Value Creation with Digital Twins: Conceptual Reference Frameworks and Case Study

Linard Dario Barth

Doctoral thesis

Abstract:

Digitální dvojče je počítačová reprezentace systému v reálném světě, která může reagovat na vstupy a produkovat odpovídající výstupní data v rámci různých případů užití. Digitální dvojčata jsou pro uživatele hodnotná tím, že umožňují vytváření vylepšených nebo nových služeb. Nejednoznačné definice a terminologie spolu s nedostatkem sdílených konceptuálních referenčních frameworků však komplikují mezioborové diskuse a brání širokému zavádění digitálních dvojčat v praxi. Tato disertační práce navrhuje novou definici a představuje dva konceptuální referenční frameworky pro systematickou prezentaci hodnot vytvořených pomocí digitálních dvojčat. K opakovanému navrhování a vyhodnocování těchto reprezentací byl nutný vědecký výzkum v oblasti jejich návrhu, využívající kombinaci různých vědeckých metod, aby byla zajištěna vědecká přesnost, praktická relevance a užitečnost dosažených výsledků. Mezi aplikované metody v rámci pěti realizovaných výzkumných fází patřil systematický průzkum literárních zdrojů, rozhovory, workshopy s akademickými odborníky, kvalitativní a kvantitativní výzkum, workshopy s odborníky z praxe a hloubková případová studie v oblasti chytrého nakládání s odpady. Hlavní závěry tohoto výzkumu jsou (i) návrh nové definice digitálních dvojčat, která odráží praktické chápání se zaměřením na vytváření nových hodnot; ii) vědecký konceptuální referenční framework zaměřující se na kompletnost reprezentace rozlišováním 81 prvků zapojených do vytváření hodnot digitálními dvojčaty; (iii) druhý, více aplikačně orientovaný konceptuální referenční framework zaměřující se na vzájemné vztahy prvků zásadních pro tvorbu hodnot v praxi; a (iv) konkretizaci aplikačně orientovaného frameworku pro vytvoření hloubkové případové studie. Všechny části jsou obsahově konzistentní a zahrnují následující hlavní dimenze, které je třeba vzít v úvahu při vytváření hodnot pomocí digitálních dvojčat: datové zdroje, vnitřní vytváření hodnot a vytváření externích hodnot. Tyto části přispívají ke společnému porozumění vytváření hodnot digitálními dvojčaty ve výzkumu a praxi. Kromě toho umožňují výzkumným pracovníkům a odborníkům z praxe strukturovat své aktivity v oblasti digitálních dvojčat a sdělovat je interním a externím zainteresovaným stranám.

Abstract:

A digital twin is a digital representation of a real-world counterpart, which can receive and provide data to create value within a use case. Digital twins create value for users by enabling new and enhanced smart services. However, ambiguous definitions and terminology coupled with a lack of shared conceptual reference frameworks complicate cross-functional discussions and hinder the widespread implementation of digital twins. This thesis proposes a new definition and presents two conceptual reference frameworks to systematically depict value creation with digital twins. A design science research approach with mixed methods was used to iteratively design and evaluate these artifacts while ensuring scientific rigor, practical relevance, and usefulness. The applied methods within the five research phases include systematic literature research, interviews, workshops with academic experts, qualitative and quantitative questionnaires, workshops with practice experts, and an in-depth case study in smart waste management. The major findings of this research are (i) the proposal of a new definition of digital twins that reflects a practical understanding by focusing on value creation; (ii) a scientific conceptual reference framework focusing on completeness by distinguishing 81 elements involved in value creation with digital twins; (iii) a second, more application-oriented conceptual reference framework focusing on the interrelations of the elements essential for the value creation in practice; and (iv) an instantiation of the application-oriented framework for the use case of the in-depth case study. All artifacts are consistent in content and include the following main dimensions, which are to be considered when creating value with digital twins: data resources, internal value creation, and external value creation. These artifacts contribute to a common understanding of value creation with digital twins in research and practice. Furthermore, they enable researchers and practitioners to structure their digital twin activities and communicate them to internal and external stakeholders.

Keywords

Digitální dvojče, vytváření hodnot, ontologie, konceptuální referenční framework, výzkum v oblasti návrhu systémů

Keywords

Digital twin, ontology, value creation, conceptual reference framework, design science research

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 11. 2023

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Radim Farana, CSc. FEng.

Mendel University in Brno

Faculty of Business and Economics

Doctoral programme / field:
Economics and Management / Business Economics and Management