VIAS symposiumbundel by Tol produkties Communicatiebureau Creatie & Advies

Symposiumbundel

vias

Agro-informaticareeks nr. 13 (oktober 2002)

Donderdag 31 oktober 2002 Gebundelde ‘Papers en Demonstraties’ van het dertiende vias-symposium met als thema:

‘virtual value’ De toepassing van modellen, simulaties en spelen in de landbouw, voeding en groene ruimte.

Voordrachten VIAS-Symposium 2002

â&#x20AC;&#x2DC;virtual valueâ&#x20AC;&#x2122; De toepassing van modellen, simulaties en spelen in de landbouw, voeding en groene ruimte.

Samenstelling: Machteld van den Broek, Marco van der Ham, Jocelyn Louwers, Tonny Otjens & Elma van den Top Agro-informaticareeks nr. 13 (oktober 2002)

VIAS-Symposiumcommissie Machteld van den Broek, Marco van der Ham, Jocelyn Louwers, Tonny Otjens & Elma van den Top

Grafische vormgeving Tol produkties, Arnhem

Druk en afwerking Van der Weerd, Oosterhout (Gld)

Correspondentieadres VIAS, Postbus 434 6700 AK Wageningen

Symposium sponsors en deelnemers bedrijvenmarkt VIAS-Symposium 2002 ■

HP Invent

■

AgroPortal

■

Alterra

■

Centrum voor Geo Informatie

■

Datheon Database Solutions

■

PAC Greenware

■

Plant Research International / Praktijkonderzoek Plant & Omgeving

■

Play2Learn

■

SERC

■

STOAS Greenwise

■

W!SL

‘virtual value’ toepassing van modellen, simulaties en spelen in de landbouw, voeding en groene ruimte

voorwoord van de voorzitter… In de wereld van de landbouw, voeding en groene ruimte wordt sinds decennia intensief gebruik gemaakt van modellen voor het beschrijven en simuleren van een groot aantal uiteenlopende processen. Het symposium programma geeft hiervan een fraaie bloemlezing. Modellen voor landgebruik, modellen voor diergedrag, modellen voor mineralenmanagement, modellen voor voedselproductieketens, etc. De laatste jaren zijn op modellen gebaseerde spelen in opkomst. Het doel van deze spelen is om de spelers gevoel en inzicht te geven in processen in de werkelijke wereld. Ook hiervan worden er tijdens het symposium een aantal getoond. Het gebruik van modellen en spelen heeft als voordeel dat in de veilige virtuele omgeving van de computer naar hartelust geëxperimenteerd kan worden met alternatieve situaties zonder de werkelijkheid direct te verstoren. Hierbij dienen we ons wel te realiseren dat een model of spel altijd een abstractie, een benadering, van de werkelijkheid is. De mate waarin een model of spel geschikt is voor gebruik hangt in hoge mate af van de eisen die hieraan door de toepassing wordt gesteld. Of zoals ik laatst in een artikel las: ‘een model is niet goed of fout, alleen meer of minder bruikbaar’. In het dertiende VIAS-symposium staat de relatie tussen de reële wereld en de virtuele wereld centraal. Bieden onze modellen en spelen naast ‘virtual value’ ook inderdaad ‘real value’? Discussieer mee en oordeel zelf. Het symposium ‘Virtual value’ is op een enthousiaste en uitstekende wijze georganiseerd door de symposiumcommissie: Machteld van den Broek, Marco van der Ham, Jocelyn Louwers, Tonny Otjens en Elma van den Top. Ik dank de leden van deze commissie, de sprekers, de deelnemers aan de bedrijvenmarkt, VIAS-sponsoren en de bezoekers hartelijk voor hun bijdrage aan ‘Virtual value’.

Arnold Bregt voorzitter VIAS

ISSN SISO UDC NUGI ISBN

0924-0187 630.6 681.3:631/632 855/835 90-72886-13-5

Eerste druk, oktober 2002 Auteursrecht voorbehouden Copyright VIAS, Wageningen Behoudens uitzondering door de Wet gesteld mag zonder schriftelijke toestemming van de rechthebbenden op het autersrecht niets uit deze uitgave worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of anderszins, hetgeen ook van toepassing is op de gehele of gedeeltelijke bewerking.

inhoud Voorwoord van de voorzitterâ&#x20AC;Ś Bregt, A. VIAS

Agro Innovation Framework (AIF), een software hulpmiddel voor het strategisch ontwerp van duurzame agrarische productiesystemen Annevelink E., E.J. Lamaker & R.M. de Mol IMAG Van Evert, F.K. Plant Research International (PRI), Wageningen

LUMOS: simulatie van veranderend grondgebruik Borsboom, J.A.M Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM)

Toepassing van raamwerken verhoogt het rendement van kennisintensieve systemen Van der Wal, Tamme, Tonny Otjens & Jan Erik Wien Wageningen Software Labs (W!SL)

De ondernemer centraal, toepassing spelsimulatie mineraalmanagement in project Praktijkcijfers Beldman A.C.G., & C.H.G. Daatselaar

Landbouw Economisch Instituut

The integration of monitoring and decision support systems in Dutch horticulture Kamp P.G.H., & W.M.P. van der Veen Westland Energie Services

Spelen met beleid, Simulatiespellen als leermiddel Van Elswijk 1, Mark, Matthijs Maat 1 & Jan Erik Wien 2 1: Software Engineering Research Centre (SERC) 2: Wageningen Software Labs (W!SL)

Spelen om te leren en te regeren Erisman, Jan Willem e.a. Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN)

Simulatiemodel voor de logistiek bij de inzameling van vleeskalveren de Mol, R.M., E. Annevelink & A.C. Smits IMAG

De digitale onderdompeling ir. Kuipers, Jorrit Green Dino Virtual Realities

Maatvaste en realistische toposcopische maquettes en visualisaties. ir. Groneman-van der Hoeven, Annet C. Bureau Toposcopie

Virtuele planten in onderzoek, onderwijs en marketing De Visser, P.H.B. 1, L.F.M. Marcelis 1, G.W.A.M. van der Heijden 1, J.B. Evers 2, J. Vos 2 en P. Struik 2. Virtuele Plant Netwerk Wageningen 1 Plant Research International 2 Leerstoelgroep Gewas- en Onkruidecologie

Agro Innovation Framework (AIF), een software hulpmiddel voor het strategisch ontwerp van duurzame agrarische productiesystemen Agro Innovation Framework (AIF), a software tool to support the strategic design of sustainable agricultural production systems E. Annevelink, E.J. Lamaker & R.M. de Mol

IMAG Postbus 43 6700 AA Wageningen, telefoon: 0317 47 64 54 fax: 0317 42 56 70 e-mail: E.Annevelink@imag.wag-ur.nl

F.K. van Evert

Plant Research International (PRI), Wageningen

abstract In the process of searching for innovations, many different complex production systems consisting of different agronomic processes can be suggested. To support the process of designing such systems, a software prototype of a design tool called ‘Agro Innovation Framework’ (AIF) has been developed. AIF is a generic, visual and modular modelling tool to simulate the (static) equilibrium behaviour of a designed agricultural production system at the strategic planning level. The main focus of AIF is on input and output flows and their characteristics. AIF evaluates proposed innovations, for example, by calculating the effects of incorporating new processes in the design of a new agricultural production system. AIF increases the insight into the way a new system performs.

trefwoorden: systeemontwerp, simulatie, object-georiënteerd, duurzame productie, innovatie

