Modelling and management of wireless communication systems based on digital twins

Abstract

Industrial automation is undergoing a significant transformation from the mass production of goods with exact requirements to creating highly cus- tomized products. This shift is driven by the need for modern production systems that can manufacture unique items with specific production needs, requiring diverse resources, materials, and data transfer criteria. The pro- duction systems that can dynamically adapt to the individual requirements of each product are the future of industrial automation. A fundamental component of advanced manufacturing systems is the communication infrastructure, particularly wireless communication systems (WCSs). Effec- tive management of WCSs is essential to maximize efficiency and adapt- ability in production processes. Digital twins offer a promising solution for designing and managing WCSs, as they enable the digital representation of physical systems, allowing for simulation and optimization in a virtual environment. However, to exploit the full potential of digital twins, accu- rate modelling of WCSs is essential to ensure that the virtual counterpart reflects the physical system and effectively meets operational challenges. This thesis focuses on developing models to digitally represent the assets of production systems, with a particular emphasis on the integration of wire- less communication aspects. The proposed approach transforms physical elements into their virtual counterparts, enabling continuous adaptation through the interaction of application and communication systems with their digital twins. This dynamic integration allows systems to adjust in dynamically to changing conditions and requirements, such as modify- ing application parameters in response to communication interference or adapting communication capabilities to meet evolving application needs. The models are validated through various scenarios, including the use of passive digital twins for communication system design and real-time pa- rameter adjustments during operation, highlighting their versatility and performance. The results demonstrate that modelling WCSs with AAS is a feasible approach for enhancing process resilience and performance. The findings highlight the importance and complexity of developing com- prehensive models that address various facets of communication systems, opening the path to more adaptable and efficient manufacturing processes.

Die industrielle Automatisierung erlebt einen bedeutenden Paradigmen- wechsel von der Massenproduktion von Waren mit genauen Anforderun- gen hin zur Herstellung hochgradig kundenspezifischer Produkte. Dieser Wandel wird durch den Bedarf an modernen Produktionssystemen vo- rangetrieben, die einzigartige Artikel mit spezifischen Produktionsan- forderungen herstellen können, die unterschiedliche Ressourcen, Ma- terialien und Datenübertragungskriterien erfordern. Die Zukunft der industriellen Automatisierung liegt in Produktionssystemen, welche sich dynamisch an die individuellen Anforderungen jedes Produkts anpassen können. Eine grundlegende Komponente fortschrittlicher Fertigungssys- teme ist die Kommunikationsinfrastruktur, insbesondere drahtlose Kom- munikationssysteme (WCSs). Ein effektives Management von WCSs ist unerlässlich, um die Effizienz und Anpassungsfähigkeit von Produk- tionsprozessen zu maximieren. Digitale Zwillinge bieten eine vielver- sprechende Lösung für die Gestaltung und Verwaltung von WCSs, da sie die digitale Darstellung physischer Systeme ermöglichen und Simulation und Optimierung in einer virtuellen Umgebung ermöglichen. Um das volle Potenzial digitaler Zwillinge auszuschöpfen, ist jedoch eine genaue Mod- ellierung von WCSs von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass das virtuelle Gegenstück das physische System widerspiegelt und betriebliche Herausforderungen effektiv bewältigt. Diese Arbeit konzen- triert sich auf die Entwicklung von Modellen zur digitalen Darstellung der Assets von Produktionssystemen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Integration von Aspekten der drahtlosen Kommunikation liegt. Der vorgeschlagene Ansatz wandelt physische Elemente in ihre virtuellen Gegenstücke um und ermöglicht so eine kontinuierliche Anpassung durch die Interaktion von Anwendungs- und Kommunikationssystemen mit ihren digitalen Zwillingen. Diese dynamische Integration ermöglicht es Syste- men, sich in Echtzeit an veränderte Bedingungen und Anforderungen anzu- passen, beispielsweise durch die Änderung von Anwendungsparametern als Reaktion auf Kommunikationsstörungen oder die Anpassung von Kom- munikationsfunktionen an sich entwickelnde Anwendungsanforderungen. Die Modelle werden anhand verschiedener Szenarien validiert, darunter die Verwendung passiver digitaler Zwillinge für die Entwicklung von Kom- munikationssystemen und Parameteranpassungen während des Betriebs, was ihre Vielseitigkeit und entscheidende Rolle unterstreicht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Modellierung von WCSs mit AAS ein praktikabler Ansatz zur Verbesserung der Prozessstabilität und -leistung ist. Die Erken- ntnisse verdeutlichen die Bedeutung und Komplexität der Entwicklung umfassender Modelle, die mehrere Facetten von Kommunikationssyste- men berücksichtigen und den Weg für anpassungsfähigere und effizientere Herstellungsprozesse ebnen.