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For thousands of years, people have depicted the real world through geographic maps or portraits of people, landscapes, and machines for different reasons, like representing complex environments simply and understandably or depicting detailed aspects of reality. Due to the increasing digitalization and connectivity over the last years, it is possible to continuously collect more and more data describing the real world, including interactions between environments, objects, and people, and to gain more precise, comprehensive, and completely new insights. Activity trackers for the collection and analysis of health data, smart home systems for the monitoring and energy-efficient control of light, temperature, and household appliances, or the collection and analysis of production data in industrial manufacturing for the monitoring, prediction, and optimization of production processes are used. An emerging approach in this context for creating virtual data-based representations of real objects is the Digital Twin Concept, examined by the research presented in this thesis. Digital Twins are virtual models that mirror physical objects throughout their lifecycle, and real-time connections between the physical and virtual worlds allow Digital Twins to monitor and control physical objects from any location. Physical objects can be any living or non-living object, such as aircraft, manufacturing equipment, cars, buildings, wind turbines, food, or even people. Companies see great potential in Digital Twins, and more and more organizations are using Digital Twins or plan to do so. In addition to the interest of practitioners, Digital Twins are being intensively studied as research objects. However, the discussion on Digital Twins in the scientific literature shows that there is currently no consolidated understanding of Digital Twins or the Digital Twin Concept. Nevertheless, the interest in Digital Twins has grown strongly in business and research in recent years. Therefore, specific findings and solutions from research are becoming increasingly important to enable organizations to apply Digital Twins in meaningful and efficient ways. This thesis aims to contribute to the understanding and application of Digital Twins by addressing two research areas. In the context of the first research area, a rigorous multi-level literature review was conducted to contribute to the understanding of Digital Twins. Two studies were conducted in the second research area to contribute to the application of Digital Twins. The first research area contains a rigorous multi-level literature review consisting of three studies. First, a preliminary study was conducted to develop a search and selection strategy for scientific literature and, based on this, a review sample. In the second study, a review of reviews was conducted based on the identified literature reviews from the review sample. As a result, it could be shown that the number of literature reviews has increased significantly since 2018 and that the research is distributed across various outlets and disciplines, with a clear focus on the manufacturing domain. Furthermore, a content analysis was conducted that revealed four research areas containing different aspects of the research on Digital Twins, which are examined more closely. Since the literature reviews did not cover a large part of the publications in the review sample, a third study was conducted. In the third study of this research area, a scoping review, an analysis of the Digital Twin research community, and a citation analysis were conducted to analyze the primary studies of the review sample. The literature analysis showed that the research could be well structured according to seven different research topics, which are examined and characterized in detail. Two studies were conducted on applying Digital Twins in the second research area. In the first study, an analysis of Digital Twin application cases was conducted to provide a comprehensive and structured overview. Based on a set of application cases retrieved from previous scientific literature, the study identified six dimensions with a total of 24 characteristics to classify Digital Twin application cases. Furthermore, a comprehensive overview of selected Digital Twin application cases is presented. In the second study, an IT system based on the Digital Twin Concept was implemented to gain detailed insights into the design and implementation of Digital Twin systems in an enterprise setting. Therefore a Digital Twin introductory project of an industry partner was accompanied over two years according to scientific principles. Within this project, an IT system based on the Digital Twin Concept was implemented, and its validity and utility were demonstrated