1. inleiding De Europese boer krijgt te maken met steeds striktere milieuregelgeving, die bijvoorbeeld voorschrijft welke soorten bestrijdingsmiddelen gebruikt mogen worden, hoeveel mest op het land mag worden gebracht en wat het toegestane

Annevelink, E., E.J. Lamaker, R.M. de Mol & F.K. van Evert

nutriëntenoverschot per bedrijf is. De milieuwetgeving richt zich onder meer op het voorkomen van stikstofuitstroom naar het grondwater. Om te voldoen aan het principe van duurzaamheid dient de land- en tuinbouw optimaal gebruik te maken van de vereiste middelen zoals water, nutriënten, beschermingsmiddelen en fossiele energie. Traditionele, stapsgewijze verbeteringen van productiesystemen zullen onvoldoende zijn om te kunnen voldoen aan de strenge randvoorwaarden vanuit het milieu. Toekomstige productiesystemen zullen daarom structureel moeten verschillen van de huidige landbouwkundige praktijk. Daarom moet het onderzoek zich richten op het ontwikkelen van innovatieve productiesystemen, die de benodigde inputs efficiënter gebruiken voor de gewenste productie en daarbij nauwelijks milieubelasting veroorzaken. Om dit te bereiken is het noodzakelijk dat verschillende productiesystemen, zowel binnen als buiten de landbouw, worden geïntegreerd. Ongewenste bijproducten van het ene productiesysteem kunnen dan worden hergebruikt in één of meer andere productiesystemen. Verschillende criteria kunnen worden gebruikt om zulke geïntegreerde productiesystemen te beoordelen, bijvoorbeeld de economische waarde, de impact op het milieu en het gebruik van schaarse inputs, zoals brandstof, nutriënten en water. Als hulpmiddel voor het ontwerpen van innovatieve, duurzame en rendabele productiesystemen is een softwarepakket met de naam ‘Agro Innovation Framework’ (AIF) ontwikkeld binnen een samenwerkingsproject van Plant Research International (PRI), LEI, ID-Lelystad en IMAG (Annevelink et al., 2001). Het uitgangspunt van AIF is dat de computer ondersteuning kan bieden om de effecten qua verbetering dan wel verslechtering van een ontwerp te analyseren. Een ontwerper kan nieuwe ideeën krijgen door de verkregen informatie te analyseren. Door een geïntegreerde aanpak wordt een optimale oplossing bereikt waarbij, door hergebruik van afvalstoffen, de milieubelasting wordt geminimaliseerd. Bij het ontwikkelen van de AIF ontwerpmethodiek is onder meer aandacht besteed aan de volgende zaken: ■ methodiekontwikkeling: het bouwen van een prototype van AIF; ■ het vinden van een methode voor het selecteren en genereren van de gewenste informatie op basis van output-data van de simulatie-runs met AIF (data-mining, visualisatie, gevoeligheidsanalyse etc.); ■ het modelleren van moeilijk te kwantificeren indicatoren zoals voor diergezondheid en -welzijn; ■ het uitwerken van een testcase van het ontwerp van een innovatief productiesysteem.

2. methodiekontwikkeling: agro innovation framework (aif) In dit kader wordt onder een ontwerp verstaan: de keuze voor bepaalde productieprocessen en hun onderlinge samenhang via input- en outputstromen. Een nadere

Agro Innovation Framework (AIF), een software hulpmiddel voor het strategisch ontwerp van duurzame agrarische productiesystemen.

detaillering van de parameters van zo’n ontwerp wordt een systeem genoemd. Tijdens het zoeken naar innovaties kunnen verschillende ontwerpen van complexe productiesystemen worden bedacht, bestaande uit een aantal verschillende (agrarische) processen. Om het ontwerp van innovatieve productiesystemen te ondersteunen is AIF ontwikkeld. Met deze generieke software kan op grafische wijze en met behulp van modulaire modellering het gedrag van een ontwerp worden gesimuleerd. AIF berekent het (statische) evenwichtsgedrag van een ontworpen productiesysteem op het strategische planningsnivo. Het hoofddoel van AIF is het karakteriseren van de input- en outputstromen en hun eigenschappen. AIF maakt het mogelijk om de effecten van beoogde innovaties zichtbaar te maken. Op basis van de ervaringen met een eerste prototype, is een gedetailleerd programma van eisen opgesteld van de gewenste functies en mogelijkheden van AIF. De belangrijkste eisen waren: ■ flexibele grafische gebruikersinterface voor het ontwerp van productiesystemen; ■ object-georiënteerde modellering; ■ de mogelijkheid om extern ontwikkelde procesmodellen te integreren in het ontwerp; ■ procesen systeemindicatoren; ■ simulatie van de evenwichtstoestand van een productiesysteem; ■ rapportagemogelijkheden; ■ interfacemogelijkheden naar statistische technieken.

2.1 een flexibele grafische gebruikersinterface voor het ontwerp van productiesystemen Agrarische en andere processen worden gerepresenteerd door parametrische modellen. Deze procesmodellen mogen lineair en niet-lineair zijn. Met behulp van de flexibele grafische gebruikersinterface, wordt een proces door de gebruiker gekoppeld aan één of meer opvolgende processen door de allocatie van de outputs. In figuur 1 is een klein voorbeeld van een met AIF ontworpen productiesysteem weergegeven.

Figuur 1: de grafische representatie van een ontwerp van een simpel productiesysteem binnen AIF. Sources, processen en sinks worden met elkaar verbonden door input- en outputstromen.

Annevelink, E., E.J. Lamaker, R.M. de Mol & F.K. van Evert

Zo geeft, in het voorbeeld, het proces Melkkoe het verband aan tussen de opname van verschillende voedselstromen, nl. gras, silage en suikerbietenblad (inputs) en de productie van melk, mest en groei (outputs) door een melkkoe. De namen van de input- en outputstromen blijven overigens in het Engels, omdat dit binnen het procesmodel Melkkoe zo is gedefinieerd. De procesmodellen Grasland, Maïs en Suikerbiet specificeren de relatie tussen de opname van stikstof uit kunstmest en dierlijke mest en de gewasopbrengst, uitgedrukt in de hoeveelheid vers gewicht. De pijlen geven aan dat de opgeleverde hoeveelheid voer van de procesmodellen Grasland, Maïs en Suikerbiet worden gebruikt als invoer in het procesmodel Melkkoe en verder is te zien dat de door het procesmodel Melkkoe geproduceerde mesthoeveelheid wordt ingevoerd in de procesmodellen Grasland, Maïs en Suikerbiet. Als een procesmodel (b.v. Melkkoe) meer dan één opvolgend proces heeft, dan moet de outputstroom (b.v. mest) worden verdeeld over verschillende processen (b.v. Grasland, Maïs en Suikerbiet). Hierbij moeten de gewenste allocatiepercentages worden opgegeven (figuur 2). Aan de systeemgrenzen zijn zogenaamde ‘sources’ zoals KunstmestGras, KunstmestMais en KunstmestSuikerbiet en ‘sinks’ zoals Melkfabriek, Slachterij en Suikerfabriek aangebracht die de verbinding vormen met de externe wereld buiten het ontwerp. Een source (bron) is een knooppunt zonder inputstromen, met alleen outputstromen. Een sink (put) daarentegen is een knooppunt met alleen inputstromen en zonder outputstromen. Hoeveelheden stofstromen (batches) die het ontwerp verlaten worden opgeslagen in een sink.

Figuur 2: toewijzing van de allocatiepercentages binnen AIF, gecombineerd met de transportafstanden, de transportkosten en het energieverbruik van het transport.

