Kookboek Digital Twin

    Het concept digital twin

    De digital twin definiëren geeft helderheid en zorgt voor meer verbinding en draagvlak tussen verschillende mensen en organisaties (bloedgroepen) te creëren. We denken dat ook een eenduidige concept of conceptueel model daarbij helpt. We kunnen elkaar daardoor beter begrijpen en makkelijker met elkaar communiceren. Net als definities zijn ook diverse conceptuele kaders van digital twins beschikbaar. We leggen enkele voor en maken de balans op. 

     

    Concepten van digital twins

    Hieronder tref je enkele voorbeelden aan van concepten van digital twins. Het zijn als het ware ‘praatplaten’ die in één oogopslag het concept inzichtelijk maken. Soms aan de hand van de bouwstenen en hun relaties en soms vanuit een bepaald blikveld. Die zienswijze is natuurlijk de zienswijze van een groep mensen, ook wel de community genoemd, die een samen bepaald hoe er naar het digital twin wordt gekeken. Hieronder zijn enkele conceptuele modellen opgenomen van respectievelijk het Centre for Digital Built Britain, de Australische ANZLIC, het Nederlandse TNO en ingenieursburo RoyalhaskoningDHV.

     

    Centre for Digital Build Britain (CDBB)
    Het conceptueel model van het Centre van Digital Built Britain geeft een driehoek weer wiens fundament wordt gevormd door data inwinning technieken en tools en datamanagement activiteiten zoals data opschoning, data structuren, en data opslag (zie figuur 1). De laag erboven is gericht op de data verwerking voor het verkrijgen van inzichten door rekenmodellen, big data analyse en data analytics. In de punt van de driehoek worden beslissingen genomen met behulp van beslissingsondersteunende tools, optimalisatie algoritmen en machine learning.

    Afbeelding CDBB Concept DT

    Figuur 1 - Het conceptueel model van het Centre van Digital Built Britain

     

    Australian and New Zealand Land Information Council (ANZLIC) 
    Het conceptueel model van het Australische en Nieuw Zeelandse ANZLIC representeert een huis met aan de basis diverse databronnen met daarboven op een laag met standaarden-protocollen-en technologie ter ontsluiting van de databronnen (zie figuur 2). Op de daarboven gelegen laag vindt de analyse-modellering-simulatie plaats die nodig is om betere inzichten te verkrijgen, betere beslissingen te nemen en betere uitkomsten te krijgen.

    Afbeelding ANZIL Concept DT

    Figuur 2 - Het conceptueel model van het het Australische en Nieuw Zeelandse ANZLIC

     

    Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek (TNO)
    Het ‘predictive twin’ model van het Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek (TNO) onderschrijft de relatie en connectiviteit tussen componenten, bouwwerken en netwerken in de gebouwde leefomgeving. Informatie – zowel statische als ook meetdata - worden op alle drie niveaus verzameld, verwerkt en/of doorgeven aan rekenmodellen (fysische modellen) en leren (machine learning modellen) om uiteindelijk voorspellingen en scenario’s te ontwikkelen voor diezelfde onderdelen (componenten, bouwwerken en netwerken) in de gebouwde leefomgeving.



    Afbeelding TNO Concept DTFiguur 3 - Het conceptueel model van TNO

    Ingenieursburo RoyalhaskoningDHV
    Het conceptueel model van RoyalhaskoningDHV is meer een procesmodel (zie figuur 4). De digital twin wordt gepresenteerd als een proces waarin data over de fysische wereld wordt vastgelegd en beschreven in een digital twin, waarna het voorspellen en voorschrijven (ontwerpen) van een toekomstige fysieke wereld plaatsvindt. En tot slot interventies en besluitvorming met de digital twin plaats heeft, die mogelijk weer leiden tot veranderingen in de fysieke wereld.

    Afbeelding RoyalhaskoningDHV Concept DT

    Figuur 4 - Het conceptueel model van Ingenieursburo RoyalhaskoningDHV

     

    Het concept digital twin als procesmodel

    Het visualiseren van het digital twin concept levert ook een belangrijke bijdrage aan de ingrediënten voor het kookboek. Wij hebben het digital twin concept op de volgende wijze conceptueel weergegeven (zie figuur 5). 

