese Anwendungen können sich positiv auf Kosten, Bauzeiten, Ausführungsqualität und Arbeitssicherheit auswirken und gleichzeitig Emissionen reduzieren.

Die Einführung digitaler Zwillinge im Bauwesen befindet sich jedoch noch in einer frühen Phase, da bauspezifische Rahmenbedingungen und die hohe Komplexität von Projekten die Digitalisierung erschweren. Als Grundlage hat sich im Hochbau Building Information Modeling (BIM) etabliert, das digitale Gebäudemodelle während Planung und Ausführung fortlaufend mit realen Daten ergänzt. In vielen Ansätzen wird BIM daher als Vorstufe oder Bestandteil eines digitalen Zwillings verstanden. Erweiterte Konzepte verbinden BIM‑Modelle mit Simulationen und Echtzeitdaten, um Prognosen zu ermöglichen oder Bauprozesse gezielt zu steuern.<ref name=":1">Fischer, Anne (2025): Simulationsgestützte Digitale Zwillinge in der Baulogistik. Technische Universität München, TUM School of Engineering and Design, S. 26–27</ref>

Für die praktische Umsetzung werden typischerweise mehrere Schritte benötigt: die Erfassung relevanter Daten, deren Aufbereitung und Übertragung, die digitale Modellierung des Gebäudes oder Prozesses sowie die Nutzung dieser Informationen zur Entscheidungsunterstützung. In der Immobilienwirtschaft können solche Modelle beispielsweise eingesetzt werden, um Materialflüsse zu simulieren, Betriebsabläufe zu optimieren oder Wartungsstrategien datenbasiert zu verbessern.<ref name=":1" />

Anwendung in der Gebäudetechnik

In der Gebäudeautomation kann das Konzept des digitalen Zwillings eingesetzt werden, um die Steuerungsstrategie für die Beladung thermischer Speicher in Kombination mit Wärmepumpen bereits vor der realen Inbetriebnahme zu entwickeln und zu validieren. Bei Anlagen mit mehreren Wärmepumpen und mehreren Speichern bildet der digitale Zwilling das thermodynamische Verhalten des Gesamtsystems nach und ermöglicht es, verschiedene Regelstrategien – etwa die Priorisierung einzelner Speicher, die Schaltlogik der Wärmepumpen oder die Berücksichtigung von Netzsperrzeiten – unter realistischen Lastprofilen und Betriebsbedingungen zu erproben. Abweichungen zwischen dem simulierten und dem realen Anlagenverhalten können nach der Inbetriebnahme genutzt werden, um die Steuerungsparameter kontinuierlich nachzujustieren – entsprechend dem Prinzip des digitalen Schattens (digital shadow), bei dem Messdaten der realen Anlage fortlaufend in das virtuelle Modell zurückfließen.<ref>Verein Deutscher Ingenieure: VDI 4645 – Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Einfamilien- und Mehrfamilienhäusern. VDI-Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik, Düsseldorf 2018.</ref>

Überwachung und Monitoring von Solaranlagen

Ein weiteres Anwendungsfeld des digitalen Zwillings in der Gebäudetechnik ist die Überwachung und das Monitoring von Solaranlagen. Der digitale Zwilling bildet dabei das reale Verhalten der Anlage – etwa Ertragswerte, Modultemperaturen oder Wechselrichterzustände – kontinuierlich im virtuellen Modell ab. Abweichungen zwischen dem erwarteten und dem tatsächlich gemessenen Anlagenverhalten können so frühzeitig erkannt und als Grundlage für eine vorausschauende Instandhaltung (Predictive Maintenance) genutzt werden. Bei größeren Anlagen mit mehreren Generatorfeldern oder in Kombination mit thermischen Speichern und Wärmepumpen ermöglicht der digitale Zwilling zudem eine gesamtheitliche Betrachtung und Optimierung des Energieflusses im Gebäude.<ref>R. Rosen, J. Jäkel, M. Barth et al.: VDI Statusreport 2020: Simulation und digitaler Zwilling im Anlagenlebenszyklus. VDI/VDE, 2020.</ref>

