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GCRI · Systemwissenschaft und Modellierung

Digitale Zwillinge: Methode und Grenzen

A digitalen Zwilling is a model of a real system that is continuously updated with data from it, used to monitor, predict and test decisions. Twins of cities, grids, water networks and factories are widely proposed, and many are dashboards or static models under a new name. This page sets out what makes a digital twin, how twins are built and validated, and what evidence serves the institutions considering them.

01Registrieren

Digital twins: method and limits on the record.

02Die Frage

Digital twins: method and limits: how the risk develops.

What a twin can and cannot represent, and how it is kept honest. The dossier below sets out how the risk develops, what is measured, where the data come from, how it is modelled and who decides.

Mechanismus

Data keep the model current

A twin assimilates sensor and operational data so that its state tracks the real system, which needs reliable data flows and quality control.

Mechanismus

Models must be fit for purpose

A twin is only as good as its underlying models. Visualisation without validated models is a dashboard, not a twin.

Mechanismus

Decisions close the loop

Twins add value when used to test options and inform action, and when outcomes are fed back to improve the model.

Mechanismus

Integration creates risk

Connecting models to live data and to controls raises cybersecurity, data protection and accountability questions.

03Geografie

Connected activity in North America.

Night lights, population density and land cover over North America, from NASA GIBS. Each layer carries its own date.

Die interaktive Karte benötigt JavaScript; die Ebenenliste und die Quellen finden Sie unten.

Ebenen 3

Vernetzte Aktivität für diese Seite

Über diese Ebene
Evidenz
Beobachtet
Quelle
VIIRS Black Marble (VNP46A2) (NASA LAADS DAAC)
Anbieter
NASA LAADS DAAC
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
täglich; Satellitenstrahldichte, korrigiert um Mondlicht und Atmosphäre
Neueste beim Build
2026-10-12
Auflösung
Raster von etwa 500 m
Unsicherheit
Nächtliche Strahldichte aus Satellitendaten für das angezeigte Datum; Lichter sind ein Näherungswert für Stromverbrauch und Ausfälle, keine Messung von Versorgung oder Zugang.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Geschätzt
Quelle
Gridded Population of the World v4.11 (NASA SEDAC (CIESIN, Columbia University))
Anbieter
NASA SEDAC (CIESIN, Columbia University)
Lizenz
CC BY 4.0
Jahrgang
null; Zensusbasierte Schätzung, statisch (2020)
Auflösung
Raster von etwa 1 km
Unsicherheit
Auf Volkszählungen beruhende Schätzung der Einwohner je Quadratkilometer im Jahr 2020, dargestellt als Expositionskontext; keine Zählung der von einer Gefahr betroffenen Menschen.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Beobachtet
Quelle
VIIRS NOAA-20, korrigierte Reflexion (NASA LANCE)
Anbieter
NASA LANCE
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
täglich; Satellitenbild
Neueste beim Build
2026-10-14
Auflösung
Raster von etwa 250 m
Unsicherheit
Satellitenbild. Satelliten- oder Modellraster, wie der Anbieter es veröffentlicht. Wolken, Streifenlücken und Ableitungsfehler hinterlassen Lücken und Rauschen; die Werte sind Indikatoren, keine Messungen an einem Ort.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Modelliert (jüngstes Jahr, das GIBS veröffentlicht)
Quelle
MODIS Terra und Aqua, Landbedeckung (MCD12Q1) (NASA LP DAAC)
Anbieter
NASA LP DAAC
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
jährlich; Satellitenklassifikation; jüngstes Jahr, das GIBS veröffentlicht
Neueste beim Build
2024-01-01
Auflösung
Raster von etwa 500 m
Unsicherheit
Satellitengestützte Landbedeckungsklassen für das angezeigte Jahr, einschließlich Ackerland; eine Klassifikation mit bekannten Fehlern, kein Betriebsregister.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Beobachtet (Wolken hinterlassen Lücken)
Quelle
MODIS Terra EVI (NASA LANCE)
Anbieter
NASA LANCE
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
täglich; Satellitenindex; Wolken hinterlassen Lücken
Neueste beim Build
2026-10-13
Auflösung
Raster von etwa 250 m
Unsicherheit
Satelliten-Vegetationsindex über die 8 Tage bis zum angezeigten Datum, ein Indikator für den Zustand von Lebensräumen; kein Maß für Arten oder Biodiversität.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben
Über diese Ebene
Evidenz
Beobachtet (Wolken hinterlassen Lücken)
Quelle
MODIS Terra NDVI (NASA LANCE)
Anbieter
NASA LANCE
Lizenz
Offene Daten der NASA
Jahrgang
täglich; Satellitenindex; Wolken hinterlassen Lücken
Neueste beim Build
2026-10-13
Auflösung
Raster von etwa 250 m
Unsicherheit
Satelliten-Grünindex über die 8 Tage bis zum angezeigten Datum; ein Indikator für den Zustand von Feldfrüchten und Weideland, keine Ertragsschätzung und keine Warnung vor Ernährungsunsicherheit.
Erreichbar über
gibs.earthdata.nasa.gov, erst nachdem Sie die Live-Karte zugelassen haben