2.2 object-georiënteerde modellering Voor de ontwikkeling van AIF is gebruik gemaakt van object-georiënteerde modellering. De Unified Modelling Language (UML) is gebruikt als notitiesysteem om de klassen met de sets van objecten te beschrijven (Larman, 1997; Booch et al., 1998). Bij object-georiënteerde modellering zijn objecten (of klassen van objecten) de belangrijkste bouwstenen van het softwaresysteem. Dit heeft verscheidene voordelen, zoals flexibiliteit, hergebruiksmogelijkheden en de mogelijkheid tot uitbreiding van het softwaresysteem. Voorbeelden van klassen binnen AIF zijn: node, input, input list, output, output list, allocation, allocation list en batch (figuur 3).

Agro Innovation Framework (AIF), een software hulpmiddel voor het strategisch ontwerp van duurzame agrarische productiesystemen.

Figuur 3: gedeelte van het object-georiënteerde ontwerp van AIF, beschreven in UML (Booch et al., 1998).

Binnen AIF wordt een ontwerp van een productiesysteem beschreven door knooppunten (nodes) die onderling worden verbonden door de allocatie (toewijzing) van input- en outputstromen. Een input is een hoeveelheid (batch) van een bepaald product die het knooppunt binnenkomt en een output is een hoeveelheid die vrijkomt vanuit het knooppunt. Knooppunten kunnen van één van de volgende drie typen zijn: een proces-, source- of sinkknooppunt. Het belangrijkste knooppunt is het procesknooppunt. Individuele procesmodellen (zoals bijvoorbeeld het procesmodel Melkkoe) kunnen binnen AIF worden geïmporteerd en geïntegreerd als aparte, zelfstandige softwarecomponenten via zogenaamde COM-interfaces. Het Microsoft Common Object Model (COM) geeft de specificaties voor het creëren van softwarecomponenten en het bouwen van toepassingen met deze componenten (Rogerson, 1997). Een ontwerp kan gemakkelijk worden aangepast door nieuwe procesmodellen binnen AIF toe te voegen. Procesmodellen kunnen dynamische koppelingen maken terwijl de AIF-applicatie draait. Procesmodellen schermen de details over de wijze waarop ze worden geïmplementeerd af van de buitenwereld (AIF). COM-componenten bestaan uit executable code, die ofwel als dynamic link libraries (DLL) ofwel als executables (EXE) worden verspreid. Het hart van het AIF softwaresysteem is geprogrammeerd in Delphi. De geïmporteerde externe procesmodellen kunnen echter in elke gewenste programmeertaal worden geprogrammeerd, zoals bijvoorbeeld JAVA of C++.

Annevelink, E., E.J. Lamaker, R.M. de Mol & F.K. van Evert

2.3 extern ontwikkelde procesmodellen integreren in het ontwerp Extern ontwikkelde procesmodellen kunnen dus binnen AIF worden geïntegreerd tot een ontwerp van een complex productiesysteem. Het uitgangspunt achter het AIF concept is de gedistribueerde ontwikkeling van softwarecomponenten (de procesmodellen). Op verschillende internationale locaties, waaronder Wageningen-UR zijn reeds procesmodellen ontwikkeld. Deze kennis moet zo efficiënt mogelijk binnen AIF kunnen worden ingepast. Individuele onderzoekers hoeven hun procesmodellen daarom inhoudelijk niet aan te passen. Ze hoeven alleen maar de gewenste COM-interface te implementeren en een gedeelte van het gedrag van hun procesmodel te specificeren. Als de ontwerper geen beschikking heeft over een geschikt extern ontwikkeld procesmodel, kan hij binnen AIF ook zijn eigen eenvoudige procesmodel programmeren met behulp van VBscripting.

2.4 procesen systeemindicatoren AIF evalueert na simulatie de evenwichtstoestand van een voorgesteld ontwerp van een productiesysteem met behulp van indicatoren. Een indicator is een selectiecriterium voor een ontwerper. Een ontworpen productiesysteem kan worden gescoord met elk gewenst type indicator, zoals fysieke productie, overschot aan nutriënten, productiekosten, vervuiling en inpasbaarheid binnen de regelgeving. Ook kunnen nieuwe indicatoren worden toegevoegd, die inhaken op randvoorwaarden zoals dierenwelzijn en landschappelijke aantrekkelijkheid. AIF maakt onderscheid tussen procesen systeemindicatoren. Procesindicatoren kunnen al ingebouwd zijn in het originele (black box) procesmodel of ze kunnen later door de ontwerper worden toegevoegd aan het originele procesmodel op AIF-ontwerpnivo. In het laatste geval kan VBscripting worden gebruikt om de nieuwe procesindicatoren te definiëren. Systeemindicatoren verzamelen de resultaten van enkele of alle individuele procesindicatoren en berekenen een of andere gewenste overkoepelende prestatiewaarde.

2.5 simulatie van de evenwichtstoestand van een productiesysteem AIF biedt de mogelijkheid om verschillende systemen binnen een ontwerp door te rekenen. Een systeem is in AIF gedefinieerd als een combinatie van processen met exact ingestelde procesparameters en gespecificeerde allocaties van de output van een proces. Een systeem is dus één van de nadere specificaties van een ontwerp. De kenmerkende factoren van de afzonderlijke processen worden binnen het ontwerp met behulp van parameters gespecificeerd (bijvoorbeeld het oppervlak van het grasland of het gewicht van een melkkoe, figuur 4).

Agro Innovation Framework (AIF), een software hulpmiddel voor het strategisch ontwerp van duurzame agrarische productiesystemen.

Figuur 4: gedeelte van de parameters van het eenvoudige ontwerpvoorbeeld.

De outputs van een proces worden berekend met het bijbehorende procesmodel en zijn afhankelijk van de aan het proces gekoppelde inputs en de waarden van de procesparameters. AIF berekent via een simulatierun (met een gekozen aantal iteraties) de jaarlijkse massastromen (inputs en outputs) in de stationaire evenwichtssituatie van een systeem.

2.6 rapportagemogelijkheden De rapportage-interface (figuur 5) binnen AIF kan worden gebruikt om het ontwerp te controleren en analyseren. Feitelijk kan AIF worden vergeleken met een datagenerator. Dit is de eerste stap van de computerondersteuning bij het vinden van een nieuw ontwerp. De tweede stap is de vertaling van gegenereerde data naar informatie voor de ontwerper. Deze informatie dient als hulpmiddel om ideeën van de ontwerper te evalueren op hun bruikbaarheid en de ontwerper te helpen nieuwe ideeën te ontwikkelen (b.v. toevoegen van een nieuw proces, een andere waarde van de input of van een procesparameter, etc.). De gevraagde informatie kan onder meer bestaan uit de waarde van: ■ indicatoren (procesen systeem-); ■ inputs en outputs van processen in de evenwichtssituatie; ■ procesparameters.

Annevelink, E., E.J. Lamaker, R.M. de Mol & F.K. van Evert

Figuur 5: de rapportage na een simulatierun met AIF. De resultaten kunnen worden gepresenteerd per knooppunt. Data worden geleverd over de parameters, inputs, outputs, batches, attributen, indicatoren, allocaties en scripts.

