Chaos theory in digital twin-based facility management for maintenance and retrofitting

Drawing inspiration from a well-known mathematical theory that was never holistically considered for the built environment and left for use in other engineering disciplines, this research investigates the Chaos Theory (CT) and its potential which remained overlooked in asset management. Facility Management (FM) is one of the most dynamic phases of an asset’s lifecycle, and with Digital Twin (DT) technology enhancing data collection, new opportunities arise to model FM dynamics using CT. FM systems interact with pre and post phases, involving numerous parameters that generate multiple system paths, making control and prediction challenging. Additionally, these processes often tolerate imperfections, rely on human-driven decisions, and involve multiple stakeholders with unclear scopes, adding complexity. CT, by capturing sensitivity to initial conditions and emergent behaviours, provides a framework to analyze these challenges. DT integrates diverse data sources while retrofitting and maintenance act as key tools for adjusting system parameters. In the first chapter, the aim is to identify the framework, unique problems & objectives, and provide definitions by addressing key questions while considering the built environment as a complex and dynamic system. The second chapter is for reviewing the principles and applications of CT, exploring its relevance to complex systems and practical use. It then examines DT-based FM considering chaotic features, detailing its components, framework, and role in maintenance, retrofitting, and managing chaotic behaviours in FM systems. The third chapter demonstrates the system parameters and their evolution within the FM model. Using MATLAB, it presents numerical simulation results, analyzes the system’s dynamics, and explores how these findings can be applied operationally to improve FM strategies. The last chapter summarizes key findings and challenges while providing data-driven insights into the opportunities of this CT-based approach. It outlines connections with other disciplines, and potential research areas supported by examples on both implementation difficulties and future possibilities.

Traendo ispirazione da una teoria matematica ben nota che non è mai stata considerata per l'ambiente costruito in modo olistico e riservata all'uso di altre discipline ingegneristiche, questa ricerca indaga la Teoria del Caos (TC) e il suo potenziale, rimasto trascurato nella gestione degli asset. La Gestione Delle Strutture (FM) è una delle fasi più dinamiche del ciclo di vita di un asset, e con la tecnologia del Gemello digitale (DT) che migliora la raccolta dei dati, emergono nuove opportunità per modellare la dinamica della FM utilizzando la TC. I sistemi FM interagiscono con le fasi pre e post, coinvolgendo numerosi parametri che generano più percorsi di sistema, rendendo difficile il controllo e la previsione. Inoltre, questi processi tollerano spesso imperfezioni, si basano su decisioni umane e coinvolgono più parti interessate con ambiti poco chiari, aumentando la complessità. La TC, catturando la sensibilità alle condizioni iniziali e i comportamenti emergenti, fornisce un quadro per analizzare queste sfide. I DT integrano diverse fonti di dati, mentre il retrofit e la manutenzione fungono da strumenti chiave per regolare i parametri del sistema. Nel primo capitolo, l'obiettivo è identificare il quadro, i problemi e gli obiettivi unici, e fornire definizioni affrontando domande chiave, considerando l'ambiente costruito come un sistema complesso e dinamico. Il secondo capitolo è dedicato alla revisione dei principi e delle applicazioni della TC, esplorando la sua rilevanza per i sistemi complessi e l'uso pratico. Esamina quindi la FM basata su DT considerando caratteristiche caotiche, dettagliando i suoi componenti, il quadro e il ruolo nella manutenzione, nel retrofit e nella gestione dei comportamenti caotici nei sistemi FM. Il terzo capitolo dimostra i parametri del sistema e la loro evoluzione all'interno del modello FM. Utilizzando MATLAB, presenta sia i risultati delle simulazioni numeriche, analizza la dinamica del sistema e esplora come questi risultati possano essere applicati operativamente per migliorare le strategie di FM. L'ultimo capitolo riassume i risultati chiave e le sfide, fornendo approfondimenti basati sui dati sulle opportunità di questo approccio basato sulla TC. Delinea le connessioni con altre discipline, le potenziali aree di ricerca supportate da esempi sia sulle difficoltà di implementazione che sulle possibilità future.