Zuletzt verfügbar

NASA GIBS / EOSDIS · ASTER GDEM (METI, NASA) · Blue Marble (NASA) · © OpenStreetMap-Mitwirkende (ODbL) · Natural Earth

Die neuesten NASA-Bilder werden geladen.

Zum Verschieben ziehen. Zum Zoomen Strg oder ⌘ gedrückt halten und scrollen, die Zwei-Finger-Geste oder die Schaltflächen verwenden; für die Werte unter dem Zeiger darüberfahren; Zurücksetzen kehrt zur Region zurück.

Connected activity, framed on North America.Satelliten- und Modellprodukte, wie die NASA sie veröffentlicht, jeweils mit eigenem Datum. Sie sind Indikatoren, keine Bewertungen eines Ortes.

Daten: NASA GIBS · ASTER GDEM · Blue Marble · © OpenStreetMap-Mitwirkende · Natural Earth · NASA EONET · NASA/NOAA VIIRS · NASA JPL OPERA DIST-ALERTQuellen und Lizenzen

  • We acknowledge the use of imagery provided by services from NASA’s Global Imagery Browse Services (GIBS), part of NASA’s Earth Science Data and Information System (ESDIS). Colours redrawn from the published colour map; values averaged into hexagonal cells where shown (modified). Offene Daten der NASA
  • We acknowledge the use of imagery provided by services from NASA’s Global Imagery Browse Services (GIBS), part of NASA’s Earth Science Data and Information System (ESDIS). Colours redrawn from the published colour map; values averaged into hexagonal cells where shown (modified). Offene Daten der NASA
  • Nächtliche Lichter VIIRS Black Marble, NASA Goddard Space Flight Center; bereitgestellt vom NASA Level-1 and Atmosphere Archive and Distribution System (LAADS DAAC); Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Offene Daten der NASA
  • Center for International Earth Science Information Network (CIESIN), Columbia University. 2018. Gridded Population of the World, Version 4 (GPWv4): Population Density, Revision 11. NASA Socioeconomic Data and Applications Center (SEDAC). Lizenziert unter CC BY 4.0. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). doi:10.7927/H49C6VHW. CC BY 4.0
  • VIIRS-Produkte nahezu in Echtzeit (Hochwasser, Landoberflächentemperatur, Schneebedeckung, korrigierte Reflektanz), NASA LANCE; Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Offene Daten der NASA
  • MODIS-Landprodukte (Vegetationsindizes, Bruttoprimärproduktion, Landbedeckung), NASA LP DAAC und LANCE; Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Offene Daten der NASA
  • ASTER GDEM ist ein Produkt von METI und NASA (ASTER Global Digital Elevation Model V003, NASA LP DAAC); Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Zitieren als: NASA/METI/AIST/Japan Spacesystems and U.S./Japan ASTER Science Team (2019). ASTER Global Digital Elevation Model V003. doi:10.5067/ASTER/ASTGTM.003. Offene Daten der NASA
  • Erstellt mit Natural Earth. Freie Vektor- und Rasterkartendaten @ naturalearthdata.com. Gemeinfrei
  • © OpenStreetMap-Mitwirkende (ODbL), über NASA GIBS (Küstenlinien, Grenzen, Straßen und Ortsnamen). Farben aus der veröffentlichten Farbtabelle neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). ODbL
  • Blue Marble, NASA Earth Observatory; Bilder über NASA GIBS. Farben nach der veröffentlichten Farbskala neu gezeichnet; Werte, wo gezeigt, in Sechseckzellen gemittelt (verändert). Offene Daten der NASA
  • Kontext auf Globus und flacher Karte: Küstenlinien, Grenzen, Straßen und Ortsnamen aus den Referenzebenen von NASA GIBS (OpenStreetMap-Daten, ODbL, © OpenStreetMap contributors); Blue-Marble-Bilddaten als optionale Basis; 3D-Gelände und Höhenanzeige aus dem Höhenfarbindex des ASTER GDEM (Klassen von 5 m bis 200 m, zur besseren Lesbarkeit überhöht). Grenzen werden wie veröffentlicht dargestellt und beziehen keine Position zu einem Gebiet.
  • Live-Ereignisse: NASA Earth Observatory Natural Event Tracker (EONET). Die Ereignisse sind indikativ und behalten ihre ursprünglichen Quellenlinks.
  • Observed (EO): NASA/NOAA VIIRS (Suomi NPP). We acknowledge the use of imagery provided by services from NASA’s Global Imagery Browse Services (GIBS), part of NASA’s Earth Science Data and Information System (ESDIS).
  • Observed (EO): NASA JPL OPERA DIST-ALERT (contains modified Copernicus Sentinel data 2026). We acknowledge the use of imagery provided by services from NASA’s Global Imagery Browse Services (GIBS), part of NASA’s Earth Science Data and Information System (ESDIS).
  • NASA GIBS: We acknowledge the use of imagery provided by services from NASA’s Global Imagery Browse Services (GIBS), part of NASA’s Earth Science Data and Information System (ESDIS).
  • Optionale Ebenen (5 Quellen in der Ebenenliste: live, Vorhersage, beobachtet und Kontext) zeigen beim Einschalten ihren Anbietervermerk auf der Karte und hier; Vorhersagen sind Modellausgaben, abgeleitete Indizes sind Schätzungen.

