Digital Twins: theorie en praktijk
door 3e jaars studenten Geo Media & Design
Technologische ontwikkelingen gaan razendsnel, en daarnaast worden er steeds meer mogelijkheden ontdekt om technologieën toe te passen. Eén daarvan is de digital twin, een digitale tegenhanger van een object of zelfs een stad in de echte wereld. Dat biedt heel veel mogelijkheden voor de bouw, stadsplanning en uiteindelijk zelfs voor de consument. Lees hier over virtual reality en augmented reality, en hoe ze nu en in de toekomst toegepast zullen worden.
afbeelding: Steve Johnson / Unsplash
afbeelding: Syed Hussaini / Unsplash
Van gebouwen naar hele steden
Een digital twin is een virtuele representatie van de echte wereld en omvatten fysieke objecten, processen, relatie en gedrag. Voor de bouw brengt dit bijvoorbeeld grote voordelen met zich mee. Door gegevens uit verschillende bronnen te verzamelen en die informatie te integreren in een 3D-model, kunnen bouwteams gemakkelijk inzicht krijgen in elk onderdeel van een gebouw.
Digital Twin
Digital Twin wordt onder andere toegepast in de stedenbouw of stadsontwikkeling. Een 3D-model van de stad vormt hierin de basis. Bovenop het model geven thematische data in de Digital Twin context voor het ontwerp, vaak tegen de achtergrond van uitgangspunten en doelstellingen.
Een Digital Twin maakt met behulp van geografische inzichten hoe dingen met elkaar samenhangen, elkaar onderling beïnvloeden en welke patronen en relaties er zijn. Met de geografische benadering kunnen er Digital Twins gemaakt worden van fysieke leeromgeving en daarin verschillende opgaven gemodelleerd worden.
Digital Twins kunnen op verschillende manieren toegepast worden:
- Vastleggen, om te zien hoe het nu is, maar ook om mee te reizen door de tijd en het model gebruiken om de toekomst of het verleden te zien.
- Monitoring, om een beeld te geven van een actuele situatie met realtime gegevens.
- Voorspelling, om ontwerpen te kunnen zien in context en te experimenteren met oorzaak en gevolg.
3D-stadsmodellen
Een 3D-model van een stad, land of dorp kan erg bruikbaar zijn voor een provincie of gemeente. Er kunnen berekeningen op uitgevoerd worden met betrekking tot bouwprocessen en andere invoegtoepassingen. Het kan gebruikt worden ten behoeve van burgerparticipatie, omgevingswet, communicatie, planning en beleidsvoering. Er zijn meerdere manieren om een 3D-stadsmodel te genereren. Je kan onder andere informatie inwinnen met Streetmapper-IV
Aan de hand van ingewonnen data kunnen diverse producten gemaakt worden, denk hierbij aan:
- Pointcloud, een verzameling punten in twee of meer dimensies die worden gevonden en gemaakt met meerdere scans en vaak worden gebruikt om hoogtemodellen of een stedelijk model te genereren.
- LOD-gebouwen, oftewel Level of Detail, is een belangrijk basisprincipe aangezien het detailniveau van een 3D-model een grote rol speelt bij het aflezen van bruikbare en betrouwbare data.
- Mesh, puntenwolken zijn niet altijd bruikbaar en worden daarom soms omgezet naar mesh-bestanden. In een mesh worden de punten van de puntenwolk met een lijn verbonden zodat er een getrianguleerd vlakkenmodel ontstaat. Na rendering van dit vlakkenmodel onstaat er een gesloten mesh die veel toepassingen kent.
- Grid van het maaiveld, het maaiveld wordt gebruikt als nulpunt in een 3D-model en vormt daarmee de basis ban de ondergrond.
Praktijkvoorbeelden:
Den Haag en nieuw Deltaplan
Alles draait tegenwoordig om digitalisering. Data komt overal aan te pas, bij het programmeren, bij het betalen voor je boodschappen, noem het maar op. Het digitaliseren van veel processen is lastig voor veel bedrijven en organisaties, maar het geeft ook mogelijkheden om te automatiseren. Dit is een ideale omgeving voor het gebruiken van digital twins, waarvan hieronder enkele voorbeelden zijn omschreven.
