Architektur applikationsspezifischer Multi-Physics-Simulationskonfiguratoren am Beispiel modularer Triebzüge

Die Entwicklung hochgradig digitalisierter Produkte und Anlagen stellt Hersteller vor die Herausforderung, die steigende technische Komplexität zu beherrschen. Dabei helfen Digitale Zwillinge. Die entwicklungsbegleitende Verifizierung, deren Aufgabe die Sicherstellung eines fehlerfrei funktionierenden Produktes ist, ist darin bislang unterrepräsentiert. Um dies zu ändern, muss das physikalische und steuerungstechnische Verhalten ebenfalls berücksichtigt werden, wofür die Inklusion multiphysikalischer Simulationsmodelle nötig ist. In dieser Arbeit wird daher eine objektorientierte, Modelica-basierte Modellarchitektur zur Implementierung solcher Digitaler Zwillinge eingeführt. Diese bilden das bislang fehlende Modellverhalten ab und verfügen darüber hinaus über eine modulare, vielseitig konfigurierbare Struktur. Auf diese Weise kann das komplexe Wechselspiel der Systemkomponenten und verschiedener Systemkonfigurationen in den verschiedenen Entwurfs- und Integrationsphasen der Entwicklung virtuell analysiert und abgesichert werden. Eine Methodik zur Integration der offen zugänglichen Modellschnittstelle Functional Mock-Up Interface (FMI) ermöglicht die Adaption der Digitalen Zwillinge durch Entwicklungswerkzeuge. Dadurch lassen sich die Digitalen Zwillinge einerseits für effektive Testautomatisierung nutzen. Andererseits sind etablierte Teilmodelle in das Systemmodell integrierbar. Die Methodik wird anhand von Schnellzügen validiert, die sich durch das Wechselspiel eines komplexen Steuerungssystems, verteilter Traktion und Bremsen charakterisieren. Die Systemkomplexität verursacht unbeabsichtigte fahrdynamische Effekte, die zukünftig in Simulationen bereits während der Entwicklung erkannt und beseitigt werden können.