Ebenen und Daten

  • Nachtlichter, täglich: VIIRS Black Marble (VNP46A2), NASA LAADS DAAC · 12. Okt. 2026
  • Bevölkerungsdichte, 2020: Bevölkerung: CIESIN, Columbia University, Gridded Population of the World v4.11 (2018), NASA SEDAC, CC BY 4.0 · statisch
  • Echtfarbe: VIIRS NOAA-20 korrigierte Reflektanz, NASA LANCE · 13. Okt. 2026
  • Landbedeckungstyp (IGBP), jährlich: MODIS Terra and Aqua land cover (MCD12Q1), NASA LP DAAC · 2024
  • Enhanced Vegetation Index, gleitend über 8 Tage: MODIS Terra EVI, NASA LANCE · 13. Okt. 2026
  • Vegetationsgrün (NDVI), gleitend über 8 Tage: MODIS Terra NDVI, NASA LANCE · 13. Okt. 2026

04Domänenübergreifend

Digital twins mirror systems in each domain, with limits.

Method studies are designed for the Reihe Methods and Technical. ISO 23247 frames twins for manufacturing; a twin is only as good as its data and validation, recorded under NS-12 of the proposed Nexus Standards.

  • Twin validation studies.
  • Data latency measurements.
05Monitoring

Ausführung gekoppelter Modelle.

Die Ansicht, die ein Team nutzen würde, um dieses Thema zu verfolgen: seine Messgrößen, Zustände und Entscheidungen. Namen sind Beispiele, Werte sind illustrativ.

Ausführung gekoppelter Modelle

Digital twins: method and limits · Coupled model A · Scenario set 3

Ensemble läuftGCRI · Systemwissenschaft und Modellierung

Kopplungsgraph der Modelle

Knoten: Modelle · Kanten: ausgetauschte Variablen

Gekoppelte Komponenten

Hydrologie1 dayAbflussJa
Stromsystem1 hNachfrage, AusfälleJa
Wirtschaft1 QuartalProduktion, PreiseTeilweise
Bevölkerung1 yearExpositionJa

Ensembleausgabe

Coupled model runner: the screen’s structure, terms and states for Digital twins: method and limits.Beispielnamen und beispielhafte Werte; ein Entwurf, kein Eintrag und kein Live-System.
06Indikatoren

Was gemessen wird und wie gut.

Jeder Indikator trägt seine Einheit, seinen Rhythmus, die Art der zugrunde liegenden Quelle und die Evidenzkennzeichnung, die ein Wert tragen würde. Es werden keine Werte gezeigt: Ein Programm liefert sie unter seiner eigenen Autorität.

IndikatorEinheitTaktQuellentypKennzeichnung
Data latency from system to twinminuteskontinuierlichData pipeline monitoringBEOBACHTET
State estimation errorerror metricper evaluationValidation against measurementsGESCHÄTZT
Decisions informed by the twinAnzahlper periodEntscheidungsprotokolleBERICHTET
Sensor coverage of the systempercent of key variables measuredje BewertungSensor inventoryDEKLARIERT
Model components validatedpercentje BewertungValidation recordsBERICHTET
Security assessments completedAnzahlje BewertungSecurity recordsBERICHTET
07Zwillings- und Kaskadensimulator

Model digital twins: method and limits as a system. Run the cascade.