3. statistische analyse van de resultaten 3.1 datavisualisatie en methoden voor data-analyse De parameters, randvoorwaarden en allocatiepercentages van een ontwerp kunnen binnen een bepaald bereik worden gevarieerd. Iedere nieuwe instelling van de waarden is een apart systeem en hiervoor wordt telkens een nieuwe evenwichtssituatie berekend. Dit resulteert in een grote data-set van verschillende systemen met verschillende waarden voor de systeemindicatoren. Wanneer procesindicatoren van alle individuele processen worden bepaald, kan de geleverde hoeveelheid data explosief toenemen wanneer het ontwerp steeds meer processen bevat. Daarnaast neemt het aantal mogelijke systemen ook exponentieel toe als het ontwerp steeds groter wordt. De presentatie van de data naar de ontwerper kan daarom, vooral bij ontwerpen met veel processen en procesparameters, nog steeds een ‘overkill’ aan informatie geven. Hierdoor is de ontwerper nog steeds niet in staat om de effecten qua verbetering of verslechtering van zijn ideeën in te schatten, laat staan nieuwe ideeën te vormen. AIF moet de ontwerper daarom ook ondersteunen bij het selecteren van de belangrijkste informatie. Met een gevoeligheidsanalyse kan bijvoorbeeld een selectie

Agro Innovation Framework (AIF), een software hulpmiddel voor het strategisch ontwerp van duurzame agrarische productiesystemen.

plaatsvinden van processen die in grote mate bijdragen aan de waarde van een prestatie-indicator. Momenteel wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van multivariate visualisatie en statistische technieken, die grote hoeveelheden data kunnen vertalen naar bruikbare informatie voor de ontwerper. AIF levert hiervoor een interface (Excel) om de resultaten van de simulatieruns over te hevelen naar de gekozen technieken. Het streven is om uiteindelijk verschillende mogelijkheden voor de gebruiker binnen AIF operationeel te maken, maar daarvoor zal nog nader onderzoek nodig zijn.

3.2 data envelopment analysis (dea) Eén van de data-analyse methoden die onderzocht is om het aantal systemen waarmee verder gegaan kan worden te beperken, is de Data Envelopment Analysis methode (DEA). Hiermee kunnen de relatieve prestaties van de systemen op de gewenste indicatoren worden gemeten. Vervolgens kan worden geanalyseerd welke factoren deze prestatie negatief dan wel positief beïnvloeden. Uit DEA volgt zo welke systemen binnen het ontwerp interessant zijn (een kleine deelgroep). Daarbij is vervolgens een argumentatie gewenst (m.b.v. correlaties en/of visualisatie) om te bekijken welke inputs efficiënte systemen opleveren. Deze resultaten moeten steeds naar de klant worden teruggekoppeld. DEA geeft zo mede richting aan het zoeken naar oplossingen voor bottlenecks, om zo een betere prestatie te realiseren.

4. modelleren van diergezondheid AIF moet ook minder tastbare zaken zoals diergezondheid kunnen optimaliseren. Aan de hand van een lijst geïnventariseerde criteria voor diergezondheid (Meijer, 2000) is nagegaan welke criteria beïnvloed kunnen worden door wijzigingen in het ontwerp van de gekozen testcase (zie paragraaf 5). Voor het kwantificeren van de, moeilijk te waarderen, indicatoren voor diergezondheid is een grove opzet bedacht, via de procesen systeemindicatoren, die voorlopig is geïmplementeerd in AIF. Onder meer de relatie tussen klauwproblemen en het aantal graasdagen is meegenomen. Hierbij zijn trouwens ook andere factoren van belang die buiten het ontwerp vallen. ID-Lelystad heeft een puntenwaardering gemaakt voor het welzijn afhankelijk van het aantal graasdagen. Een alternatieve diergezondheidsindicator is de verhouding tussen ruwvoer en krachtvoer. Dit optimum is bekend per koe, maar moet voor AIF nog worden omgezet naar een optimum voor de veestapel. In het algemeen blijkt het vooral de vraag welke kenmerken, die van belang zijn bij het bepalen van de diergezondheidsindicatoren, ook werkelijk beschikbaar zijn in de huidige procesmodellen. Dit onderdeel moet nog worden afgerond in 2002.

Annevelink, E., E.J. Lamaker, R.M. de Mol & F.K. van Evert

5. testcase: ontwerp innovatief productiesysteem AIF is gevalideerd met een concrete testcase uit de praktijk, n.l. het ontwerp van een gras-bioraffinagefabriek (gras splitsen in de componenten vezels, sapconcentraat en proteĂŻne) van AVEBE. Dit is een innovatief idee dat zich leent om met de AIF-methodiek te worden doorgerekend. Een ontwerpgroep, met inbreng van AVEBE, is een aantal malen bijeen geweest en heeft gedetailleerde data verzameld voor het systeemontwerp. Hiermee is een aantal systemen doorgerekend en de resultaten zijn met DEA geanalyseerd.

6. discussie en conclusies De huidige stand van zaken is, dat tests met AIF worden uitgevoerd bij realistische ontwerpproblemen. Deze test-casussen dienen de uiteindelijke specificaties voor AIF op te leveren. De statistische technieken zullen nog moeten worden toegevoegd om een bijdrage te leveren aan het inzicht in het gedrag van een groot aantal verschillende systemen, maar ook om het creatieve en innovatieve denken te bevorderen. Op deze wijze wil het Agro Innovation Framework (AIF) bijdragen tot het strategisch ontwerp van duurzame en rendabele productiesystemen.

referenties -

Annevelink, E., E.J. Lamaker, R.M. de Mol & F.K. van Evert (2001) Agro Innovation Framework (AIF), a software tool to support the design of agricultural production systems. In: Steffe, J. (editor), EFITA 2001, Third European Conference of the European Federation for Information Technology in Agriculture, Food and the Environment, Volume 1, 267-272. Booch, G., J. Rumbaugh and I. Jacobson (1998) The unified modeling language user guide, 4th printing, Addison-Wesley, Harlow, UK, 482 pp. Larman, C. (1997) Applying UML and patterns: an introduction to object-oriented analysis and design, Prentice-Hall, London, UK, 507 pp. Meijer, G.A.L. (2000) Meetlatten voor diergezondheid; Een inventarisatie van criteria voor diergezondheid en welzijn ten behoeve van een studie naar majeure verbeteringen van de efficiĂŤntie in agroproductiesystemen. Rapport, ID-Lelystad, no. 2030, 31 pp. Rogerson, D. (1997) Inside COM, Microsoft Press, Redmond, Washington, USA, 377 pp.

LUMOS: simulatie van veranderend grondgebruik Judith Borsboom

Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) Postbus 1 3720 BA, Bilthoven telefoon: 030 274 91 11 fax: 030 274 29 71 e-mail: info@rivm.nl

abstract At the RIVM land use models have been in use for a couple of years. Two different models, rooted in different scientific backgrounds (Land Use Scanner and Environmental Explorer), play a central part in this land use modelling, foremost as an intermediate step in a complex chain of models used for the integrated assessment of the environmental and ecological quality and the quality of the living environment in the next decades. These model chains have been applied in substantial projects, such as the Environmental Outlook 1997, the Fifth Memorandum on Spatial Planning, Nature Outlook 2002, and in smaller projects such as the evaluation of various alternatives for the expansion of Amsterdam Airport. The evaluation of the added value of the Land Use Scanner and Environmental Explorer in these applications has given rise to a range of activities that aim at an improvement of underlying database and the methodological base of both models. Further it appeared that integration of both models in a toolbox for land use modelling named LUMOS has many advantages from the viewpoint of human resource management and for the comparison of model results. In this contribution the structure of both models will be outlined before two representative applications are considered. Finally plans for the near future will be discussed briefly.

