Asset Administration Shell

Warum Digitale Zwillinge Standards benötigen

Im Zeitalter von Industrie 4.0 haben sich Digitale Zwillinge als Schlüsseltechnologie für die Produktionsplanung, die operative Transparenz, für Live-Entscheidungen und zur vorausschauenden Wartung etabliert. Definiert als virtuelle Abbilder physischer Anlagen [1], Prozesse oder Systeme, die sich parallel zu ihren realen Gegenstücken entwickeln, bieten Digitale Zwillinge Potenzial über den gesamten Lebenszyklus hinweg, von der Konstruktion über Produktion bis hin zu Service und Stilllegung [2]. Mit der globalen Verbreitung des Digitaler-Zwilling-Konzepts stehen Industrieunternehmen jedoch vor einer grundlegenden Herausforderung: dem Mangel an standardisierten Ansätzen für Modellierung, Verwaltung und Austausch von Digitaler-Zwilling-Daten [3]. Die meisten aktuellen Implementierungen sind proprietär und eng auf bestimmte Lebenszyklusphasen oder Anbieter begrenzt. Dies führt zu einer Fragmentierung der Daten und Systemlandschaft, schränkt die Interoperabilität über Organisationsgrenzen hinweg ein und behindert die Skalierbarkeit von Digitaler-Zwilling-Lösungen, insbesondere bei der Kollaboration zwischen produzierenden Unternehmen oder zwischen Logistikunternehmen und der globalen Lieferkette [4].

Da diese Herausforderungen früh von der Industrie-4.0-Bewegung erkannt wurden, arbeiteten deutsche Standardisierungsorganisationen, Industrieverbände (wie z. B. ZVEI und VDMA) und führende Forschungsinstitute zusammen, um ein Referenzframework für die Digitalisierung in der Fertigung zu definieren. Dies führte zur Entwicklung des Referenzarchitekturmodells Industrie 4.0 (RAMI 4.0) im Jahr 2015 (Bild 1) [5].

Bild 1

Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI 4.0) [5]

Doch ein konzeptioneller Rahmen allein ist nicht ausreichend, um Anlagen, Maschinen, Komponenten oder Softwaremodule zu vernetzen. Diese Notwendigkeit führte zur Entstehung der Asset Administration Shell (AAS), die ein standardisiertes Datenmodell bereitstellt. Das AAS-Konzept sieht vor, dass jede Industrie 4.0-fähige Komponente eine Verwaltungsschicht besitzt [6] (Bild 2). Die AAS transformiert die abstrakten Schichten von RAMI 4.0 in konkrete, maschinenlesbare Modelle, die beschreibende, verhaltens- und betriebsbezogene Informationen über eine Anlage tragen und dadurch eine Interoperabilität im großen Maßstab über Unternehmens- und Systemgrenzen sowie Plattformen ermöglichen [7]. Die AAS dient als standardisierte digitale Repräsentation für industrielle Anlagen und verfügt über standardisierte APIs, die semantischen Datenaustausch und Interoperabilität über verschiedene Systeme ermöglichen [8]. Im Kern ermöglicht die AAS, dass industrielle Anlagen „dieselbe Sprache sprechen“ – unabhängig von ihrem Hersteller, Alter oder ihrer Komplexität.

Bild 2

Asset und Verwaltungsschale bilden zusammen eine I4.0-Komponente [5]

Die AAS-Spezifikation [8] definiert das Metamodell der AAS. Damit wird jedes physische oder logische Asset, etwa eine Maschine, Software oder ein Prozess, mit einer standardisierten digitalen Repräsentation, dem Digitalen Zwilling, verknüpft [8]. Dieser Digitale Zwilling stellt strukturierte Informationen über spezialisierte Container zur Verfügung, sogenannte Submodelle. Man kann sich Submodelle als Ordner vorstellen, die jeweils spezifische Informationstypen über das jeweilige Asset enthalten, wie z. B. Identifikationsdaten, technische Spezifikationen oder Echtzeit-Betriebsdaten von Sensoren. Bild 3 zeigt eine allgemeine Struktur einer AAS.

