Das Konzept des digitalen Zwillings für mehr Sicherheit im städtischen Luftraum
Die moderne Flugzeugwartung stützt sich in der Regel auf flottenweite Zeitpläne auf der Basis von Worst-Case-Annahmen bei der Konstruktion. Dies bedeutet, dass alle Flugzeuge einer Kategorie – unabhängig von ihrer tatsächlichen Betriebsgeschichte – gleichzeitig gewartet und ausgemustert werden. „Dieser Einheitsansatz ist ebenso kostspielig wie verschwenderisch“, sagt AVATAR(öffnet in neuem Fenster) – Projektkoordinator Marek Vančo von EVEKTOR(öffnet in neuem Fenster) in Tschechien. „Flugzeuge, die unterdurchschnittlich oft genutzt wurden, werden vorzeitig ausgemustert, während Flugzeuge, die härteren Bedingungen ausgesetzt waren, zwischen den Inspektionen möglicherweise nur unzureichend überwacht werden.“
Digitaler Zwilling für Echtzeitanalysen
Das EU-finanzierte Projekt AVATAR hatte das Ziel, den Betrieb und die Wartung bestehender Luftfahrzeuge durch kontinuierliche Echtzeitüberwachung zu optimieren und den sicheren Einsatz von neuartigen Werkstoffen und Konstruktionsentwürfen zu unterstützen. Hierzu entwickelte das Projektteam einen skalierbaren digitalen Zwilling (Digital Twin, DT) für das Echtzeit-Management von strukturellem Zustand und Nutzung. Ein DT ist ein virtuelles Abbild eines Systems, das mithilfe von Sensordaten, künstlicher Intelligenz und Analysen in Echtzeit aktualisiert wird. „Das Framework wurde um drei integrierte Komponenten herum aufgebaut“, erklärt Zahra Sharif Khodaei vom Imperial College(öffnet in neuem Fenster) im Vereinigten Königreich, die bei AVATAR als wissenschaftliche Koordinatorin fungierte. „Erstens ermöglicht ein physisches IoT-Sensorsystem eine kontinuierliche, leichte, In-situ-Messung der strukturellen Reaktion während des Fluges.“ Die zweite Komponente ist ein virtuelles Vorhersagesystem mit probabilistischem maschinellem Lernen für die Schadensdiagnose in Echtzeit, während die dritte Komponente eine sichere Datenkommunikationsplattform bildet, die das physische und virtuelle System durch integriertes Edge-Computing und cloudbasierter Verarbeitung miteinander verbindet. „In Kombination erzeugen diese Komponenten ein kontinuierlich aktualisiertes virtuelles Abbild jedes einzelnen Flugzeugs, das seine tatsächliche Betriebsgeschichte widerspiegelt und nicht nur eine allgemeine Konstruktionsannahme“, merkt Sharif Khodaei an.
Nachflug- und Gesamtfluganalyse
Alle drei Komponenten wurden in ein cloudbasiertes Betriebs-Dashboard integriert. Dies ermöglichte Nachflug- und Gesamtfluganalysen für zwei charakteristische Nutzungsprofile – die Strukturanalyse und Pilotentätigkeit. Anschließend demonstrierte das Projektteam erfolgreich die Wirksamkeit des DT-Konzepts durch Testflüge eines bemannten EVEKTOR-Flugzeugs sowie durch Drohnentests im Labor. „Jedes Projekt spiegelte eine andere strukturelle Konstruktionsphilosophie wider und erforderte daher eine ganz bestimmte DT-Konfiguration“, sagt Sharif Khodaei. Während des Fluges wurden reale Daten erfasst und durch die gesamte DT-Pipeline verarbeitet, so dass das System zum ersten Mal unter echten Betriebsbedingungen validiert wurde. „Die nächste Herausforderung ist die Skalierung und Kommerzialisierung“, fügt Vančo hinzu. „Alle drei Kernkomponenten, die IoT-Sensorhaut, das virtuelle Vorhersagesystem und die Kommunikationsplattform, stehen für die Weiterentwicklung zu zertifizierten, kommerziell einsetzbaren Produkten bereit.“
Technische Konstruktion, betriebliche Realität und Sicherheit
Das AVATAR-Projektteam ist davon überzeugt, dass seine Innovation einen grundlegenden Bewusstseinswandel in der Sichtweise auf die Beziehung zwischen technischer Konstruktion, betrieblicher Realität und Sicherheitsnachweis darstellt. Durch die Verringerung unnötiger Ausfallzeiten könnte eine vorausschauende, zustandsorientierte Wartung zu niedrigeren Flugticketpreisen und einem nachhaltigeren Flugbetrieb führen. „Was die Konstruktion von Flugzeugen anbelangt, so könnten kontinuierlich verfügbare Daten zur realen Nutzung die Zertifizierung neuartiger Werkstoffe und Konfigurationen beschleunigen, einschließlich von Verbundwerkstoff- und Hybrid-Elektro-Konstruktionen, die die nächste Generation der nachhaltigen Luftfahrt definieren werden“, bemerkt Sharif Khodaei. Auf lange Sicht könnten sich vor allem Vorteile für die städtische Luft Mobilität auftun. Wenn elektrische Lufttaxis und autonome Luftfahrzeuge ihren Betrieb in überbevölkerten Gebieten aufnehmen, hängt die öffentliche Akzeptanz von der nachweisbaren, kontinuierlich überprüften Sicherheit ab. „Der durch AVATAR entwickelte digitale Zwilling bietet genau das: eine evidenzbasierte Gewährleistung der strukturellen Integrität in Echtzeit pro Fahrzeug und Flug“, bemerkt Vančo. „Diese Fähigkeit wird für die sichere Integration von wegweisenden Luftfahrzeugen in das Stadtbild und für den Aufbau des öffentlichen Vertrauens von entscheidender Bedeutung sein.“
