Digitale Zwillinge in der Schifffahrt: Vorteile, Anwendungsfälle und Möglichkeiten

Fast alle Branchen profitieren von der Digitalisierung und der Einführung von KI, auch die Schifffahrt ist da keine Ausnahme. Eine innovative Entwicklung dabei sind digitale Zwillinge. Diese spielen in vielen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt oder dem Frachtverkehr eine wichtige Rolle, um bestimmte Bedingungen nachzustellen und so Probleme bereits frühzeitig zu erkennen. Im folgenden Artikel erfahren Sie, was genau digitale Zwillinge alles können und wie sie insbesondere in der Schifffahrt eingesetzt werden.

Digitalization Innovation

Was sind digitale Zwillinge?

Im Jahr 2002 prägte der Wissenschaftler Dr. Michael Grieves auf einer Konferenz für Fertigungstechnik in Michigan erstmals den Begriff und das Konzept des „digitalen Zwillings“. Heutzutage sind digitale Zwillinge viel mehr als nur ein klassisches Modell und entwickeln sich dynamisch weiter. Alles, was mit dem Objekt oder dem System passiert, geschieht also auch mit der Nachbildung bzw. dem digitalen Zwilling. Zum ersten Mal sorgte das Konzept eines digitalen Zwillings im Jahr 1960 im Rahmen der Apollo-13-Mission für Aufsehen. Die NASA erstellte damals ein digitales Modell des Raumschiffs, damit Wissenschaftler und Ingenieure auf der Erde bereits Lösungsoptionen für möglicherweise auftretende Probleme testen konnten. Dieses System war das erste seiner Art und ein entscheidender Faktor in der Rettungsmission 1970, auch wenn man damals noch nicht von einem digitalen Zwilling sprach. Die NASA setzte 15 Simulatoren ein, um die Parameter für die Mission zu üben und zu testen. Damit versuchten die Ingenieure dann herauszufinden, was schiefgelaufen war. Sie wogen verschiedene Lösungsmöglichkeiten ab und informierten die Besatzung, welche davon die beste war. Weit verbreitet sind digitale Zwillinge aber erst seit der Einführung der IoT-Konnektivitäts- und Sensortechnologien in Kombination mit moderner Datenanalysetechnik. Auch bei Hapag-Lloyd versuchen wir, IoT in unser Tagesgeschäft zu integrieren. Ein Beispiel ist unsere Tracking-Lösung Live Position.

Welche Vorteile haben digitale Zwillinge?

Bereits jetzt helfen digitale Zwillinge ganzen Branchen dabei, ihre Prozesse zu modernisieren. Sie analysieren und interpretieren Daten und erleichtern so die Entscheidungsfindung:

Visualisierung: Mithilfe eines digitalen Zwillings können Hafenbehörden beispielsweise die Bauarbeiten und den Betrieb simulieren und dann verschiedene Infrastrukturelemente wie Schiffe, Gebäude und andere Objekte in Echtzeit visualisieren. Sie können dann den gesamten Hafenbetrieb wie das Anlegen, die Frachtabwicklung und die Zuteilung von Lagerfläche optimieren, indem sie die Szenarien zunächst mit dem digitalen Zwilling durchspielen.
Prognosen und Problemlösung: Durch die Kombination von virtueller und physischer Realität können Probleme bereits frühzeitig erkannt und beseitigt werden. Lager- und Lieferprozesse lassen sich beispielsweise mit digitalen Zwillingen der jeweiligen Gebäude optimieren, wenn virtuell mit verschiedenen Szenarien für die Lagerung und den Prozess experimentiert wird.
Verständlichkeit: Mithilfe von digitalen Zwillingen werden schwer verständliche Seeverkehrsdaten in Handlungsoptionen umgewandelt. Die Eingabesektoren des digitalen Zwillings erfassen beispielsweise das Schiffsverhalten bei unterschiedlichen Umwelteinflüssen wie Wellen, Strömungen, Wind oder Temperatur. Dadurch werden nicht nur die Logistikprozesse effizienter, sondern auch potenzielle Risiken minimiert.
Produktentwicklung: 3D-Modelle und Simulationen mit einem digitalen Zwilling ermöglichen einen Blick in die Zukunft und eine schnellere Produktion. Sie können z. B. analysieren, wie sich der steigende Meeresspiegel auf die Lieferkettenprozesse und die Containerschifffahrt im Allgemeinen auswirkt. Auch neue Formen oder Propeller können in digitalen Zwillingen getestet werden, bis die maximale Effizienz erreicht ist. Außerdem lassen sich damit Wartungsarbeiten frühzeitig prognostizieren.
Mehr Sicherheit und Langlebigkeit: Digitale Zwillinge erleichtern eine proaktive Wartung und das Risikomanagement, minimieren die Wahrscheinlichkeit von Geräteausfällen, Unfällen und Umweltvorfällen, was wiederum die Sicherheitsstandards und die Einhaltung geltender Vorschriften verbessert.
Nachhaltigkeitsmanagement: Über eine Optimierung des Treibstoffverbrauchs, der Routenplanung und der Ressourcenverteilung tragen digitale Zwillinge dazu bei, die CO2-Emissionen, den Energieverbrauch und die Umweltauswirkungen zu reduzieren, entsprechend den Nachhaltigkeits- und Umwelteffizienzzielen der Branche.

