A Roadmap to Creating Digital Twins for Drinking Water Treatment

The concept of Digital Twins, as evolving representations of physical systems, has gained substantial traction across diverse fields including drinking water treatment. However, realizing the full potential of Digital Twins faces significant challenges, due to a lack of understanding and the absence of standardized terminologies and practices. To address this, we provide a comprehensive review, defining Digital Twins and exploring various data architectural frameworks for their implementation alongside modelling approaches for drinking water treatment processes. Subsequently, we introduce a roadmap developed for Digital Twin implementation within drinking water treatment, elucidating various organizational and technological paths conceptualised based on the literature, interviews with leading organisations and domain expertise. Finally, a functional design is presented, which serves as the blueprint for putting the roadmap into action for a real-world application. It focuses on a case study at De Watergroep, specifically a water softening treatment process. This design provides a comprehensive framework and analytical methodology to understand stakeholder motivations, identify the Digital Twin’s goals formulate the requirements and application services that can be included in the design and implementation of a Digital Twin for the process.

Het concept van Digital Twins, als zich ontwikkelende representaties van fysieke systemen, krijgt op verschillende gebieden veel aandacht, inclusief de drinkwaterbehandeling. Er bestaan echter grote uitdagingen rond het realiseren van het volledige potentieel van Digital Twins, zoals een gebrek aan begrip en het ontbreken van gestandaardiseerde terminologie en praktijken. Om dit aan te pakken, bieden we een uitgebreide review, waarin Digital Twins worden gedefinieerd en verschillende gegevensarchitectuurkaders voor hun implementatie worden onderzocht, naast modelleringsbenaderingen voor drinkwaterbehandelingsprocessen. Vervolgens introduceren we een stappenplan dat is ontwikkeld voor de implementatie van Digital Twins binnen de drinkwaterbehandeling, waarbij verschillende organisatorische en technologische paden worden belicht die zijn geconceptualiseerd op basis van de literatuur, interviews met toonaangevende organisaties en domeinkennis. Tot slot wordt een functioneel ontwerp gepresenteerd, dat dient als blauwdruk voor het in praktijk brengen van het stappenplan voor een toepassing in de echte wereld. Het richt zich op een case study van De Watergroep, specifiek een wateronthardingsproces. Dit ontwerp biedt een uitgebreid raamwerk en analytische methodologie om de motivaties van belanghebbenden te begrijpen, de doelen van de Digital Twin te identificeren en de vereisten en applicatieservices te formuleren die kunnen worden opgenomen in het ontwerp en de implementatie van een Digital Twin voor drinkwaterbehandelingsprocessen.