1. ontwikkelingen in het landelijk gebied Het laatste decennium hebben zich grote veranderingen in de economische basis van het landelijk gebied voltrokken. Voor een groot deel is dit terug te voeren op een veranderende positie van de landbouw als economische sector

Borsboom, J.A.M

onder invloed van de toenemende globalisering van economische relaties en het landbouwbeleid in de Europese Unie, waarop tot nu toe nog verdere schaalvergroting en efficiency-verhoging het antwoord zijn geweest. In combinatie met de recente crises rond dierziekten en voedselveiligheid en de steeds strengere milieu-eisen (bijvoorbeeld invoering MINAS), begint zich een proces van verbreding binnen de landbouw af te tekenen: andere bronnen van inkomsten, zoals recreatie, zorg en directe verkoop van (streek)producten, dragen in toenemende mate bij aan het inkomen van het boerengezin. Voedselproductie als primaire bron van inkomsten van de boer lijkt dus in de nabije toekomst minder belangrijk te worden. Tegelijkertijd bestaat er in bepaalde delen van Nederland een grote druk op landbouwgrond vanuit andere vormen van grondgebruik (zie bijvoorbeeld Veenenklaas et al. 2001). De grote toename in personenmobiliteit in combinatie met een lange periode van economische groei hebben het landelijke gebied zeer aantrekkelijk gemaakt voor wonen. Goed ontsloten locaties en zichtlocaties zijn in trek voor de vestiging van bedrijvigheid, vooral omdat de agglomeratievoordelen die optreden bij clustering van bedrijvigheid zich niet meer beperken tot de steden maar zich feitelijk uitstrekken over grote delen van Midden-Nederland (Wever, 1993). Ook de doelstellingen in het overheidsbeleid ten aanzien van de realisatie van nieuwe natuur, bijvoorbeeld de aankoop van gronden voor de inrichting van de Ecologische Hoofd Structuur, leggen behoorlijke ruimteclaims op agrarische grond. Daarnaast worden vanuit het oogpunt van waterberging en het tegengaan van verdroging voorstellen gedaan voor de ruimtelijke inrichting die functiecombinatie met een rendabele landbouw vaak bemoeilijken. Al deze ruimtevragende activiteiten kunnen niet zonder meer in het landelijk gebied geaccomodeerd worden, enerzijds doordat sommige vormen van ruimtegebruik slecht gecombineerd kunnen worden, anderzijds doordat er simpelweg te weinig ruimte is om al deze claims te honoreren. De overheid heeft tot taak zorg te dragen voor het afstemmen van deze verschillende claims, waarbij een zekere kwaliteit in milieu, natuur en ruimtelijke inrichting blijven gewaarborgd. RIVM, in het bijzonder het Milieu- en Natuur Planbureau, heeft tot doel het overheidsbeleid ten aanzien van de fysieke leefomgeving en duurzaamheid te ondersteunen, te onderbouwen en knelpunten te signaleren.

LUMOS: simulatie van veranderend grondgebruik

2. informatiebehoefte vanuit beleid en de rol van ruimtegebruiksmodellen Uit de bovenstaande paragraaf is duidelijk dat veel ingrijpende veranderingen in het landelijk gebied direct of indirect samenhangen met veranderingen in het grondgebruik. Inzicht in de ontwikkeling van toekomstig grondgebruik is dus noodzakelijk, niet alleen voor het inschatten van de toekomstige ruimtelijke kwaliteit maar ook vanwege de relatie met allerlei problemen op het gebied van natuur en milieu. Voorbeelden hiervan zijn de verkeersstromen en bijbehorende emissies van schadelijke stoffen die optreden door nieuwe woon- en werklocaties, de slechte verenigbaarheid van natuurbehoud met intensieve veehouderij, of de lastige combinatie van economisch rendabele landbouw met maatregelen die verdroging in veengebieden moeten tegengaan. Ruimtegebruiksmodellen verschaffen dit gevraagde inzicht in toekomstig ruimtegebruik, doorgaans op een termijn van 20 tot 50 jaar. De ontwikkeling van dit type modellen is begonnen in de 60-er jaren, toen de mathematische en statistische technieken hiervoor werden ge誰ntroduceerd in de sociale geografie en ruimtelijke economie, wat resulteerde in onder meer het bekende Lowry model (Lowry 1964). Wereldwijd bestaan er op dit moment enige tientallen operationele grondgebruiksmodellen, die recent beschreven zijn in een aantal overzichten, zie bijvoorbeeld Rand (2001), U.S. Environmental Protection Agency (2000), en Geurs (2002). Voorbeelden van deze recente generatie grondgebruiksmodellen zijn het expliciet op verstedelijking gerichte Californian Urban Futures-2 model van Landis en Zhang (1998), het ruimtelijkeconomisch MEPLAN model van Marchial Echenique en Partners, het zeer uitgebreide IRPUD model van Michael Wegener en het actor-gerichte UrbanSIM model van Waddell (forthcoming). In Nederland is door het RIVM in samenwerking met andere organisaties de afgelopen jaren de Ruimtescanner en de LeefOmgevingsVerkenner (LOV) ontwikkeld. Beide modellen hebben een verschillende wetenschappelijke basis en zijn oorspronkelijk vanuit een heel ander oogpunt ontwikkeld. In de volgende paragraaf zullen ze kort worden besproken.

3. ruimtescanner en leefomgevingsverkenner De RuimteScanner is gezamenlijk met de Vrije Universiteit, het Landbouw-Economisch Instituut en de RijksPlanologische Dienst ontwikkeld sinds 1996. Het model is gebaseerd op de random utility theory (McFadden 1973), een stroming die begin 70-er jaren in de sociale geografie is opgekomen (zie voor een uitgebreide bespreking van de mathematische aspecten Hilferink en Rietveld 2001 en Schotten et al. 2001). In deze theorie wordt doorgaans gebruik gemaakt van multinomiale logit modellen. Dit betekent dat, analoog aan het keuzegedrag van actoren, het model werkt met

Borsboom, J.A.M

kansen op het voorkomen van bepaalde typen grondgebruik, waarbij in de schatting een bepaald deel min of meer deterministisch wordt vastgesteld en een bepaald deel stochastisch is omdat er vanuit wordt gegaan dat niet alle attributen bekend of observeerbaar zijn. Als input wordt hierbij gebruik gemaakt van sectorale modellen, zoals woningmarkt- of bedrijfshuisvestingsmodellen. Als er geen geschikte sectorale modellen voorhanden zijn kan ook wel gebruik worden gemaakt van expert judgment. De allocatie is gebaseerd op de grootte van de ruimteclaims in een bepaald gebied, beleidskaarten die bepaalde bestemmingen opleggen of verbieden, bijvoorbeeld wonen en bedrijvigheid in VINEX locaties, of natuur binnen de contouren van de Ecologische Hoofd Structuur, naast de attractiviteit voor de onderscheiden typen grondgebruik en het huidig grondgebruik omdat dit vaak sterk bepalend is voor de attractiviteiten. De LOV is gebaseerd op een geheel andere techniek en theoretische achtergrond, namelijk de uit de biologie afkomstige Cellulaire Automata. Deze techniek werd oorspronkelijk ontwikkeld om groeipatronen in organismen te simuleren, en is gebaseerd op concepten zoals de chaos-theorie en bifurcatie-theorie. Hierbij ligt grote nadruk op de expliciet ruimtelijke relaties, vooral die binnen de onmiddelijke omgeving, die vaak aangeduid wordt met het begrip â&#x20AC;&#x2DC;neighbourhoodâ&#x20AC;&#x2122;. Op basis van de ruimtelijke relaties tussen typen grondgebruik worden de zogenaamde transitiepotentialen vastgesteld die bepalend zijn voor veranderingen in het grondgebruik. Op dit moment worden in de LOV ruimteclaims op landelijk niveau vertaald naar regionaal niveau op basis van kennisregels, hoewel het in principe ook mogelijk is de externe ruimteclaims te gebruiken. Beide modellen werken volgens de scenariomethode, wat inhoudt dat eerst globale ontwikkelingslijnen worden uitgezet, die vervolgens worden omgezet in ruimteclaims die weer worden gealloceerd per gridcel van 500 bij 500 meter. De doelgroep van beide modellen is de specialist, in dit geval de ingevoerde toepasser die de beleidsmaker ondersteunt. Feitelijk zijn beide modellen minder geschikt voor gebruik in bijvoorbeeld interactieve sessies met stakeholders door het grote inzicht dat vereist is in de onderliggende databestanden en de gehanteerde aannames, de ingewikkeldheid van de mathematische formulering van de allocatiemechanismen en het complexe rekenschema met zijn vele tussenstappen.