Assembled from the Nexus Standards area profile Standards zu Verbund- und Kaskadengefahren: the hazards it names, the Systeme and sectors that carry the loss, the controls that dampen it and the data that observe it. Choose the components, pick an initiating hazard and step through the cascade. The Map view places the run on an example geography with open data. Every coupling weight is a stated assumption you can change. A teaching model, not a forecast, an assessment or a certification. To model a place of your own choosing, open the full System-Builder.

Gefahren

Steuerung

  • NS-0 Verfassung und Grundsätze
  • NS-3 UNIs für Risikodatensätze (Grammatik, Altbestands-Crosswalk, Zuteilungsstelle)
  • NS-9 Kontextuelle UNIs (Bereitstellungen, Instanzen, Programminstanzen)
  • NS-11 Verifikation und Überwachung (Evidenz, Bescheinigungen, Beobachtung der Zero-Trust-Konformität)
  • NRS-H61 Gefahrenfamilie: kaskadierender Ausfall (NHS-1 sys.cascade)
  • NRS-H62 Gefahrenfamilie: Verbund- und Mehrfachgefahrenereignisse (NHS-1 sys.compound)
  • NRS-H60 Gefahrenfamilie: Störung von Lieferketten und Flüssen (NHS-1 sys.supply-chain)
  • NRS-H94 Gefahrenfamilie: systemische Cyberereignisse (NHS-1 cyber.systemic-cyber)
  • NRS-H107 Gefahrenfamilie: Konzentration und Monokultur digitaler Infrastruktur (NHS-1 tech.digital-concentration)
  • NRS-H7 Gefahrenfamilie: großräumige Zirkulationsanomalien (NHS-1 atmo.climate-mode)

Beobachtung

  • Copernicus EMS rapid mapping activations (listed for reference)
  • OpenStreetMap planet and replication (listed for reference)
  • ERA5 reanalysis (Copernicus Climate Data Store) (listed for reference)
  • Direkte wirtschaftliche Schäden infolge von Katastrophen im Verhältnis zum globalen BIP
  • Number of disruptions to basic services attributed to disasters

Beispielgeografie

  • Bangladesch: 134 Sechseckzellen
  • Nachtlichter heute Nacht, Ausfälle (VIIRS Day/Night Band), NASA GIBS
  • Carbon monoxide, smoke transport (AIRS), NASA GIBS
  • Vegetation disturbance alerts, 30 m (OPERA DIST-ALERT), NASA GIBS
08Quellen

Woher die Evidenz stammt.

Benannte öffentliche Datensätze und institutionelle Aufzeichnungen, jeweils mit ihrer Lizenzklasse. Quellen auf Vereinbarungsbasis werden nur zu ihren Bedingungen genutzt und niemals weiterveröffentlicht.

QuelleWas es liefertLizenzklasse
ISO 23247 Rahmenwerk für den digitalen Zwilling frameworkReference architecture for manufacturing digital twinsLicensed standard, purchase required
Digital Twin Consortium definitions and resourcesIndustry definitions and capability frameworksPublic, terms to check
National academies reports on digital twinsAssessment of foundational research gapsPublic, terms per publisher
Data assimilation literatureMethods for combining models and observationsLicence per publication
Published city and utility digital twin case studiesApplied twins and lessonsLicence per publication
09Methoden und Evidenz

How digital twins: method and limits is modelled, measured and tested.

Das Modell, seine Annahmen, seine Daten und seine Unsicherheit in der Form, in der eine Wissenschaftlerin oder ein Ingenieur sie prüfen würde. Die Strukturen folgen veröffentlichten Methoden. Die dargestellten Werte sind illustrativ, keine Befunde.

Modell, Gleichungen und Annahmen

The model structure used for digital twins: method and limits, the assumptions it makes and how each is tested.

