Mit TOPAS Model Fitting digitale Zwillinge benutzerfreundlich und einfach erstellen
Digitale Zwillinge sind zentrale Bausteine der fortschreitenden Automatisierung. Sie ermöglichen es, technische Systeme virtuell abzubilden, Szenarien zu erproben und Prozesse zu optimieren. Voraussetzung dafür ist, dass der digitale Zwilling die Realität präzise widerspiegelt. Nur dann lassen sich aus den Simulationen verlässliche Rückschlüsse ziehen. Entscheidend ist dabei eine präzise Kalibrierung: Die Parameter des zugrundeliegenden Modells müssen so eingestellt werden, dass es das beobachtete Verhalten des realen Systems möglichst genau widerspiegelt. Dieser oft aufwendige Schritt wird als Parameteridentifikation bezeichnet und erfordert spezielles mathematisches Fachwissen, da Messdaten aufbereitet, Modelle angepasst und passende Lösungsansätze gewählt werden müssen. Um diese Hürden zu senken, hat das Steinbeis-Unternehmen TOPAS Industriemathematik Innovation gGmbH die Software TOPAS Model Fitting entwickelt.
Sie automatisiert wesentliche Teile des Prozesses und macht moderne mathematische Methoden auch für User zugänglich, die keine tiefgehenden mathematischen Fachkenntnisse mitbringen. Im Fokus stehen dabei dynamische Modelle, also Systeme, deren Verhalten durch zeitabhängige Prozesse beschrieben wird. TOPAS Model Fitting nutzt hierzu die mathematische Sprache der Differentialgleichungen, die sich in vielen technischen Anwendungen bewährt hat.
Ein Werkzeug für verlässliche Modelle
TOPAS Model Fitting kombiniert etablierte mathematische Verfahren mit einer benutzerfreundlichen Oberfläche und ermöglicht so eine schnelle Umsetzung. Anwenderinnen und Anwender können Daten einlesen und vorverarbeiten, Modelle anpassen und die Güte der Ergebnisse durch visuelles Feedback unmittelbar überprüfen. In realen Anwendungsszenarien hat sich gezeigt, dass in unterschiedlichen Situationen verschiedene Parameteridentifikationsmethoden gut funktionieren. „Besonders wertvoll ist daher die Möglichkeit, mit TOPAS Model Fitting verschiedene Lösungsansätze zu testen und so direkt miteinander vergleichen zu können. Auf diese Weise können Anwender die Erstellung digitaler Zwillinge effizient und robust gestalten“, betont TOPAS-Geschäftsführer Dr.-Ing. Mitja Echim.
Wie groß das Potenzial und vielfältig die Einsatzgebiete von automatisierter Parameteridentifikation sind, zeigen die folgenden Fallbeispiele, bei denen mithilfe von TOPAS Model Fitting digitale Zwillinge zu verlässlichen Abbildern der Realität geworden sind. Ob in maritimen Anwendungen, in Energiesystemen oder in der Landwirtschaft – eine exakte Kalibrierung der Modelle ist unerlässlich, wenn digitale Zwillinge das reale Verhalten eines Systems verlässlich abbilden sollen.
Use Case: Ein autonomer Katamaran zur maritimen Exploration
Ein Kooperationsprojekt der Universität Bremen und der DSI Aerospace Technologie GmbH, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
TOPAS Model Fitting kommt im Projekt iMarEx zum Einsatz. Ziel des Projekts ist es, neue Methoden für die autonome Navigation maritimer Robotersysteme zu entwickeln. Solche Systeme sollen zukünftig nicht nur Messungen im Ozean durchführen, sondern auch eigenständig auf unerwartete Ereignisse reagieren können, etwa bei der Ausbreitung von Schadstoffen. Als Testplattform wird ein speziell ausgerüsteter Katamaran eingesetzt. Damit dieser zuverlässig und kontrolliert manövrieren kann, braucht es ein präzises mathematisches Modell seines Bewegungsverhaltens. Die Herausforderung liegt darin, das Modell so zu kalibrieren, dass es den realen Katamaran möglichst genau widerspiegelt. Das übernimmt TOPAS Model Fitting: Anhand von Messdaten der Position und Geschwindigkeit und der aufgezeichneten Steuerbefehle werden die Modellparameter automatisch identifiziert. So entsteht ein digitaler Zwilling, der die Basis für die Trajektorienplanung bildet und sich in Echtzeit zur automatisierten Steuerung und Optimierung des Katamarans nutzen lässt.