and evaluated. Five application cases were realized and applied to production settings for the demonstration and evaluation. The study presents a detailed description of the artifact's conceptual architecture and technical implementation. In summary, this thesis provides valuable insights into two specific research areas in the field of Digital Twins. It provides a comprehensive picture of the research landscape and presents detailed insights into the application of Digital Twins. Therefore this thesis provides a solid basis for further research on the possibilities and challenges of converging real and virtual worlds. Seit Tausenden von Jahren stellen Menschen die reale Welt in Form von geografischen Karten oder Porträts von Menschen, Landschaften und Maschinen dar, um entweder komplexe Umgebungen einfach und verständlich zu präsentieren oder detaillierte Aspekte der Realität abzubilden. Durch die zunehmende Digitalisierung und Vernetzung in der heutigen Zeit ist es möglich, immer mehr Daten zu sammeln, die die reale Welt beschreiben, einschließlich der Interaktionen zwischen Umwelt, Objekten und Menschen, und genauere, umfassendere und völlig neue Erkenntnisse zu gewinnen. Es werden Aktivitäts-Tracker für die Erfassung und Analyse von Gesundheitsdaten, Smart-Home-Systeme für die Überwachung und energieeffiziente Steuerung von Licht, Temperatur und Haushaltsgeräten, oder die Erfassung und Analyse von Produktionsdaten in der industriellen Fertigung für die Überwachung, Vorhersage und Optimierung von Produktionsprozessen eingesetzt. Ein in diesem Zusammenhang aufkommender Ansatz zur Erstellung virtueller, datenbasierter Repräsentationen realer Objekte ist das Konzept Digitaler Zwillinge, welches in der vorliegenden Arbeit untersucht wird. Digitale Zwillinge sind virtuelle Modelle, die physische Objekte während ihres gesamten Lebenszyklus widerspiegeln, und Echtzeitverbindungen zwischen der physischen und der virtuellen Welt ermöglichen es Digitalen Zwillingen, physische Objekte von jedem beliebigen Ort aus zu überwachen und zu steuern. Bei den physischen Objekten kann es sich um jedes lebendige oder nicht lebendige Objekt handeln, zum Beispiel Flugzeuge, Produktionsanlagen, Autos, Gebäude, Windkraftanlagen, Lebensmittel oder sogar Menschen. Unternehmen sehen in Digitalen Zwillingen großes Potenzial, und immer mehr Organisationen setzen Digitale Zwillinge ein oder planen, dies zu tun. Neben dem Interesse der Praktiker werden Digitale Zwillinge auch intensiv als Forschungsobjekte untersucht. Die Diskussion über Digitale Zwillinge in der wissenschaftlichen Literatur zeigt jedoch, dass derzeit kein konsolidiertes Verständnis von Digitalen Zwillingen oder dem Konzept von Digitalen Zwillingen existiert. Dennoch hat das Interesse an Digitalen Zwillingen in Wirtschaft und Forschung in den letzten Jahren stark zugenommen. Konkrete Erkenntnisse und Lösungen aus der Forschung werden daher immer wichtiger, um Organisationen in die Lage zu versetzen, Digitale Zwillinge sinnvoll und effizient einzusetzen. Diese Arbeit soll zum Verständnis und zur Anwendung von Digitalen Zwillingen beitragen, indem sie sich mit zwei Forschungsbereichen befasst. Im Rahmen des ersten Forschungsbereichs wurde eine rigorose mehrstufige Literaturanalyse durchgeführt, um zum Verständnis von Digitalen Zwillingen beizutragen. Im zweiten Forschungsbereich wurden zwei Studien durchgeführt, um einen Beitrag zur Anwendung von Digitalen Zwillingen zu leisten. Der erste Forschungsbereich besteht aus einer rigorosen, mehrstufigen Literaturanalyse, die in drei Studien durchgeführt wurde. Zunächst wurde eine Vorstudie durchgeführt, um eine Such- und Auswahlstrategie für wissenschaftliche Literatur zu entwickeln und darauf basierend ein Review Sample zu erstellen. In der zweiten Studie wurde auf der Grundlage der identifizierten Literature Reviews aus dem Review Sample ein Review of Reviews durchgeführt. Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass die Anzahl der Literature Reviews seit 2018 deutlich zugenommen hat und dass die Forschung über verschiedene Publikationen und Disziplinen verteilt ist, wobei ein klarer Schwerpunkt auf dem Fertigungsbereich liegt. Darüber hinaus wurde eine Inhaltsanalyse durchgeführt, die vier Forschungsbereiche mit unterschiedlichen Aspekten der Forschung zu Digitalen Zwillingen aufzeigte welche genauer untersucht werden. Da die Literature Reviews einen großen Teil der Veröffentlichungen des Review Samples nicht abdecken, wurde eine dritte Studie durchgeführt. In der dritten Studie zu diesem Forschungsbereich wurden ein Scoping Review, eine Analyse der Forschungsgemeinschaft zu Digitalen Zwillingen und eine Zitationsanalyse durchgeführt, um die Primärstudien der Stichprobe zu analysieren. Die Literaturanalyse ergab, dass sich die Forschung gut in sieben