Umweltforschung und Politikberatung

In der Umweltforschung und Politikberatung werden digitale Zwillinge genutzt, um komplexe Daten aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen zu integrieren, zu synthetisieren und für Entscheidungsprozesse aufzubereiten. Ein Projekt wendet Methoden der digitalen Zwillinge an, um Modelle zu erstellen, die in Workshops und Dialogveranstaltungen genutzt werden, damit Stakeholder mögliche Szenarien verstehen und politische Optionen prüfen können. Solche Initiativen zeigen, wie digitale Zwillinge evidenzbasierte Wissenschafts‑ und Politikinteraktionen unterstützen.<ref>Vorlage:Cite book/Name: [ SynCom Digital Twins Project.] In: Helmholtz-Gemeinschaft. , archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am Vorlage:Cite book/URL; abgerufen am 7. Januar 2026. Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung</ref><ref>Vorlage:Cite book/Name: [ Digital Twins of Planet Earth – Synthesis Paper.] (PDF) , archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am Vorlage:Cite book/URL; abgerufen am 7. Januar 2026. Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2Vorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung</ref>

Siehe auch

• Building Information Modeling
• Cyber-physisches System
• Design Structure Matrix
• Digitalisierung
• Gebäudeautomation
• Industrie 4.0
• Modellbasiertes Systems Engineering
• Personalisierte Medizin
• Prozesssimulation
• Smartes Objekt

Weblinks

Commons: Digitaler Zwilling – Sammlung von Bildern

• Minds + Machines: Meet A Digital Twin. YouTube.
• The Gemini Principles. Centre for Digital Built Britain.
• DHL-Broschüre zum Digitalen Zwilling in der Logistik
• General Electric: The Digital Twin -Compressing time-to-value for digital industrial companies.
• SIEMENS: Connecting physics based and data driven models the best of two worlds.
• Timothy Kaufmann, Armin Pühringer, Benedikt Rauscher: Der digitale Zwilling. Abgerufen am 18. Juli 2018. 
• Digitaler Zwilling. In: Gablers Wirtschaftslexikon.
• WiGeP-Positionspapier: „Digitaler Zwilling“. Unter Leitung von Rainer Stark, Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktentwicklung – WiGeP, 2020.
• Erwartungen und Einschätzungen der deutschen Bevölkerung mit besonderem Fokus auf Diabeteserkrankungen. PricewaterhouseCoopers GmbH, November 2018 (Digitaler Zwilling in der Medizin).
• Digitaler Steuerungs-Zwilling und Supply Chain [1]
• Mercedes Benz - Factory 56 * [2]

Literatur

• Christoph Borbach, Wendy Hui Kyong Chun, Tristan Thielmann: Making everything ac-count-able: The digital twinning paradigm. In: New Media & Society. Band 27, Nr. 8, August 2025, ISSN 1461-4448, S. 4369–4384, doi:10.1177/14614448251338289. 
• Markus Kannwischer: Interaktive Präzisionswerkzeuge für die effizientere Bearbeitung. Produktivitätsfortschritte durch Industrie 4.0, VDMA, 2015/05.
• Ulrich Sendler: Industrie 4.0 grenzenlos. Springer Vieweg, Heidelberg/Berlin 2016, ISBN 978-3-662-48277-3.
• Michael W. Grieves: Virtually Intelligent Product Systems: Digital and Physical Twins. In: Complex Systems Engineering: Theory and Practice (= Progress in Astronautics and Aeronautics. Volume 256). American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 2019, ISBN 978-1-62410-564-7, S. 175–200, doi:10.2514/5.9781624105654.0175.0200. 
• M. Grieves: Digital Twin – Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication. Whitepaper, LLC, 2004 (researchgate.net).
• Digitaler Zwilling – Engineering der Zukunft. In: IFFOCUS – Zeitschrift des Fraunhofer-Instituts IFF Magdeburg. Nr. 1, 2019 (fraunhofer.de [PDF; abgerufen am 21. Juni 2020]). 
• W. Herlyn, H. Zadek: Der Digitale Steuerungs-Zwilling – Dynamische Auftrags- und Materialflusssteuerung auf Basis des Konzeptes eines digitalen Steuerungs-Zwillings. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZwF). Special, Nr. 115, April 2020, S. 70–73, doi:10.3139/104.112338. 
• M. Eigner: Digitaler Zwilling – Stand der Technik. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZwF). Special, Nr. 115, April 2020, S. 3–6, doi:10.3139/104.112300. 
• Krupas, Maros, Erik Kajati, Chao Liu, and Iveta Zolotova (2024): Towards a Human-Centric Digital Twin for Human–Machine Collaboration: A Review on Enabling Technologies and Methods. Sensors 24, no. 7: 2232. https://doi.org/10.3390/s24072232.
• Maung C, Richard N and Pan S (2026): A survey on ethical digital twins in healthcare. Front. Artif. Intell. 9:1875471. doi:10.3389/frai.2026.1875471.

Einzelnachweise

<references />