Use Case: Optimaler Einsatz von Energiespeichern
Ein Kooperationsprojekt der Universität Bremen, des Steinbeis-Innovationszentrums Optimierung, Steuerung und Regelung, der Q3 ENERGIE GmbH & Co. KG und der nD Enerserve GmbH, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
TOPAS Model Fitting wird auch im Projekt SmartFarm2 angewendet, in dem Potenziale zur Eigenverbrauchsoptimierung von erneuerbaren Energien im ländlichen Raum aufgezeigt und schließlich in der Praxis umgesetzt werden sollen. Im Zentrum stehen Energiespeicher, etwa Batteriesysteme oder thermische Systeme wie Wärmepumpen, Warmwasserspeicher und Milchkühltanks. Damit ein intelligentes Energiemanagementsystem diese Speicher optimal nutzen kann, braucht es präzise Modelle ihres Verhaltens, die mithilfe von TOPAS Model Fitting erstellt werden: Anhand gemessener Betriebsdaten lassen sich die Modelle automatisch kalibrieren, sodass sie den realen Lade- und Entladeprozessen entsprechen. Auf diese Weise entstehen digitale Zwillinge der Energiespeicher, die als Grundlage für Planung, Simulation und optimale Steuerung in echtzeitfähigen Energiemanagementsystemen dienen.
Use Case: Autonome landwirtschaftliche Maschinen
Ein Kooperationsprojekt der Universität Bremen, der Hochschule Osnabrück und der NeXaT GmbH, gefördert aus Mitteln des Zweckvermögens des Bundes bei der Landwirtschaftlichen Rentenbank
Im Projekt NeXaTauto wird ein neuartiges landwirtschaftliches Fahrzeug entwickelt, das sich durch eine besonders breite Spur und vier einzeln steuerbare Antriebe auszeichnet. Dadurch kann es sich effizient und gleichzeitig bodenschonend über Felder bewegen. Ein Ziel des Projekts ist es, durch den Einsatz von digitalen Zwillingen die Grundlage für einen autonomen Betrieb der Maschine zu schaffen. Damit dieses Konzept in der Praxis umgesetzt werden kann, muss das Fahrverhalten präzise modelliert werden. Hier setzt TOPAS Model Fitting an: Mithilfe von Sensordaten aus realen Feldeinsätzen wurden die Modelle automatisch kalibriert. So entstand ein verlässlicher digitaler Zwilling, der die Grundlage für die Entwicklung autonomer Steuerungsstrategien bildet.
Brücke zwischen Forschung und Praxis
Die Entwicklung von TOPAS Model Fitting zeigt, wie Wissenstransfer gelingen kann: Methoden der Industriemathematik werden so aufbereitet, dass Unternehmen sie unmittelbar einsetzen können. Dadurch sinken die Einstiegshürden erheblich, gerade für Unternehmen, die bislang wenig Berührungspunkte mit mathematischer Modellierung und Parameteridentifikation hatten. So wird der Einsatz digitaler Zwillinge auch für kleine und mittelständische Unternehmen realistisch und wirtschaftlich.
TOPAS Model Fitting
Mit der Software TOPAS Model Fitting entwickelt das Bremer Steinbeis-Team digitale Zwillinge, die exakt auf die Anforderungen der Kunden zugeschnitten sind. Diese leistungsstarke Lösung ermöglicht die präzise Abbildung selbst komplexer physikalischer Prozesse. Dank moderner Algorithmen gewinnen Kunden verlässliche Daten, die Entwicklungszeiten verkürzen und Kosten reduzieren – mit hoher Genauigkeit und Flexibilität.
Weitere Infos finden Sie unter https://topas.tech [1]