4. voorbeelden toepassingen Tot nu toe zijn de LOV en RuimteScanner in een aantal projecten toegepast. De RuimteScanner is onder meer toegepast in de Evaluatie Schiphol, het project Regionale grondbalansen, de MilieuVerkenningen 4, en de Vijfde Nota. De LOV is toegepast in het project Kaartbeelden en bij de ondersteuning van de onlangs gepresenteerde NatuurVerkenningen-2 (in combinatie met de RuimteScanner). De toepassingen voor de Vijfde Nota en de NatuurVerkenningen-2 zijn het meest uitgebreid geweest en deze zullen hieronder dan ook kort worden besproken. Bij de toepassing voor de Vijfde Nota is in samenwerking met de Rijks Planologische

LUMOS: simulatie van veranderend grondgebruik

Dienst een berekening gemaakt van de meest waarschijnlijke ruimtelijke ontwikkelingen in de komende 20 tot 30 jaar. Hierbij is bij de compacte variant gebruik gemaakt van de bekende scenario's van het Centraal Planbureau, namelijk European Coordination, Divided Europe en Global Competition, die ieder op een zeer abstract niveau een verschillende visie op sociaal-economische ontwikkeling geven (Goetgeluk et al. 2000). Daarnaast is op eigen initiatief een variant uitgewerkt waarin ervan uit is gegaan dat marktwerking van doorslaggevend belang is, dit is de zogenaamde liberaliseringsvariant (Crommentuijn et al., forthcoming). Bij de Vijfde Nota zijn op basis van de verschillende scenario’s door gespecialiseerde modellen zoals woningmarkt- en bedrijfshuisvestingsmodellen berekeningen gemaakt van de toekomstige ruimtebehoefte. Vervolgens zijn deze ruimteclaims op elkaar afgestemd door het allocatiemechanisme van de RuimteScanner. Hierbij zijn ook additionele gegevens zoals beleidskaarten, attractiviteitskaarten en fysieke geschiktheidskaarten gebruikt (Goetgeluk et al. 2000). De beelden van het toekomstige ruimtegebruik die op deze wijze tot stand zijn gekomen, zijn vervolgens beoordeeld op hun gevolgen voor natuur en milieu (zie Van Esch [eds.] 2001). Bij de toepassing van de LOV en RuimteScanner bij de Natuurverkenningen-2 ging het specifiek om de ruimtelijke ontwikkkelingen in de komende dertig jaar in relatie tot natuurbehoud en –onwikkeling. Om de bandbreedte van de verschillende scenario’s wat beter in beeld te krijgen werden veel extremere scenario’s gehanteerd dan bij de toepassing voor de Vijfde Nota (Individualistische Wereld, Samenwerkende Wereld, Individualistische Regio, Samenwerkende Regio). Zo werd in het scenario Samenwerkende Wereld vlakbij Amsterdam een groot nieuw gebied met ruige natuur gesitueerd, terwijl bekend is dat in de Randstad de woningmarkt de grootste ruimtevrager is. Door deze extremere uitgangspunten werden dus ook extremere ruimtelijke toekomstbeelden opgesteld. M.b.t. de gevolgen voor natuur en milieu werd geconcludeerd dat vooral het landschap sterk onder druk kwam te staan en dat de natuurgebieden zo versnipperd zijn dat een aantal oorspronkelijke doelstellingen van de Ecologische Hoofd Structuur niet wordt gehaald. Daarnaast is de ontwikkeling van de grondmarkt een belangrijk obstakel bij de realisatie van de Ecologische Hoofd Structuur.

5. evaluatie van deze toepassingen De hierboven beschreven toepassingen hebben veel informatie opgeleverd over de toepassing van ruimtegebruiksmodellen. Zo waren belangrijke conclusies bij de Vijfde Nota en de NatuurVerkenning 2 dat:

Borsboom, J.A.M

■ bij de Vijfde Nota de ruimtelijke beelden vaak te weinig differentiatie vertoonden, bijvoorbeeld sterk gesmoothed waren, onder meer door gebrek aan inzicht in de werking of de juiste waarden van bepaalde parameters; ■ het onderzoeksontwerp vaak bijzonder ingewikkeld en onoverzichtelijk was, en het hierdoor erg lastig was om het proces te sturen, ook omdat de modellen niet erg transparant zijn; ■ over veel kengetallen en kennisregels geen wetenschappelijke informatie voorhanden is, en dus met het boerenverstand geschat moet worden; ■ het ontbreken van een feedback link naar de ruimteclaims aanleverende sectorale modellen vaak een handicap was; ■ men zich feitelijk meer moest richten op een betere aansluiting bij actormodellen. Deze punten zijn voor een groot deel verwerkt in het onderzoeksprogramma voor dit jaar en de komende jaren.

6. plannen voor de toekomst Op dit moment zijn er grote plannen voor de toekomst. Afgesproken is de RuimteScanner en LOV niet langer afzonderlijk verder te ontwikkelen, maar te integreren binnen een nieuw Land Use Modelling System (LUMOS). Feitelijk is er geen noodzaak voor de ontwikkeling van een dergelijk systeem vanuit wetenschappelijk oogpunt. Vanuit het oogpunt van Human Resource Management is een dergelijke ontwikkeling echter wel erg belangrijk, omdat verwacht wordt dat de huidige fragmentatie van kennis binnen een toch al kleine en zeer verspreid gelocaliseerde groep en het ontbreken van kruisbestuiving wordt tegengegaan door de ontwikkeling van een gemeenschappelijk instrument. In dit opzicht is ook de reorganisatie en de vorming van een team Ruimte, Infrastructuur en Milieu vanaf 1 januari 2003 van belang. Het beoogde doel van LUMOS is niet beperkt tot alleen integratie van de verschillende rekenharten binnen een gemeenschappelijke schil, maar strekt zich ook uit tot de afstemming en standaardisering van de basisgegevens. In inhoudelijk opzicht is het bijzonder interessant wat er met de uitwerking van de Vijfde Nota Ruimtelijke Ordening zal gaan gebeuren in het kabinet Balkenende. Het zou kunnen dat een gedeelte van het huidige beleid losgelaten zal worden ten behoeve van liberalisering van de woning- en bedrijfshuisvestingmarkt. In het licht van de huidige economische ontwikkelingen is het echter ook goed mogelijk dat de verstedelijkingsdruk bij voorbaat al sterk verminderd wordt door teruglopende ruimteconsumptie.