Bild 3

Die allgemeine Struktur der Verwaltungsschale [8]

Die Grundstruktur einer AAS besteht aus vier Schlüsselkomponenten [8]: einer global eindeutigen Kennung (typischerweise gemäß URN/IRI-Formaten), die sicherstellt, dass jede Anlage eine eindeutige digitale Identität besitzt, Anlagenreferenzen, die den Digitalen Zwilling mit seinem realen Gegenstück verknüpfen, einer Sammlung von Submodellen, die jeweils potentiell mit Industriestandards oder -profilen verknüpft sind, und semantischen Definitionen unter Verwendung etablierter Vokabulare wie IEC CDD oder ECLASS [9] für die Maschineninterpretierbarkeit.

Im Gegensatz zu proprietären Lösungen ermöglicht die AAS-Interoperabilität [10] durch drei Schlüsselfähigkeiten: Erstens bietet sie Lebenszykluskontinuität, bei der Informationen von der Konstruktion bis zur Stilllegung zugänglich bleiben und eine nahtlose Integration von Betriebsdaten und Wartungsprotokollen ermöglichen. Zweitens gewährleistet sie herstellerübergreifende Kompatibilität durch standardisierte Submodell-Templates, wodurch Komponenten verschiedener Hersteller miteinander kommunizieren können, wie z. B. eine Pumpe von Hersteller A, die ihren Status an ein Steuerungssystem von Hersteller B meldet [11]. Schließlich unterstützt die AAS eine dezentrale Integration, die es Anlagen ermöglicht, sich größeren Systemen anzuschließen, ohne dass dies eine zentrale Koordination oder maßgeschneiderte Integration für jede Verbindung erfordert.

In der Praxis erfüllen AAS-Implementierungen mehrere Rollen. Sie können als Digitale Produktpässe fungieren, die Compliance-, Nachhaltigkeits- und Konfigurationsdaten aggregieren [12]. Zudem kann die AAS als Kommunikationsschnittstellen dienen, die Betriebstechnik (OT) und Informationstechnik (IT) ohne maßgeschneiderte Middleware zu benötigen verknüpft. Außerdem wirkt sie als Plug-and-Produce-Befähiger [6], um die Inbetriebnahme und die Rekonfiguration von Fertigungsausrüstung zu vereinfachen. Als Träger von Expertenwissen fungiert die AAS durch wiederverwendbare Submodelle. Dadurch überbrückt sie die Lücke zwischen den konzeptionellen Schichten von RAMI 4.0 und der konkreten Implementierung. Über alle Lebenszyklusphasen hinweg ist die AAS in allen ‚Informations‘- und ‚Funktions‘-Schichten enthalten [6]. Durch diese Fähigkeit unterstützt sie sowohl die horizontale Integration von Anlagen über Wertschöpfungsketten als auch die vertikale Integration über Automatisierungsebenen hinweg.

AAS-Entwicklung und Standardisierung

Eine von Deutschlands erfolgreichsten Standardisierungsumsetzungen der letzten Jahrzehnte ist die Transformation der AAS vom Konzept zum internationalen Standard [13], die Deutschland an die Spitze digitaler Fertigungsstandards bringt. Jüngste umfassende Analysen zeigen, wie diese Entwicklung durch verschiedene Phasen voranschritt, die jeweils auf breitere industrielle Adoption und internationale Anerkennung hinarbeiteten [14].

2016 begann die AAS-Standardisierung mit DIN SPEC 91345 [15], die grundlegende Prinzipien etablierte, aber Koordinationslücken und Implementierungslücken offenbarte. Frühe fragmentierte Bemühungen mangelte es an Koordination für industrielle Einführung.

Mit der Gründung der Industrial Digital Twin Association (IDTA) im Jahr 2020 [16] erfolgte die entscheidende Transformation zu industriegetriebener Steuerung für systematische Weiterentwicklung. Die IDTA übernahm zentrale Verantwortung für Verwaltung, Standardisierung und Verbreitung von AAS-Spezifikationen und schuf ein kollaboratives Ökosystem, in dem Forschungsprojekte wie BaSys 4.0 [17] architektonische Blaupausen beitrugen, während Industriepartner Praxisvalidierung und Anforderungen lieferten. Dieser koordinierte Ansatz stellte praktische Lösungen sicher, die echte industrielle Herausforderungen adressierten anstatt akademischer Übungen.

