Herr Meinel hat sich in den letzten fünf Jahren intensiv mit innovativen virtuellen Methoden beschäftigt, das korrekte Betriebsverhalten komplexer mechatronischer Anlagen und Produkte bereits während früher Produktentstehungsphasen sicherzustellen. Von großen Anlagen, wie z. B. Triebzügen, bei denen große Leistungen und kinetische Energien umgesetzt werden, muss ein Gefahrenpotential für den Menschen mittels sehr restriktiver Zulassungsprozesse ausgeschlossen werden. Da Fehlfunktionen jedoch oftmals erst während dieser Zulassungsprozesse auftreten, ist der Geschäftserfolg der Hersteller gefährdet.

Herr Meinel hat eine auf mechatronische Systeme im Allgemeinen anwendbare Methode entwickelt, mit der sich adaptive Digitale Zwillinge der Anlagen und Produkte erzeugen lassen. Diese Digitalen Zwillinge simulieren das komplexe physikalische und steuerungstechnische Verhalten im Betrieb. Dabei lassen sich durch eine objektorientierte, modulare Architektur und deren effiziente Konfiguration anforderungsgerechte Baugruppen-Orchestrierungen identifizieren und fehlerhafte Kombinationen vermeiden.

Darüber hinaus sind die Ursachen fehlerhaften Systemverhaltens hochcomputerisierter Produkte oftmals in der Steuerung zu finden. Die Methode beinhaltet deshalb die Beschreibung einer neuartigen, auf Functional Mock-Up Interface 2.0 (FMI) basierenden Schnittstelle zwischen Steuerungsmodellen und multiphysikalischer Umgebung (Modelica) sowie eines effektiven Feldbus-Modells. Auf diese Weise ist ein realistisches Steuerverhalten in die Digitalen Zwillinge integrierbar, anhand dessen steuerungsbedingte Fehlfunktionen simulativ ermittelt und bereits während der Produktentstehung effektiv behoben werden können. Dank der Schnittstelle lassen sich multiphysikalische Umgebungsmodelle per Konfiguration der Digitalen Zwillinge als virtuelle Simulationsumgebung von Steuerungssoftware und -hardware in Hardware-in-the-Loop-Simulationen (HiL) konfigurieren. Diese hochfunktionalen Umgebungsmodelle ermöglichen bereits während der Entwurfsphase von Steuerungssystemen die Validierung der sicherheitskritischen Softwarefunktionen. Die Methode erreicht somit, dass die Funktionalität von Steuerungssystemen zu früheren Zeitpunkten und in größerem Umfang als üblich sichergestellt werden kann.

Die Dissertation schließt Herr Meinel durch ein Proof of Concept am Beispiel modular aufgebauter Triebzüge ab. Darin wird zum einen demonstriert, dass durch derart konzipierte Digitale Triebzug-Zwillinge das komplexe Wechselspiel aus physikalischem sowie steuerungstechnischem Verhalten in einem bisher unerreichten Detailgrad simuliert werden kann. Zum anderen wird exemplarisch nachgewiesen, dass der Digitale Zwilling per HiL-Simulation die Auswirkungen der Steuerungsfunktionen auf das Schwingverhalten im Betrieb erstmals offenlegt.

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