verschiedene Forschungsthemen strukturieren lässt, die im Detail untersucht und charakterisiert werden. Im zweiten Forschungsbereich wurden zwei Studien zur Anwendung von Digitalen Zwillingen durchgeführt. In der ersten Studie wurde eine Analyse von Anwendungsfällen von Digitalen Zwillingen durchgeführt, um einen umfassenden und strukturierten Überblick zu erhalten. Basierend auf einer Reihe von Anwendungsfällen, die aus der wissenschaftlichen Literatur entnommen wurden, wurden in der Studie sechs Dimensionen mit insgesamt 24 Merkmalen zur Klassifizierung von Anwendungsfällen von Digitalen Zwillingen identifiziert. Darüber hinaus wird ein umfassender Überblick über ausgewählte Anwendungsfälle für Digitale Zwillinge gegeben. In der zweiten Studie wurde ein IT-System auf der Grundlage des Konzepts Digitaler Zwillinge implementiert, um detaillierte Einblicke in das Design und die Implementierung von Systemen auf Basis des Konzepts Digitaler Zwillinge in einem Unternehmensumfeld zu gewinnen. Dazu wurde ein Einführungsprojekt zur Realisierung von Digitalen Zwillingen eines Industriepartners über zwei Jahre nach wissenschaftlichen Grundsätzen begleitet. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein auf dem Konzept Digitaler Zwillinge basierendes IT-System implementiert und dessen Validität und Nutzen nachgewiesen und evaluiert. Für die Demonstration und Evaluierung wurden fünf Anwendungsfälle realisiert und in der Produktion eingesetzt. Die Studie enthält eine detaillierte Beschreibung der konzeptionellen Architektur und der technischen Implementierung des Artefakts. Zusammenfassend bietet diese Arbeit wertvolle Einblicke in zwei spezifische Forschungsbereiche auf dem Gebiet Digitaler Zwillinge. Sie liefert ein umfassendes Bild der Forschungslandschaft und gibt detaillierte Einblicke in die Anwendung von Digitalen Zwillingen. Damit kann diese Arbeit als eine solide Grundlage für weitere Forschung zu den Möglichkeiten und Herausforderungen durch die Konvergenz von realen und virtuellen Welten betrachtet werden.

Invasion biology is a relatively young sub-discipline of biology. Despite the fact that the idea was established in Charles Darwin’s book ‘On the origin of species’, the field was only founded a hundred years later with Charles Elton. Since the middle of the 1990s, the field has substantially grown in size. Accordingly, the number of hypotheses and concepts about biological invasions has substantially increased, and some of them are similar to each other, others are not supported by empirical evidence. The aim of this work was to develop and apply methods to create networks of hypotheses and concepts that visualize the field of invasion biology. The thesis contains four different methods and their resulting networks. Due to the nature of the topic, this work is interdisciplinary. The topics range from biology and its way to find categories (chapter 2), over social science (chapters 3 & 5) to bibliometrics (chapter 4). Also, this work had to overcome challenges in visualizing the emerging networks (see chapter 6.1). The method presented and applied in chapter 2 is a straightforward possibility to structure hypotheses based on their traits and characteristics. This method resulted in a hypothesis network with several clusters of hypotheses. For chapter 3, a survey approach was applied to create hypothesis networks. The participants of the survey were experts in the field of invasion biology. Surprisingly, the results showed that experts in invasion biology seem to have no consistent idea of their research field and therefore no clear, consistent inner map of invasion biology. With additional analyses, however, we were able to create networks of the best-known hypotheses and concepts in invasion biology seen by the participating experts. In chapter 4, we looked at co-citations of the key papers related to the major invasion hypotheses. This approach led to two clear maps of the field (one for each of the two applied analysis methods). Finally, in chapter 5, we created a hypothesis network based on a workshop we held in Berlin. This network emerged from a Delphi-based consensus approach that we developed. We also applied an advanced cluster-finding algorithm here that clusters links between nodes in the network instead of clustering nodes which is done by traditional cluster-finding algorithms. The advanced algorithm thus allows nodes to be in more than one cluster. This network based on the consensus approach and analyzed with the link-clustering algorithm has a better resolution and provides more information than the other networks presented in this thesis. I conclude this thesis with a discussion of the benefits and drawbacks of each network and its underlying approach. It seems that the best approaches to create a useful hypothesis network