Der Standardisierungsweg gipfelte 2023 in der Veröffentlichung von IEC 63278-1 [13], die AAS als international anerkannten Standard für Digitale Zwillinge in industriellen Anwendungen etablierte und den Übergang von deutscher Initiative zu globalem Framework markierte. Umfassende Spezifikationen und standardisierte Submodell-Templates haben die Implementierung branchenübergreifend beschleunigt [14]. Heute unterhält die IDTA ein Ökosystem von Spezifikationen und Tools, das Metamodelle, Serialisierungsformate und branchenspezifische Submodell-Templates umfasst [16, 18], wodurch globale Adoption interoperabler Digitaler-Zwilling-Lösungen ermöglicht und Deutschlands Führungsrolle in der Digitalen Fertigungsstandardisierung gefestigt wird.

Überblick über die AAS-Implementierung in Deutschland

Deutschlands Manufacturing-X Initiative, finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK), etabliert sichere, souveräne und interoperable Datenräume für die Fertigung und positioniert AAS als grundlegendes Element [19, 20]. Dieser strategische Ansatz kombiniert Bottom-up-Industrieengagement durch die IDTA mit Top-down-Regierungsunterstützung und richtet die AAS-Entwicklung an Deutschlands Vision Digitaler Souveränität aus.

Das DAVID-Projekt (Direkte Anwendungshilfe der AAS zur Vernetzung im Industrie 4.0 Datenraum) dient sowohl als technischer Befähiger als auch als Koordinationszentrum für AAS-Implementierung innerhalb von Manufacturing-X [21]. Seit 2023 koordiniert der Manufacturing-X Council Germany Projektaktivitäten und gewährleistet Ökosystem-Interoperabilität [22].

DAVID führte eine systematische Untersuchung der AAS-Implementierung in 38 KoPa35c-Projekten durch und sammelt derzeit entsprechende Daten von 13 Manufacturing-X-Projekten. Die vollständigen Ergebnisse der KoPa35c-Analyse umfassen Erkenntnisse von über dreißig Konsortialpartnern aus verschiedenen Industriebereichen, von Automobilbau und Stahlverarbeitung bis hin zu Kabelbaumfertigung und Logistikautomatisierung, über Meetings und Online-Umfragen. DAVID erfasste reale Implementierungsentscheidungen, praktische Herausforderungen und konkrete Ergebnisse von Projekten mit tatsächlichen Industriebudgets und Projektlaufzeiten. Jedem Projekt wurden drei direkte Fragen gestellt: Nutzen Sie AAS? Wie implementieren Sie es? Welche Barrieren verhindern die Adoption?

AAS im internationalen Vergleich

Während Deutschland die AAS vorangetrieben hat, besteht die globale Landschaft von Digitaler-Zwilling-Standards aus verschiedenen Ansätzen, die unterschiedliche Prioritäten, technische Details und industrielle Szenarien widerspiegeln [24]. Das Verständnis dafür, wie sich AAS zu diesen internationalen Standards verhält, ist entscheidend für die Bewertung ihres globalen Potenzials und die Identifizierung von Konvergenzmöglichkeiten.

Die Standardisierung Digitaler Zwillinge hat beträchtliche akademische Forschung angezogen, dennoch fehlen systematische internationale Vergleiche nationaler Ansätze. Wang et al. bieten die umfassendste Untersuchung von Digitaler-Zwilling-Technologiestandards wichtiger internationaler Gremien (ISO, IEC, ITU, IEEE) [25], fokussieren jedoch auf technische Funktionalität anstatt strategischer Unterschiede zwischen Ländern. Ferko et al. analysieren 29 Digitaler-Zwilling-Architekturen gegen ISO 23247 [26], beschränken sich aber auf einen einzelnen Standard ohne internationalen Vergleich.

Keine der bestehenden Studien untersucht die strategischen Dynamiken zwischen nationalen Digitaler-Zwilling-Ansätzen, liefert empirische Belege aus groß angelegten industriellen Einsätzen oder positioniert verschiedene Standards vergleichend gegeneinander. Diese Lücke motiviert unsere vergleichende Analyse von AAS gegen internationale Alternativen, unterstützt durch reale Einsatzdaten von über 50 deutschen Konsortialpartnern in der Manufacturing-X-Initiative.

