Adv Biochem Eng Biotechnol (2021) 177: 127–166
https://doi.org/10.1007/10_2020_153
© Springer Nature Switzerland AG 2020
Published online: 31 December 2020
The Challenge of Implementing Digital
Twins in Operating Value Chains
Roman Werner, Ronny Takacs, Dominik Geier, Thomas Becker,
Norbert Weißenberg, Hendrik Haße, Rudolf Sollacher, Michael Thalhofer,
Bernhard Schumm, and Ines Steinke
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
2 Industrial Bioprocesses and Corresponding Value Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3 Analysis of Operating Value Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.1 Stakeholders Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.2 Use Case Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.3 Infrastructure Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.4 Process Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.5 Composition of the Big Picture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4 Standardization and Generation of Digital Twins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.1 Overview of Existing Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.2 Process Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3 Data Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.4 Data Sharing Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5 Integration of Models and Data Sources into a DT-Compatible Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6 Risk and Hurdles for a DTMS Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.1 Digital Twin Management: Implementation of a DTMS in an Operating Production
Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.2 Organic Supply Chains: Implementation of a DTMS for Vegetable and Beef Supply
Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.3 Shared Digital Twins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
R. Werner, R. Takacs, D. Geier (*), and T. Becker
Chair of Brewing and Beverage Technology, Technical University of Munich, Munich,
Germany
e-mail: dominik.geier@tum.de
N. Weißenberg and H. Haße
Fraunhofer Institute for Software and Systems Engineering, ISST, Dortmund, Germany
R. Sollacher, M. Thalhofer, B. Schumm, and I. Steinke
Siemens AG, Munich, Germany
https://doi.org/10.1007/10_2020_153
© Springer Nature Switzerland AG 2020
Published online: 31 December 2020
The Challenge of Implementing Digital
Twins in Operating Value Chains
Roman Werner, Ronny Takacs, Dominik Geier, Thomas Becker,
Norbert Weißenberg, Hendrik Haße, Rudolf Sollacher, Michael Thalhofer,
Bernhard Schumm, and Ines Steinke
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
2 Industrial Bioprocesses and Corresponding Value Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3 Analysis of Operating Value Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.1 Stakeholders Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.2 Use Case Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.3 Infrastructure Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.4 Process Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.5 Composition of the Big Picture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4 Standardization and Generation of Digital Twins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.1 Overview of Existing Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.2 Process Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3 Data Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.4 Data Sharing Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5 Integration of Models and Data Sources into a DT-Compatible Platform . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6 Risk and Hurdles for a DTMS Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7 Case Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.1 Digital Twin Management: Implementation of a DTMS in an Operating Production
Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
7.2 Organic Supply Chains: Implementation of a DTMS for Vegetable and Beef Supply
Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.3 Shared Digital Twins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
R. Werner, R. Takacs, D. Geier (*), and T. Becker
Chair of Brewing and Beverage Technology, Technical University of Munich, Munich,
Germany
e-mail: dominik.geier@tum.de
N. Weißenberg and H. Haße
Fraunhofer Institute for Software and Systems Engineering, ISST, Dortmund, Germany
R. Sollacher, M. Thalhofer, B. Schumm, and I. Steinke
Siemens AG, Munich, Germany