Worin besteht der Unterschied zwischen einem digitalen Zwilling und einem Modell?

Standardmodelle stellen häufig nur die wichtigsten Eigenschaften eines Objekts heraus, während digitale Zwillinge weichen in den folgenden Punkten von der Definition eines Modells abweichen: Ein digitaler Zwilling muss mit einem vorhandenen Objekt verknüpft sein, Modelle hingegen können unabhängig davon existieren. Ein digitaler Zwilling ist eine exakte Nachbildung eines physischen Objekts (z. B. Hafen oder Fabrik). Modelle hingegen sind nur eine grobe Darstellung von Objekten. Ein digitaler Zwilling basiert auf Daten, die das Objekt beschreiben, und verändert sich im Laufe der Zeit. Modelle können ohne diese Daten existieren.

Wie werden digitale Zwillinge in Häfen und der Containerschifffahrt eingesetzt?

Die Containerschifffahrt kann ihre Prozesse nur über eine kontinuierliche Diagnose und Prognose optimieren. Der Schiffbau ist schließlich eine hochkomplexe Entwicklung. Digitale Zwillinge werden aber auch in Häfen eingesetzt, um Herausforderungen wie Effizienz, Emissionsschutz und Ergonomie der betrieblichen Systeme zu begegnen.

Mögliche Anwendungsfälle für digitale Zwillinge in der Schifffahrt sind:

Proaktive Wartung: Durch digitale Nachbildungen von Schiffskomponenten wie Motoren oder Antriebssysteme wird eine proaktive Wartung möglich. Echtzeit-Sensordaten werden analysiert, um Ausfälle vorherzusehen und proaktiv Reparaturen zu planen, was die Ausfallzeiten minimiert und die Leistung optimiert.

Transparente Lieferkette: Umfangreiche digitale Zwillinge der Lieferkette bieten in Echtzeit Transparenz über Lagerbestände, Transportrouten und Lieferzeiten, sodass die Unternehmen Engpässe erkennen, Risiken mindern und die Resilienz und Reaktivität der Lieferkette insgesamt verbessern können.

Optimierung des Hafenbetriebs: Eine virtuelle Darstellung von Hafenanlagen wie Liegeplätzen, Kränen und Lagerbereichen kann helfen, den Hafenbetrieb zu optimieren. Indem das Anlegen der Schiffe, die Frachtabwicklung und die Zuteilung von Lagerflächen simuliert werden, lassen sich Effizienz und Verkehrsfluss verbessern.

Ein Beispiel ist der italienische Hafen Livorno: Dort arbeitet man seit 2016 an der technischen Infrastruktur und nutzt bereits jetzt digitale Zwillinge. Es wurde ein virtuelles Modell des gesamten Hafens mit einer Nachbildung von physischen Elementen wie Frachtcontainern, Kameras und Lagerbereichen erstellt.

WDR-Kameras (Wide Dynamic Range) erfassen jeden Aspekt der Arbeit und erstellen so einen digitalen Zwilling des Hafens. Kombiniert mit VR-Anwendungen (Virtual Reality) können sich die Betreiber dann virtuell durch das Zwillingsmodell bewegen und sich einen Komplettüberblick über das Hafengelände verschaffen. Es ist schließlich entscheidend für die Logistikprozesse, dass der Lagerort der Güter effizient und präzise gewählt wird.

Digitale Zwillinge der Schiffe bestimmen auch die Zukunft der Containerschifffahrt. Ganze Flotten und Häfen können durch den Wechsel zu einem virtuellen Steuerungssystem optimiert werden. Digitale Zwillinge der Schiffe können die Softwareintegration durchführen und werden so zu Simulatoren für das physische Objekt. Damit haben sie die Möglichkeit, Situationen wie Wartungsvorgänge oder sogar Motorschäden zu analysieren und ihnen vorzubeugen.

Nicht nur der Hafen Livorno verbessert seinen Betrieb mit digitalen Zwillingen. Auch einer der größten und verkehrsreichsten Häfen der Welt, der Hafen Rotterdam, hat die Vorteile digitaler Zwillinge erkannt. Eine der Innovationen in diesem Hafen sind die sogenannten „digitalen Delphine“. Hinter diesem Begriff verbergen sich Kaimauern und Bojen, die mit Sensoren ausgerüstet sind und so die Gezeiten, die Windgeschwindigkeit und andere wetterbedingte Bedingungen erfassen.

Zudem nutzt der Hafen das innovative Konzept „42 Container“: ein Container, der mit vielen verschiedenen Sensoren ausgestattet ist und als Forschungstool die Welt umfährt. Die Sensoren erfassen nicht nur Daten aus dem Containerinneren wie Temperatur und Feuchtigkeit, sondern auch Daten für die gesamte Transportroute. Mit diesen können dann Transportwege verbessert und umgestaltet werden.

Die Innovationsstärke digitaler Zwillinge

Digitale Zwillinge stellen also eine Technologie des Wandels dar und bergen ein riesiges Potenzial, um die Schifffahrts- und Logistikbranche völlig umzukrempeln. Dank virtueller Nachbildungen, Datenanalysen in Echtzeit und Prognosemodellen kann die Branche in allen Bereichen ein neues Niveau an Effizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit erreichen. Die Offenheit für neue Technologien wie den digitalen Zwilling wird ein entscheidender Faktor beim Kurs auf eine vernetzte, resiliente und agile Zukunft sein.