Zo helpen digital twins bij betere besluitvorming in de bouw

Een grote bouwopgave: aanleg en beheer van ondergrondse infrastructuur wordt steeds complexer. Digital twins geven inzicht.

De bouw staat voor een grote opgave; aanleg en beheer van ondergrondse infrastructuur zoals kabels en leidingen wordt steeds complexer. Waar nu nog verschillende experts en systemen nodig zijn, kan data-integratie in digital twin-oplossingen helpen bij het vergroten van inzichten en daarmee het efficiënter uitvoeren van werkzaamheden. Dat scheelt tijd en geld en zorgt bovendien voor minder overlast.

Het is druk in de bodem. Er ligt ongeveer 2 miljoen kilometer aan kabels en leidingen, waarvan 20.000 kilometer met risicovolle inhoud. Van alle losse netwerken zijn ooit tekeningen en modellen gemaakt, maar een actueel overzicht van de complete ondergrondse infrastructuur is er vaak niet. Voorheen was dat probleem veel kleiner en niet zo urgent, maar daar komt nu verandering in. “De grote maatschappelijke uitdagingen van dit moment, zoals de energietransitie en klimaatverandering, vragen om een beter overzicht en meer afstemming tussen verschillende organisaties uit de bouw- en infrastructuurketen”, zegt Léon olde Scholtenhuis, universitair hoofddocent aan de Universiteit Twente. Hij onderzoekt digitale innovatie voor veiliger en gecoördineerd beheer van nutsvoorzieningen.

Veranderingen zorgen voor complexiteit die niet meer binnen de bestaande kaders van beheerders kan worden opgelost. Olde Scholtenhuis schetst een voorbeeld: “Door extreme regenbuien fluctueert het grondwaterpeil in delen van Nederland meer dan voorheen. Door hoger grondwaterpeil groeien boomwortels meer horizontaal in plaats van diep. De wortels verspreiden zich meer in de ondiepe bodem. Hierdoor komen zij vaker in contact met kabels en leidingen. Bij hevigere stormen kan een boom omvallen en daarmee de kabels uit de grond trekken. Modellen die samenhang tussen dergelijke fysische systemen bevatten, kunnen helpen om problemen in de toekomst vroegtijdig in kaart te brengen.”

Digital twins

In het genoemde voorbeeld is een rol weggelegd voor onderzoekers, maar ook voor de gemeente en bedrijven die beheer- en onderhoudswerkzaamheden uitvoeren aan publieke infrastructuur en openbare ruimte. Een digital twin kan deze betrokken professionals ondersteunen. Een digital twin bestaat uit een virtueel model van de infrastructuur en ondergrond die op een interactieve manier wordt gevoed met sensordata uit fysieke wereld. Deze data komen uit verschillende bronnen en perspectieven. “Datakoppeling tussen een actueel virtueel en fysiek systeem helpt bij maken van besluiten over interventies, het verkennen van scenario’s en het voorspellen van toekomstig gedrag van een systeem”, zegt Ranjith Kuttantharappel Soman, assistent professor digital construction bij de Technische Universiteit Delft.

Hij legt uit: “Een voorspellend AI-model is vaak getraind met oude data. Bijvoorbeeld over regenval in een bepaald gebied. In het kader van grote veranderingen zoals klimaatverandering is oude data niet meer zo representatief voor wat we in de toekomst kunnen verwachten. We hebben dergelijke situaties immers nog nooit meegemaakt. Een digital twin gebruikt in deze gevallen niet alleen actuele data en AI, maar ook kennisregels die extreme simulaties kunnen modelleren. Door de combinatie tussen AI en expertmodellen kunnen zelfs de gevolgen van extreme weersituaties in kaart worden gebracht.”

Professionals kunnen via digital twin-simulaties verschillende scenario’s vergelijken, voordat ze een beslissing nemen. Zo kunnen bepaalde gedragingen van boomwortels en de actuele locatie van kabels en leidingen geanalyseerd worden voordat de schop de grond in gaat. Dat scheelt tijd, geld en overlast. Digital twins kunnen ook handig zijn voor onderhoud van bijvoorbeeld warmtenetten. Hier kunnen sensoren helpen om digitale berekeningen te maken die de onderhoudsbehoefte voorspellen en helpen deze in te plannen. Dat maakt een digital twin een handige tool voor bijvoorbeeld gemeenten, grote (onderhouds)bedrijven en onderzoeksinstellingen.

Internationale workshop

Olde Scholtenhuis en Soman leiden samen een workshopserie over het concept van de digital twin voor de ondergrondse infrastructuur. Hiervoor combineren zij de kennis vanuit verschillende universiteiten. TU Delft richt zich al jaren op de ontwikkeling van digital twins. Binnen Universiteit Twente is veel expertise als het gaat om de data van ondergrondse infrastructuur en de toekomstige beheer uitdagingen die hierbij komen kijken.

“We zien dat digital twins een grote impact kunnen maken in de bouw. Maar het is voor professionals in de bouw nog niet altijd duidelijk wat het precies is en hoe ze deze systemen zo optimaal mogelijk in kunnen zetten”, stelt Soman. De workshops die Soman en Olde Scholtenhuis organiseren moeten helpen bij het scheppen van duidelijkheid. Het onderzoeksproject is een internationale samenwerking tussen de Nederlandse Technische Universiteiten in Twente en Delft en het National Institute of Technology Warangal in India. De eerste workshop vond plaats op 26 november in Enschede. De tweede van 16 t/m 20 december in Warangal. Als onderdeel hiervan, was er tussen oktober en december een uitwisseling van PhD-studenten. Het project wordt mede gefinancierd door de Indiase overheid die op gebied van technologie een internationale samenwerking opzoekt met partijen zoals 4TU.Built Environment.

De workshops worden volgend jaar voortgezet. Dan gaan de Indiase deelnemers meer in op specifieke toepassingen voor de ondergrond. Soman: “Deelnemers kregen in 2024 achtergrondinformatie en we schetsten het concept en de kaders van een digital twin.”

Samenwerking stimuleren

“Zo testen we voor verschillende wereldwijde situaties de bruikbaarheid van een interactief systeem”, stelt Olde Scholtenhuis. Soman: “De situatie van de ondergrondse infrastructuur in Nederland en India zijn niet één op één met elkaar te vergelijken, maar we kunnen toch veel van elkaar leren. Bijvoorbeeld als het gaat over het ontwerpen van netwerken of de regels rond het eigenaarschap van de data.”

Interactief en actueel

“De meerwaarde van een digital twin zit in het combineren van tijdige en actuele data en dit omzetten tot informatie”, gaat hij verder. “Dit gebeurt door het beschrijven van de huidige status van een stuk infrastructuur, het voorspellen van het gedrag hiervan en het uitvoeren van scenario-analyses.” De onderzoekers hebben bijvoorbeeld ontdekt dat de samenstelling van de infrastructuur in de bodem steeds belangrijker wordt voor de overheid en aannemers. “Dat is belangrijke informatie als het om het onderhoud van het netwerk gaat”, aldus Soman.

Olde Scholtenhuis en Soman zien een grote rol voor digital twins in de toekomst. “Er zijn al verschillende toepassingen zichtbaar, in de bouw en in andere sectoren. Al is er ook nog veel onderzoek nodig om de technologie verder te ontwikkelen. Internationale samenwerkingen zijn daarbij essentieel, we kunnen dit soort technologie niet alleen ontwikkelen”, besluit Olde Scholtenhuis.