Wat als er een watersnoodramp bij Den Haag zou zijn?
Het handige van technologie is dat je daadwerkelijk rampen in beeld en in kaart kan brengen, hiervoor gebruiken ze het programma Driver+. Dit programma heeft als doel om innovatie te stimuleren in het crisismanagement tijdens grootschalige rampen, zoals een overstroming, een bosbrand of een aardbeving.
Driver+ heeft vier crisisoefeningen verspreid over Europa voor innovatieve oplossingen. Een van deze plekken was Den Haag, hiervoor gingen ze kijken wat er zou gebeuren als er een dijkdoorbraak aan de rand van Nederland. Voor deze crisisoefening werd een directe koppeling gelegd tussen het interactieve hydrologisch model 3Di en het simulatieplatform SIM•SAVE.
3Di is ingezet om een goed beeld te krijgen van het verloop van de overstroming en om de beste plekken te selecteren voor het inzetten van mobiele maatregelen, denk hierbij aan het neerzetten van een mobiele kering, neerleggen van zandzakken of het plaatsen van mobiele pompen.
De overstromingsscenario’s werden gebruikt in het platform van SIM•CI om direct de gevolgen van de overstroming te berekenen voor diverse infrastructuren (gebouwen, wegen, elektra, telecommunicatie, openbaar vervoer et cetera). In het platform van SIM•CI wordt zo het complete getroffen gebied in kaart gebracht en direct zichtbaar in een 3Di Digital Twin van het betreffende gebied. Met de snelheid van de berekeningen en de visuele kracht van het platform was de meerwaarde van de koppeling van 3Di en SIM•SAVE voor crisismanagement aangetoond.
Waterrobuuste inrichting
Nederland kijkt steeds meer naar de toenemende kans op overstromingen. Om die reden is er een nieuw deltaplan voor ons land gemaakt: Deltaplan Ruimtelijke Adaptatie voor een kentering in het waterveiligheidsbeleid. De hoofdzakelijke focus ligt niet meer bij de hogere dijken tegen overstromingen en meer capaciteit in het stedelijk (afval- en regen)watersysteem tegen wateroverlast.
De overstromingsrisico’s wordt bestreden door een combinatie van waterkeringen, ruimtelijke ordening en crisisbeheersing. Enerzijds is dit logisch omdat overstromingen en wateroverlast waarschijnlijk vaker gaan voorkomen en de mogelijke schade beperkt kan worden door slimme ruimtelijke maatregelen. Anderzijds is het misschien ook logisch dat we hier nu meer aandacht aan besteden, we zijn nu namelijk beter dan ooit in staat om de effecten van maatregelen vooraf te berekenen en in beeld te brengen. Meer rekenkracht, betere modellering en een duidelijke visualisatie van de mogelijke effecten zorgen ervoor dat we betere ruimtelijke maatregelen tegen overstromingen en wateroverlast gaan nemen.
afbeelding: Conny Schneider / Unsplash
Digitale steden als gamechanger?
Naarmate de technologieën zoals Internet of Things, virtual reality en augmented reality verder ontwikkelen kan de digital twin vaker worden ingezet door stadsplanners. De stadsplanners kunnen dan goed inspelen op de huidige milieu- en energieveranderingen lokaal. Een van de grote voordelen van een digitale replica van de stad is de inzet van computersimulaties om voor te bereiden op verschillende noodscenario’s zoals natuurrampen.
De vooruitgang van augmented reality en virtual reality (AR/VR) en het Internet of Things (IoT) heeft het mogelijk gemaakt om virtuele replica’s van steden, objecten en processen te creëren. Het idee van de digital twins wordt al voor een langere periode in engineering gebruikt. Een goed voorbeeld is van NASA die voor zijn Apollo-programma een virtuele replica liet maken van een ruimtevoertuig.
In verschillende landen wordt er aan de digital twin gebouwd van steden om de overheid en burgers meer inzicht te geven op bijvoorbeeld afwijkende weersituaties en de gevolgen daarvan.
De digital twin is op het moment nog erg duur maar door dalende kosten zullen de virtuele replica’s voor steeds meer steden bereikbaar worden.