LUMOS: simulatie van veranderend grondgebruik

7. is de ‘virtual value’ van ruimtegebruiksmodellering ‘value for money’? Modellen, dus ook ruimtegebruiksmodellen, kunnen bijdragen aan bewustwording en het in kaart brengen van bepaalde problemen, kunnen de toestand van bepaalde zaken in de toekomst voorspellen en op deze wijze beslissingen beter onderbouwen. In die zin hebben ook deze modellen dus een ‘Virtual Value’: ze leveren voorheen onbekende informatie op in kwantitatieve vorm over de toekomstige locatie van menselijke activiteiten, die van belang is voor het inschatten van de milieu-, natuur- en ruimtelijke kwaliteit in de toekomst, terugkoppeling naar bewustwording, voorspelling, onderbouwing en het nemen van beslissingen. Vanuit dit perspectief kijkend naar de ontwikkeling van de RuimteScanner en LOV kan worden geconcludeerd dat de belangrijkste toegevoegde waarde van deze modellen meer ligt in bewustwording en inzicht in mogelijke toekomstige problematiek dan in een exacte voorspelling van toekomstig grondgebruik. Dit laatste is vaak ook niet helemaal mogelijk omdat, zoals al eerder gesignaleerd, over veel deelgebieden geen informatie beschikbaar is en de leemten in de kennis bij een toepassing m.b.v. een ‘lucky guess’ moeten worden opgelost. Ook de kwaliteit van de inputgegevens plus de hieraan ten grondslag liggende aannames, bijvoorbeeld in toeleverende ruimteclaims, staan een dergelijke exactheid doorgaans niet toe. Geconcludeerd moet dus worden dat een verkenning van de bandbreedte van verschillende scenario’s en de bijbehorende ruimtelijke toekomstbeelden de belangrijkste meerwaarde vormt, en dat dergelijke berekeningen dus eerder als een communicatiemiddel moeten worden beschouwd. Een zo goed mogelijke voorspelling blijft echter tegelijkertijd van groot belang vanwege de koppeling met andere modellen en de verantwoording in wetenschapplijk opzicht.

Borsboom, J.A.M

literatuur Borsboom, J.A.M., W. de Regt, K. Schotten (2002), Land Use Scanner: the continuous cycle of application, evaluation and improvement of land use modelling. Paper presented at the 42nd congress of the European Regional Science Association, August 27th-31st 2002, Dortmund Germany. Crommentuijn, L., C. Heunks, K. Schotten (forthcoming), Liberaliseringsvariant, beschrijving van de methodiek. Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu, Bilthoven. Esch, S.A. van (eds.) (2001), Who is afraid of red, green and blue? Toets van de Vijfde Nota Ruimtelijke Ordening op ecologische effecten. RIVM Rapport 711931005. Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu, Bilthoven. Geurs, K.T. (2002), Evaluatie van ruimtelijk-infrastructurele concepten voor meervoudig ruimtegebruik in de Randstad. RIVM rapport 773002022. Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu, Bilthoven. Goetgeluk, R.W., P. Louter, J.A.M. Borsboom-van Beurden, M.A.J. Kuijpers-Linde, J.F.M. van der Waals, K.T. Geurs (2000), Wonen en werken ruimtelijk verkend. Waar wonen en werken we in 2020 volgens een compacte inrichtingsvariant voor de Vijfde Nota Ruimtelijke Ordening? RIVM rapport 7119310001. Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu, Bilthoven. Hilferink, M. en P. Rietveld (2001), Een nadere uitwerking van het RuimteScanner model. In: Scholten, H.J., R.J. van de Velde, J.A.M. Borsboom-van Beurden (eds.), RuimteScanner: Informatiesysteem voor de lange termijnverkenning van ruimtegebruik, pp. 40-53, Netherlands Geographical Studies 242. KNAG/VU, Utrecht/Amsterdam. Landis, J. en Zhang (1998), The second generation of the California urban futures model. Part I: Model logic and theory. In: Environment and Planning B, Planning and Design, 1998, Vol. 25, pp. 657-666. Lowry (1964), I.S., A Model of Metropolis. RM-4035-RC. The Rand Corporation, Santa Monica, CA.

LUMOS: simulatie van veranderend grondgebruik

McFadden, D. (1974), Conditional Logit Analysis and Qualitative Choice Behavior. In: P. Zarenbka (ed.), Frontiers in Econometrics. Academic Press, New York. Rand Europe (2001), Literature review of land use models. Report 01191. Rand Europe, Leiden. Regt, W. de (2001), Gele vla of chocoladevlokken? Numerieke diffusie in gridkaarten van toekomstig grondgebruik. RIVM rapport 550003001. Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu, Bilthoven. RIVM en Stichting DLO (2002), Nationale Natuurverkenning 2, 2000-2030. Kluwer, Alphen aan de Rijn. Schotten, C.G.J., R. Goetgeluk, M. Hilferink, P. Rietveld, H. Scholten (2001), Residential construction, land use and the environment. Simulations for the Netherlands using a GIS-base land use model. In: Environmental Modelling and Assessment 6, pp. 133-143 Timmermans, H.J.P. (1998), RuimteScanner en LeefOmgevingsVerkenner. Een evaluatie. Urban Planning Group, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven. United States Environmental Protection Agency (2000), Projecting Land Use Change. A Summary of Models for Assessing the Effects of Community Growth and Change on Land-Use Patterns. EPA/600/R-00/098. U.S. Environmental Protection Agency, Office of Research and Development, Cincinnati, O.H. Van de Velde, R.J., C.G.J. Schotten, J.F.M. van der Waals, W.T. Boersma, J.M. Oude Munnink, M. Ransijn (1997), Ruimteclaims en ruimtelijke ontwikkelingen in de zoekgebieden voor de toekomstige luchtvaartinfrastructuur (TNLI). QuickScan met de RuimteScanner. RIVM rapport 71190124. Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu, Bilthoven.

Borsboom, J.A.M

Veenenklaas F.R., J.M.J. Farjon en Th. Vogelenzang (2001), Platteland Natuurlijk. Een schets van het verwachte en gewenste grondgebruik in het agrarisch gebied in 2020. Alterra-rapport 302, ISSN 1556-7197. Alterra en Stichting Natuur en Milieu, Wageningen. Wadell, P. (forthcoming), UrbanSim: Modelling Urban Development for Land Use, Transportation and Environmental Planning. In: Journal of American Planning Association. Wever, E. (1993), Bedrijvigheid en steden. In: De complexe stad, geografisch onderzoek in actie. Universiteit Utrecht/Faculteit Ruimtelijke Wetenschappen, Utrecht.