Die internationale Digitaler-Zwilling-Landschaft operiert auf zwei verschiedenen, aber miteinander verbundenen Ebenen: eine sind Referenzarchitekturen, die konzeptionelle Frameworks bereitstellen, und die andere sind Implementierungsstandards, die konkrete technische Realisierung ermöglichen. Das Verständnis dieser Unterscheidung ist entscheidend für die Bewertung von Deutschlands strategischer Position.

Auf architektonischer Ebene konkurrieren vier wichtige Referenz-Frameworks um globalen Einfluss. Deutschlands RAMI 4.0 [5] bietet das grundlegende dreidimensionale Framework, das internationale Ansätze beeinflusst hat. Die USA‘s Industrial Internet Reference Architecture (IIRA), wie in Bild 4 gezeigt, entwickelt vom Industrial Internet Consortium, betont vier grundlegende Sichtweisen mit starkem Fokus auf IT/OT-Konvergenz und Digitaler-Zwilling-Integration [27]. Chinas Intelligent Manufacturing System Architecture (IMSA) bietet ein dreidimensionales Referenzmodell, das in der Struktur bemerkenswert ähnlich zu RAMI 4.0 ist, mit formaler Ausrichtungsarbeit, die durch die Sino-German Standardisierungs-Kooperationskommission unternommen wurde [28, 29].

Bild 4

IIRA [27] (links), IMSA [29] (rechts)

Japans Industrial Value Chain Reference Architecture (IVRA), wie in Bild 5 gezeigt, verfolgt einen einzigartigen Ansatz basierend auf „lockeren Standards“ und japanischen Fertigungskonzepten, fokussiert auf „Connected Manufacturing“, das Fabrik- und Unternehmensgrenzen überschreitet [30].

Bild 5

IVRA [30]

Während Referenzarchitekturen konzeptionelle Führung bieten, ermöglichen Implementierungsstandards tatsächliche Einführung. Hier hat Deutschlands AAS eine einzigartige Vorreiterposition erreicht. Wang et al. identifizieren AAS als mehrere Pionierposition erreichend und bemerken, dass IEC 63278-1 Asset administration shell (AAS) for industrial applications-Part 1: Administration shell structure der allererste Standard zum Thema virtueller Entität ist und dass AAS-Lösungen für reale Asset-Repräsentation in der Informationswelt durch Strukturen, Eigenschaften und Services bietet [25]. Ferko et al. validieren AAS weiter als praktische Lösung für identifizierte Implementierungslücken, wobei Umfrageteilnehmer AAS als Adressierung fehlender „Peer interface“-Funktionalität identifizieren und bemerken, dass „die Industrial Digital Twin Alliance und die Plattform Industrie 4.0 eine standardisierte Digitale Repräsentation von Assets namens AAS spezifizieren“ [26].

Dies positioniert AAS nicht nur als deutschen Standard, sondern als Lösung für universelle Herausforderungen bei der Implementierung Digitaler Zwillinge. Die vergleichende Implementierungslandschaft zeigt Deutschlands AAS als erste standardisierte virtuelle Entitäts-Implementierung mit empirischer Validierung durch Manufacturing-X, während Microsofts DTDL sich auf Cloud-native Implementierung konzentriert und ISO 23247 ein generisches Fertigungs-Framework mit bedeutenden Implementierungslücken bleibt.

Microsofts DTDL repräsentiert einen der weitest verbreiteten Ansätze zur Digitaler-Zwilling-Standardisierung, insbesondere in Cloud-nativen Umgebungen. DTDL betont Einfachheit und Cloud-Integration über umfassende industrielle Lebenszyklus-Unterstützung, mit Stärke in enger Integration mit Microsoft Azure-Services, während AAS Anbieter-Neutralität und industriespezifische Semantik priorisiert [31]. Beide Standards unterstützen JSON-Serialisierung und semantische Modellierung, wodurch potentielle Wege für Interoperabilität geschaffen werden, insbesondere in hybriden Cloud-Edge-Szenarien.

Die International Organization for Standardization (ISO) und International Electrotechnical Commission (IEC) entwickeln mehrere für Digitale Zwillinge relevante Standards, einschließlich ISO 23247 (Digital Twin Framework for Manufacturing) und verschiedene IEC 62832-Serienstandards für industrielle Automatisierung [32]. Die Einbeziehung von AAS-Konzepten in IEC 63278-1 [13] repräsentiert einen bedeutenden Schritt zur internationalen Konvergenz und positioniert AAS nicht nur als deutschen Standard, sondern als Grundlage für globale Digitaler-Zwilling-Frameworks. Da AAS-Konzepte weiter in ISO-Standards integriert werden, insbesondere in Fertigungskontexten, steigt das Potenzial für globale Interoperabilität erheblich.