Risiko des Elements iRi = f(Hi, Ei, Vi, Ci)Gefahr, Exposition, Verwundbarkeit und Bewältigungskapazität
Erwarteter jährlicher SchadenEAL = ∑k pk · Lküber Ereignisse k mit jährlicher Wahrscheinlichkeit pk
Gekoppelte Systemext+1 = A xt + B ut + εtA carries the couplings, u the shock, ε the error
AnnahmeWarum es entstehtWie es geprüft wird
Gefahr und Exposition sind innerhalb eines Ereignisses unabhängigHält das Schadensintegral berechenbarMit einer Copula-Anpassung an gemeinsamen Aufzeichnungen vergleichen
Kopplungen sind nahe dem Arbeitspunkt linearLässt Schocks sich über A ausbreitenÜber den linearen Bereich hinaus stören und vergleichen
Vulnerabilitätskurven lassen sich zwischen Orten übertragenLokale Kurven sind selten verfügbarAnhand beobachteter Schäden validieren, wo es sie gibt
Eingaben
versionierte Datensätze mit Herkunftsnachweis
Ergebnisse
Verteilungen, nie einzelne Zahlen
Code
mit Modellkarte und Tests veröffentlicht
Reproduktion
gleiche Daten, Code, Umgebung und Seed
Standardformulierungen für Risiko und Zustandsraum; die aufgeführten Annahmen sind für die Methode typisch und zur Prüfung benannt, keine Ergebnisse.
FAIR-Leitprinzipien · GO FAIR und FORCE11W3C PROV · World Wide Web ConsortiumHinweise zur einheitlichen Behandlung von Unsicherheiten · IPCCCEOS Analysis Ready Data · Committee on Earth Observation Satellites
10Entscheidungen

Wer entscheidet und wozu die Evidenz dient.

System Science and Modelling prepares evidence. The decisions below are taken by the authorities named, under their own rules, and never by the platform.

Wer entscheidetDie FrageEvidenz, der diese Seite dient
Operators and city authoritiesWhether a digitalen Zwilling is worth building and for which decisionsCapability assessments
Engineering teamsHow to validate and secure a twinValidation designs; architecture reviews
Procurement bodiesHow to distinguish twins from dashboards in tendersCapability criteria

Ergebnisse, die dieses Thema hervorbringt

  • Digital twin capability assessments
  • Validation designs for twin state estimates
  • Architecture and data flow reviews
  • Teaching material on twins as a method
11Kernfragen

What experts ask about digital twins.

  • What does the twin represent, at what resolution, and what does it leave out?
  • How often is it updated with data, and how is Datenqualität checked?
  • How is the twin’s accuracy tested, and for which purposes?
  • How are uncertainties shown to users?
  • Who is accountable when decisions rely on the twin?
12Mechanismen und Treiber

What twins can and cannot do.

A twin combines models with live or regularly updated data. Data assimilation adjusts the model state to match observations, which can make short-term predictions more accurate. Twins are useful for monitoring, testing interventions virtually and training operators.

A twin is still a model. It represents only the processes and components that were built into it, at the resolution chosen, and it inherits the uncertainties and assumptions of its components. Visual realism can create an impression of completeness that the underlying model does not justify.

Twins can drift. As the real system changes, through new construction, ageing or changing behaviour, the twin must be updated and revalidated. A twin that is not maintained becomes a misleading picture.

13Methoden und Daten

Methoden und ihre Grenzen.

  1. 01

    Datenassimilation

    Combining model predictions with observations, using statistical methods. Requires good observation coverage.

  2. 02

    Validation for purpose

    Testing the twin against independent data for each intended use, using Unsicherheitsquantifizierung.

  3. 03

    Systemtechnik

    Defining scope, interfaces and requirements, using Systems Engineering.

  4. 04

    Computing infrastructure

    Running and updating twins, using Informatik. Costs and security must be managed.

A digital twin is a representation, not reality. Its outputs carry the uncertainty of its models and data, and they are shown with that uncertainty.

15Where this page’s references

Where this page’s references lead.

Die Gremien und Dokumente, vor deren Hintergrund diese Seite gelesen wird. Status und Ausgaben ändern sich; jeder Link führt zur herausgebenden Stelle.

16Fragen

Fragen und Antworten.

What is a digital twin?
A virtual representation of a physical system that is updated with data from it and used to monitor, predict and support decisions about the system.
How is a digital twin different from a simulation?
A simulation can run without live data. A twin is continuously synchronised with its real counterpart through data assimilation.
What is data assimilation?
Methods that combine model forecasts with observations to estimate the current state of a system, widely used in weather forecasting.
Is a 3D city model a digital twin?
Not on its own. A twin also needs process models and data updates. Many products called twins are visualisations.
Can a twin predict the future?
It can make short-term predictions for represented processes, with uncertainty. Long-term or unrepresented effects are outside its reach.
How is a twin kept honest?
Through validation for each use, visible uncertainty, documented scope and regular revalidation as the real system changes.
Does GCRI certify digital twins?
No. GCRI does not certify. The topic provides method guidance.
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