of a research field are those presented in chapters 4 and 5, i.e. the co-citation and consensus approaches. A co- 6 citation based network reveals how a research field such as invasion biology is seen by scientists who work in the field and how they cite publications. But there are no strict rules for citation and therefore this approach is based on trust in scientifically correct citations. The risk of a strong bias is reduced in case of the consensus approach, as the resulting network is based on the combined perspective of a sizeable number of experts. This seems to be the best way to structure existing hypotheses of invasion biology right now. A future important step is to apply this and possibly other approaches in other research fields., Die Invasionsbiologie ist eine relativ junge Unterdisziplin der Biologie. Trotz der Tatsache, dass die Idee in Charles Darwins Buch "On the origin of species" begründet war, wurde das Feld erst einhundert Jahre später mit Charles Elton begründet. Seit Mitte der 1990er Jahre ist das Feld erheblich gewachsen. Dementsprechend hat die Anzahl der Hypothesen und Konzepte zu biologischen Invasionen erheblich zugenommen, und einige von ihnen ähneln sich, andere werden nicht durch empirische Evidenz gestützt. Ziel dieser Arbeit war es, Methoden zu entwickeln und anzuwenden, um Netzwerke von Hypothesen und Konzepten zu erstellen, die das Gebiet der Invasionsbiologie visualisieren. Die Arbeit enthält vier verschiedene Methoden und die daraus resultierenden Netzwerke. Aufgrund der Art des Themas ist diese Arbeit interdisziplinär. Die Themen reichen von der Biologie und ihrem Weg zur Kategorisierung (Kapitel 2) über die Sozialwissenschaften (Kapitel 3 und 5) bis hin zur Bibliometrie (Kapitel 4). Diese Arbeit musste auch die Herausforderungen bei der Visualisierung der entstehenden Netzwerke bewältigen (siehe Kapitel 6.1). Die in Kapitel 2 vorgestellte und angewandte Methode ist eine nahe liegende Möglichkeit, Hypothesen anhand ihrer Merkmale und Eigenschaften zu strukturieren. Diese Methode führte zu einem Hypothesennetzwerk mit mehreren Hypothesenclustern. Für das 3. Kapitel wurde ein Erhebungsansatz angewendet, um Hypothesennetzwerke zu erstellen. Die Teilnehmer der Umfrage waren Experten auf dem Gebiet der Invasionsbiologie. Überraschenderweise zeigten die Ergebnisse, dass Experten der Invasionsbiologie offenbar keine einheitliche Vorstellung von ihrem Forschungsgebiet und daher keine klare, einheitliche innere Karte der Invasionsbiologie haben. Mit zusätzlichen Analysen konnten wir jedoch Netzwerke der 7 bekanntesten Hypothesen und Konzepte in der Invasionsbiologie erstellen, wie sie von den teilnehmenden Experten gesehen wurden. In Kapitel 4 haben wir uns die Ko-Zitationen der wichtigsten Veröffentlichungen im Zusammenhang mit den Hypothesen der Invasionsbiologie angesehen. Dieser Ansatz führte zu zwei übersichtlichen Karten des Feldes (eine für jede der beiden angewandten Analysemethoden). Schließlich haben wir in Kapitel 5 ein Hypothesennetzwerk erstellt, das auf einem Workshop basiert, den wir in Berlin organisiert hatten. Dieses Netzwerk ist aus einem von uns entwickelten Delphi-basierten Konsensus-Ansatz hervorgegangen. Wir haben hier auch einen fortschrittlichen Cluster-Finding-Algorithmus angewendet, der Verbindungen zwischen Knoten im Netzwerk gruppiert, anstatt Knoten zu gruppieren, was durch herkömmliche Cluster-Finding-Algorithmen erfolgt. Der erweiterte Algorithmus ermöglicht es somit, dass sich Knoten in mehr als einem Cluster befinden. Dieses auf dem Konsensansatz basierende und mit dem Link-Clustering-Algorithmus analysierte Netzwerk hat eine bessere Auflösung und liefert mehr Informationen als die anderen in dieser Arbeit vorgestellten Netzwerke. Ich schließe diese Arbeit mit einer Diskussion der Vor- und Nachteile jedes Netzwerks sowie der jeweils zugrunde liegenden Methode. Es scheint, dass die besten Ansätze zur Schaffung eines nützlichen Hypothesennetzwerks auf einem Wissenschaftsgebiet die in den Kapiteln 4 und 5 vorgestellten sind. Ein Ko-Zitation-basiertes Netzwerk (Kapitel 4) zeigt, wie ein Forschungsgebiet wie die Invasionsbiologie von Wissenschaftlern, die auf diesem Gebiet arbeiten, gesehen wird und wie sie Veröffentlichungen zitieren. Da es jedoch keine strengen Zitierregeln gibt, basiert diese Arbeit auf dem Vertrauen in wissenschaftlich korrekte Zitationen. Das Risiko einer starken Verzerrung wird im Falle des Konsensansatzes (Kapitel 5) verringert, da das resultierende Netzwerk auf der kombinierten Perspektive einer beträchtlichen Anzahl von Experten basiert. Dies scheint der derzeit beste Weg zu sein, um die Hypothesen der Invasionsbiologie zu strukturieren. Ein nächster wichtiger Schritt ist nun die Anwendung dieses und möglicherweise anderer Ansätze in anderen Forschungsbereichen.