SHM NEXT: Met predictive twins tijdreizen in de integriteit van infrastructuur

Vier-dimensioneel systeem

Waar zitten onzichtbare haarscheurtjes die straks problematisch worden? Hoe zagen ze er vorige maand uit en belangrijker, hoe zien ze er uit over een jaar? Met de predictive twin-technologie van SHM NEXT kunnen assetmanagers dat eenvoudig zien. Aan de drie dimensies van de digital twin is een extra dimensie toegevoegd: tijd.

Hoe werkt het?

Het systeem van SHM NEXT ’luistert’ met draadloze akoestische sensoren naar afwijkingen in een structuur, zoals haarscheurtjes. Door continu veranderingen in geluid te meten ontstaat een duidelijk beeld waar zich schade aan de structuur bevindt. Met verloop van slechts enkele weken wordt niet alleen de schade, maar ook de ontwikkeling van de schade zichtbaar.

Hiermee wordt het mogelijk een voorspelling te doen voor de toekomst, en om terug te kijken in het verleden. Er is 100% correlatie tussen de verandering in de waargenomen geluidsgolven en de ontwikkeling van schade.

Drie basiselementen

‘‘Het systeem is gebaseerd op drie pilaren,’’ legt een van de bedenkers Dr. Pooria Pahlavan uit. Ten eerste ‘horen’ de draadloze sensoren dus exact waar en hoe ernstig de constructie beschadigd is. Het tweede element is dat het systeem met die informatie de restlevensduur van de structuur voorspelt, door met behulp van A.I. te berekenen hoe snel de schade verergert. Het derde element is de visualisatie. Met een VR-bril op kun je letterlijk vanuit elke positie de zichtbare en onzichtbare schade aan de structuur bekijken, zelfs van binnenuit. Daarnaast kun je via een dashboard terug of vooruit scrollen in de tijd, om te zien hoe de schade zich heeft ontwikkeld en zal ontwikkelen.

Kwantitatief, razendsnel en schaalbaar

Uniek aan het systeem is dat het kwantitatieve data oplevert. Er rollen cijfers uit waar je meteen iets mee kunt. De sensor stuurt de gemeten signalen direct naar het cloud based data management systeem van SHM NEXT. Assetmanagers kunnen de real time gegevens via computer, tablet of smartphone raadplegen en tot op de centimeter zien wat er op welke plek mis is of dreigt te gaan. En via een dashboard schaderapportages genereren in 2D, 3D, and 4D.

Andersom stuurt het dashboard zelf meldingen als een schade kritisch is. Pahlavan: ‘‘Je kunt na plaatsing van het predictive twin system binnen een paar weken al een beeld hebben van de bestaande schade en het toekomstige verloop ervan: scheurtje X geeft geen problemen in de toekomst, maar met scheurtje Y moet iets gebeuren.’’

Ook uniek is de eenvoud waarmee het systeem schaalbaar is. Een draadloze sensorknop beslaat tot 50 m2. ‘‘Is het gebied groter, plaats je er meer. De installatie van een sensor duurt slechts een paar minuten. Klanten hoeven zelf geen apparatuur aan te schaffen. Ze betalen voor gemonitord oppervlak over een bepaalde periode.’’

Grote impact

Monitoring met de voorspellende digital twin heeft grote impact op tal van domeinen. De verouderende infrastructuur in Europa levert een enorme kostenpost aan onderhoud voor asset managers en verkeershinder voor de samenleving als er geen vroegtijdige maatregelen worden genomen. SHM NEXT schat dat voorspellend onderhoud de beschikbaarheid van de infrastructuur met 5-15% kan verhogen, en de onderhoudskosten in diverse sectoren met 18-25% kan reduceren.

Als een schade nog geen risico voor de veiligheid vormt, kan renovatie immers later plaatsvinden. Het wordt mogelijk optimaal te plannen, op budget of tijd, of bijvoorbeeld op andere onderhoudswerkzaamheden in de buurt.

De infrastructuur wordt veiliger, we kunnen de levensverwachting ervan verlengen en er is minder risico op uitval. Naast kostenbesparing levert predictive maintenance ook milieuwinst op. Het uitstellen van voortijdige vervanging en renovatie geeft reductie van CO2-uitstoot en materiaalverspilling. Er is minder verbruik van energie en hulpbronnen.

Bewezen resultaten

De methode is in de afgelopen jaren al gebruikt op verschillende onderdelen van de Nederlandse infrastructuur. Zoals de Van Brienenoordbrug in Rotterdam, de Merwedebrug en andere stalen bruggen, industriële hijskranen, betonfunderingen en voor coatings van bijvoorbeeld Rijkswaterstaat, AkzoNobel, Port of Rotterdam en TATA Steel.

Twin prediction is toepasbaar op elk denkbare constructie van staal, beton, hout of combinaties daarvan. Met predictive digital twins is te voorspellen of en wanneer onderhoud of renovatie nodig is om veilig gebruik te garanderen. Voorspellend onderhoud geeft een efficiënter onderhoudsregime.

Tech Transfer Programma

SHM NEXT bestaat sinds 2018 en is een Spin-off van TNO. De verzelfstandiging kreeg vorm binnen TNO’s Technology Transfer-programma: een programma met als doel innovaties naar de samenleving te brengen. Dat gebeurt door voor een nieuw product een bedrijf op te richten, of een licentieovereenkomst te verstrekken aan een bestaand bedrijf. Het programma bestaat sinds 2017 en wordt volledig door TNO gefinancierd.

TNO faciliteerde de verzelfstandiging van SHM NEXT op verschillende manieren, vertelt Pahlavan. ‘‘Er werden meerdere rondes gehouden waarin de haalbaarheid van een businessplan en de waardepropositie van het bedrijf werden onderzocht.’’ Vervolgens werden de juridische en financiële structuur van het bedrijf opgezet, net als de overeenkomst voor overdracht van de rechten voor intellectueel eigendom (IE-rechten) en toepassingsdomeinen voor de technologie.

Vervolgens hebben TNO's Technology Transfer-programma en Pahlavan, destijds de senior scientist op dit gebied bij TNO, een multidisciplinair team van medeoprichters samengesteld, dat uiteindelijk het bedrijf heeft gevormd en de innovatie succesvol heeft geïmplementeerd.

SHM NEXT werkt nauw samen met verschillende expertisegroepen van TNO.

Ambities

SHM NEXT heeft brede ambities. Er wordt gewerkt aan uitbreiding op verschillende terreinen – niet alleen op gebied van infrastructuur en constructies, maar ook in andere takken van industrie. ‘‘Er is een duidelijke behoefte aan tools voor voorspellend onderhoud bij allerlei disciplines,’’ zegt Pahlavan.

‘‘We zien bijvoorbeeld mogelijke toepassingen in de windenergie. Het stijgende aantal windturbines zorgt uiteraard ook voor een stijgende vraag naar efficiënt onderhoud. Hetzelfde geldt eigenlijk voor de luchtvaartindustrie, waar de veiligheid van structuren cruciaal is en het onderhoud nog veel verder geoptimaliseerd kan worden. Ook is denkbaar dat de technologieën die SHM NEXT heeft ontwikkeld, toegepast kunnen worden op andere vernieuwende terreinen. Samenwerking met start-ups op andere terreinen wordt onderzocht.’’

Dat er veel ambities zijn, geeft Pahlavan meteen toe. ‘‘Maar het is als een fiets. Als je eenmaal vaart maakt, moet je vaart houden om in evenwicht te blijven.’’