    Afbeelding Cookbook Concept DT

    Figuur 5 - Het conceptueel (proces)model digital twins

    Het model geeft de continue interactie weer tussen de werkelijke fysieke leefomgeving en de digital twin. Dat is waar ons inziens de digital twin in essentie om draait. We leggen de objecten, artefacten en processen uit de werkelijke fysieke leefomgeving vast in de vorm van data, modellen en visualisaties. Daarmee komen we tot een beschrijving van de fysieke leefomgeving in een actuele twin. Dat leidt tot een evaluatie van de actuele situatie en de mogelijkheid om met dezelfde (en andere) modellen en algoritmen (o.a. AI) te gaan voorspellen en simuleren. Met het simuleren en voorspellen worden ook de scenario’s van de toekomstige twin gemaakt. Daarna gaan detailontwerpen en engineering verder de toekomstige twin vormgeven.

    Dat is natuurlijk nodig om uiteindelijk de effecten van ingrepen en interventies in de werkelijke fysieke leefomgeving te tonen aan alle stakeholders, zodat de besluitvorming die nodig is voor het in gang zetten van de verandering(en) optimaal kan verlopen. Tenslotte, gaat die besluitvorming al dan niet leiden tot uitvoering in de werkelijke fysieke leefomgeving. De uitvoering van interventies leidt weer tot aanpassingen in de data, modellen en visualisaties van de actuele digital twin. En daarmee is de cirkel min of meer rond en begint het proces opnieuw.

    Wij denken dat we daarmee ook het gesprek over wat een DT is en hoe we ermee om willen gaan in praktijk beter kunnen voeren. En natuurlijk beter invulling kunnen geven aan dit kookboek en zijn recepturen over de concrete en complexe praktijksituaties.

    Wij hebben het digital twin concept ook visueel willen maken om de nadrukkelijke interactie tussen fysieke leefomgeving en digitale te verbeelden. De stroom van data over de fysieke leefomgeving en het dagelijks gedrag van mensen en dingen maken samen de digitale wereld. In de digitale wereld doen we de simulaties en voorspellingen en nemen we op basis daarvan beslissingen die weer leiden tot ingrepen in de fysieke leefomgeving. Dit zijn onze ‘interventies’ dit ook dit kunnen we verbeelden op visuele manier in onderstaande figuur 6.

    Afbeelding Cookbook Concept DT - simpel

    Figuur 6 - Het vereenvoudigd conceptueel (proces)model digital twins

     

    Het concept digital twin als lagenmodel

    Naast een procesmatige kijk op het concept van de digital twin zien we ook dat de digital twin conceptueel wordt weergegeven als lagenmodel met daarin de bouwstenen van de digital twin. Als belangrijke bouwstenen van de digital twins worden data, modellen en visualisatie(tools) gezien. Dit zien we in diverse modellen terug. Bij data gaat het dan om uiteenlopende databronnen, van sec geografische data (gebouwen, topografie, luchtfoto, etc) tot mobiliteitsdata, energiedata en milieudata. Vaak wordt ook onderscheid gemaakt tussen statische en dynamische data op basis mate van actualiteit en veranderlijkheid van de data. Zo wordt data afkomstig van sensoren als dynamische data gezien omdat sensoren continue waarnemen en data genereren. Onder de component ‘modellen’ vallen alle rekenmodellen, die nodig zijn om de grote hoeveelheden data te verwerken tot interpreteerbare informatie. Daarnaast zijn rekenmodellen representanten van de kennis, die we hebben van de complexe – fysieke, natuurlijke en sociale - processen in de werkelijkheid. De rekenmodellen bestaan veelal uit wiskundige formules en/of logische rekenregels. De modellen worden gevoed met data uit de fysieke, natuurlijke en sociale werkelijkheid en worden gekalibreerd en getraind voor toepassing van monitoring, simulaties en het doen van voorspellingen. Om de grote hoeveelheden data en resultaten van complexe rekenmodellen toepasbaar te maken zijn visualisaties nodig. Visualisaties en visualisatietools zoals 3D GIS, animaties, dashboards, XR tools (augmented, virtual en mixed realities) en gaming tools zijn een onmisbare componenten om de monitorings-, plannings- en besluitvormingsprocessen te ondersteunen met heldere en eenvoudig interpreteerbare computer graphics en visuals.

    Natuurlijk moet dit plaatsvinden in participatieve en collaboratieve setting; de stakeholders worden uitgenodigd om mee te doen om verschillende vraagstukken (zgn. use cases) met elkaar te bespreken en gezamenlijk ruimtelijke vraagstukken op te lossen (evt. ook met ondersteuning door bepaalde beslissingstools) en tot afspraken over interventies te komen (zie figuur 7).

    Afbeelding Cookbook Concept DT - lagen

    Figuur 7 - Het conceptueel lagenmodel digital twins

    Tot slot, zijn de bouwstenen geïntegreerd en natuurlijk op een technische infrastructuur op het internet (bij voorkeur) neergezet, zodat de digitale tools in handen van de gebruikers kunnen worden ingezet door alle stakeholders.