Im Gegensatz zu anderen Nationen, die entweder auf architektonischer oder Implementierungsebene herausragen, demonstriert Deutschland Führung auf beiden Ebenen. Auf Framework-Ebene bietet RAMI 4.0 die konzeptionelle Grundlage, die internationale Ansätze beeinflusst hat, belegt durch IMSA-Ausrichtung und IV-RA-Kopplung. Auf Implementierungsebene transformiert AAS RAMI 4.0 s abstrakte Schichten in konkrete technische Realisierung, die anderen Frameworks fehlt. Die Manufacturing-X-Initiative demonstriert diesen zweistufigen Ansatz in industriellem Maßstab mit über 50 Konsortialpartnern und liefert die erste groß angelegte Validierung integrierter Framework-zu-Implementierung-Einführung.

Die Existenz mehrerer Digitaler-Zwilling-Standards muss nicht zu Fragmentierung führen. Voraussetzung ist, dass angemessene Überbrückungsstrategien durch Übersetzungsschichten entwickelt werden, die die automatisierte Konvertierung zwischen verschiedenen Standardformaten bieten. Gemeinsame semantische Grundlagen ermöglichen es, dass Standards um geteilte Vokabulare und Ontologien konvergieren und dabei verschiedene strukturelle Ansätze beibehalten. Gleichzeitig können Anwendungsfall-Spezialisierung entstehen, bei denen verschiedene Standards natürliche Nischen finden – mit AAS als Excellenz in industrieller Fertigung, DTDL in Cloudnativen Anwendungen und regionalen Standards, die spezifische Marktanforderungen adressieren.

Die internationale Landschaft lässt darauf schließen, dass während Konvergenz um einen einzigen globalen Standard kurzfristig unwahrscheinlich bleibt, Interoperabilität zwischen Standards sowohl machbar als auch zunehmend notwendig für globale Digitale Transformation in der Fertigung ist. Jedoch, im Gegensatz zu vorherigen Analysen, die sich auf technische Kompatibilität konzentrieren, lässt der strategische Vergleich zwischen nationalen Ansätzen darauf schließen, dass Marktführerschaft in der Standardisierung Digitaler Zwillinge bedeutende wirtschaftliche und technologische Souveränitätsimplikationen trägt. Deutschlands empirische Belege aus Manufacturing-X bieten einen einzigartigen Vorteil im Demonstrieren realer Skalierbarkeit AAS-basierter Ansätze und positionieren AAS nicht nur als technischen Standard, sondern als bewährtes industrielles Framework mit demonstrierter Einsatzfähigkeit.

Zusammenfassung und Ausblick

Diese Studie liefert die erste systematische empirische Analyse der AAS-Implementierung basierend auf 38 KoPa35c-Projekten und ersten Manufacturing-X-Erkenntnissen mit über 200 beteiligten Unternehmen. Die Ergebnisse zeigen: Deutschland nimmt als einziges Land eine Führungsposition sowohl bei Referenzarchitekturen (RAMI 4.0) als auch bei konkreter Implementierung (AAS als IEC 63278-1) ein. Die KoPa35c-Analyse offenbart drei distinkte Adoptionsmuster, wobei strategische Nicht-Anwender (45 %) rationale Geschäftsentscheidungen treffen rather than technischen Widerstand zeigen.

Der internationale Vergleich positioniert AAS als bewährte Lösung für universelle Digitaler-Zwilling-Herausforderungen, während andere Länder primär konzeptionelle Frameworks bieten. Die kritische Herausforderung liegt nicht in technischer Standardisierung, sondern in der Überwindung organisatorischer Adoptionsbarrieren durch klare, anwendungsspezifische Wertversprechen.

Langfristig positioniert sich AAS für eine zentrale Rolle in der industriellen Digitalisierung, wo standardisierte, interoperable Digitale Zwillinge so fundamental werden wie Elektrizität und Automatisierung heute. Deutschlands empirisch validierte Dual-Führungsposition bietet strategische Vorteile im globalen Wettbewerb um Digitale Souveränität in der Fertigung.