Het is erg belangrijk dat de gebruikers van digital twins blijven onderzoeken hoe ze hun gemeenschappen slimmer, efficiënter en veiliger kunnen maken. Het samenwerken tussen meerdere steden of landen kan hierin een grote rol gaan spelen tegen klimaatverandering. In Nederland is GeoNovum bezig om digital twins bereikbaarder te maken in Nederland voor gemeentes en overheid.
Praktijkvoorbeelden uit Amsterdam, Utrecht en Herrenberg
Steeds meer steden ontdekken de mogelijkheden van digital twins en de grote steden hebben inmiddels zelfs al een eigen digitaal stadsmodel ontwikkeld. Inmiddels is het tijd om van de ambities werkelijkheid te maken en van deze trend een volwassen infrastructuur te maken. Dat kan mogelijk worden gemaakt door de digital twins van steden op elkaar aan te sluiten en de modellen te verbinden met nieuwe databronnen.
Bestaande modellen zijn vooralsnog veelal opgebouwd op basis van open data van overheden. Dat betekent dat er gebruik wordt gemaakt van verschillende basis- en kernregistraties zoals de BAG, BGT, AHN, het Nationaal bomenbestand en rioleringsinformatie van RIONED. Door de samenwerking te zoeken met andere databronnen, kunnen gegevens over verkeer of milieu worden gecombineerd. Ook de samenwerking tussen steden, zoals Amsterdam en Utrecht hebben, biedt extra mogelijkheden. Er zijn zelfs plannen voor een nationale digital twin infrastructuur.
Een andere revolutionaire ontwikkeling in de mogelijkheden met digital twins is de combinatie met AR/VR. In de industrie wordt hier al meer mee in de praktijk mee gewerkt, en ook voor steden kan het in virtual reality visualiseren van hun 3D-modellen van grote waarde zijn.
Bijvoorbeeld van de binnenstad van Londen, de Square Mile, is een geavanceerde en interactieve digital twin in virtual reality gebouwd. Het model bevat onder meer alle gebouwen, lantaarnpalen, ramen en stoplichten tot op 2 cm in detail. Deze techniek maakt het mogelijk om inwoners en beleidsmakers actiever te betrekken bij planvorming over de fysieke leefomgeving.
Het Duitse Herrenberg is hier een ander voorbeeld van. Onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart hebben een gedetailleerd model van het stadje ontwikkeld en gevisualiseerd in VR. Bewoners die deelnamen aan een onderzoek naar deze toepassing, oordeelden erg positief over hun ervaringen met de digital twin en de meerwaarde in vergelijking met een beeldscherm. Anderzijds was de techniek voor sommige onervaren gebruikers lastig te bedienen.
Naast als hulpmiddel voor ruimtelijke planning, kunnen digital twins in VR ook worden gebruikt voor recreatieve activiteiten. De mogelijkheden in een virtuele wereld zijn namelijk ook uitermate geschikt ter vermaak. Zo kunnen bezoekers van FlyView in Parijs met een jetpack op hun rug door de stad vliegen. Ook is het mogelijk om bijzondere locaties van over de wereld te bezoeken, zoals de Chinese Muur. Op deze manier kan ook het grote publiek kennis maken met deze techniek.
Over dit artikel
Deze bijdrage voor het GeoLab over de fossielvrije stad is onderdeel van een 6-delige reeks in het kader van stedelijke trends. Het is een product van 3e jaars studenten Geo Media & Design in het kader van het vak ‘stedelijke trends’.
De studenten leveren gezamenlijk input op een thema, waarbij zowel de theorie als praktijkvoorbeelden aan de orde komen. En ook vanuit twee invalshoeken: huidige trends met impact op de toekomst van steden en gamechangers die nu zichtbaar zijn en wat daar de mogelijke impact van is.
De zes thema’s zijn:
- 1: fossielvrije stad (energietransitie)
- 2: gezonde stad (uitnodigend tot bewegen)
- 3: onbekende ondergrond (kabels en leidingen etc)
- 4: vergrijzende stad (toename ouderen)
- 5: bereikbare stad (mobiliteitstransitie)
- 6: digital twins