Toepassing van raamwerken verhoogt het rendement van kennisintensieve systemen Tamme van der Wal, Tonny Otjens & Jan Erik Wien

W!SL Postbus 47 6700 AA Wageningen, telefoon: 0317 47 42 31 fax: 0317 47 46 09 e-mail: t.vanderwal@wisl.nl a.j.otjens@wisl.nl j.j.f.wien@wisl.nl

samenvatting De ontwikkeling van kennisintensieve systemen wordt steeds vaker als investeringsbeslissing gezien. Hiermee wordt niet alleen naar de daarin besloten kennis gekeken, maar ook naar de effectiviteit van het instrument en het risico dat ontwikkeling en gebruik met zich meebrengt. Door de toepassing van raamwerken wordt het rendement van een investering verhoogd en het risico verkleind. Het GEOPS raamwerk toont aan hoe de time-to-market omlaag gaat en het faalrisico van modelontwikkeling wordt verlaagd door het bieden van een digitaal integratiekader voor kennisontwikkeling en -koppeling.

trefwoorden: raamwerk, model, simulatie, investeringsbeslissing, Information Economics, integratie, GIS, ruimtelijke planvorming

1. inleiding Kennisintensieve systemen zoals databases, simulatiemodellen, visuele animaties en besluitvormingsondersteunende systemen vormen een belangrijk instrumentarium voor het onderzoek en beleid in de groene ruimte. Daarnaast worden kennisintensieve systemen (of prototypen daarvan) gebruikt om latente en impliciete kennis van die groene ruimte vast te leggen en beschrijven ze hoe bepaalde onderzoeksaspecten met elkaar samenhangen. In 1999 is een verkenning uitgevoerd naar integratie van modellen op landelijke en regionale schaal (Steenvoorden, 1999). Naar aanleiding hiervan heeft een werkgroep van de Dienst Landbouwkundig Onderzoek (DLO) advies uitgebracht

Van der Wal, Tamme, Tonny Otjens & Jan Erik Wien

over het gebruik van modellen en data-bestanden ten behoeve van de planbureaufuncties (milieu- en natuurplanbureau) [DLO99]. In dit advies wordt de nadruk gelegd op efficiëntere en effectievere modelontwikkeling. Een ander advies is de roep om meer aandacht te hebben voor kwaliteitsborging van modellen. Een meer vernieuwend aspect in dit advies is de conclusie dat de ontwikkeling van een kennisintensief systeem zoals een model of expertsysteem veel méér is dan een onderzoeksresultaat. Het heeft organisatorische aspecten (beheer en onderhoud), het heeft strategische aspecten (welke systemen dienen onze doelen?) en niet in de laatste plaats heeft het ook financiële aspecten. Jarenlang zijn er wel modellen ontwikkeld maar het in de lucht houden ervan wordt nooit begroot. Vele organisaties zien zich tegenwoordig geconfronteerd met keuzes omtrent het ontwikkelen, beheren en exploiteren van (nieuwe) kennisintensieve systemen. Dit vraagt om een methodiek voor de vergelijking van investeringsbeslissingen (WAL2000b).

2. investeringsbeslissing De ontwikkeling van kennisintensieve systemen moet worden benaderd als een investering. Er is vermogen voor nodig (intellectueel én financieel kapitaal) en het moet een rendement opleveren (in meer dan financieel opzicht). Omdat het vermogen meestal beperkter is dan het aantal mogelijke investeringen zal er een investeringsselectie moeten plaatsvinden. De aantrekkelijkheid van een investeringsalternatief wordt vanuit bedrijfseconomisch oogpunt voornamelijk bepaald door de te verwachten rendementen en de risico's. Maar bedrijfseconomische argumenten zijn niet genoeg. Daarom is Information Economics (IE) ontstaan [PARKER1988]: een structuur voor de evaluatie van alternatieven van IT- investeringen binnen een organisatie. Hierbij staan de organisatiedoelen voorop en wordt een IT-investering beoordeeld op de bijdrage aan die organisatiedoelen. Voor IT-investeringen geldt, zeker die in kennisintensieve systemen, dat ze onderdeel uitmaken van de innovatie van een organisatie en van daaruit een bijdrage leveren aan de marktontwikkeling, en aan de interne efficiëntie. We gebruiken IE om de meerwaarde van raamwerken te demonstreren. In IE wordt de bijdrage van een investering aan marktpositie en business performance gerelateerd aan de verwachte kostenefficiëntie. IE onderscheidt 10 indicatoren in het bedrijfsdomein en in het technische domein. Juist voor IT-investeringen geldt dat er een directe koppeling (en impact) is van de marktstrategie en de inrichting van de organisatie met de (IT-)infrastructuur en (IT-)hulpmiddelen. Deze indicatoren zijn: Return on Investment (ROI), Strategic Match (SM), Competitive Advantage (CA), Competitive Response (CR), Management Information (MI), Organisational Risk (OR), strategic information Structure Alignment (SA), Definitional Uncertainty (DU), Technical Uncertainty (RU) en Infrastructure Risk IR). In de financiële afweging (slechts één van de tien indicatoren) moeten niet alleen de kosten van het tot stand brengen worden opgenomen maar ook de kosten van gebruik, beheer & onderhoud.

Toepassing van raamwerken verhoogt het rendement van kennisintensieve systemen.

Hierbij speelt natuurlijk een toekomstverwachting een belangrijke rol. De (mate van) onzekerheid die daarbij komt kijken is van groot belang bij de afwegingen. Door toepassing van IE kunnen investeringen in modelsystemen met elkaar worden vergeleken. Belangrijk daarbij is het toekennen van gewichten aan de verschillende indicatoren. Met deze gewichten kunnen prioriteiten aan de doelen van een organisatie worden gegeven. De gewichten zullen dan ook per organisatie verschillen. In onderstaand hypothetisch voorbeeld wordt prioriteit gegeven aan projecten die aansluiten bij de strategie van de organisatie, zowel in bedrijfsdoelen als in de informatie-infrastructuur. Elk project kan per indicator scoren van 0-5. Project Gewicht Project A Project B Project C

ROI 3 2 1 4

SM 6 2 4 5

CA 3 3 3 3

CR 3 4 4 4

MI 1 0 1 2

OR 3 1 4 1

SA 5 2 4 5

DU 2 2 3 2

TU 2 2 4 1

IR 2 2 4 1

value risk 49 68 88

15 34 11

IE is een ondersteunend systeem voor de keuzes in investeringsbeslissingen. De kwantificering van de indicatorwaarden is misleidend en de uitkomsten moeten dan ook niet als absoluut worden gezien. Op basis van de tabel kan wel een betere discussie worden gevoerd over welk project prioriteit moet krijgen.

3. raamwerkontwikkeling Context Voor het beantwoorden van complexe, multidisciplinaire omderzoeksvragen werden traditioneel modellen gekoppeld door de uitvoer van model A, eventueel na conversie, als invoer voor model B te gebruiken (zie figuur 1). Op deze manier werden complexe modelketens gegenereerd. Het vormen van deze ketens, dus het op elkaar laten aansluiten van modelapplicaties, is meestal niet eenvoudig. Elk model verwacht invoergegevens vaak volgens een eigen bestandsformaat of database en elk model maakt gebruik van een eigen gebiedsschematisatie.

Van der Wal, Tamme, Tonny Otjens & Jan Erik Wien

Figuur 1: traditionele koppeling van simulatieapplicaties tot een modelketen.

De ontwikkeling van gestandaardiseerde datamodellen hebben de complexiteit van het koppelen van simulatieapplicaties nauwelijks kunnen verminderen. Omdat elk model nog steeds uitgaat van een eigen gebiedsschematisatie zijn vertaalslagen nodig om modellen op elkaar te laten aansluiten, ondanks een gemeenschappelijk bestandsformaat of datamodel. Daarnaast zijn in bestaande simulatieapplicaties de modellen (rekenkernen) en generieke functionaliteiten als data-management en visualisatie vaak te veel met elkaar verweven om eenvoudig te kunnen delegeren aan andere modules in een procesketen. Door ontwikkeling en gebruik van raamwerken voor data- en modelintegratie kunnen bovenstaande aspecten worden verbeterd. Een veelgebruikte definitie van raamwerken wordt gegeven door Fayad et al. (1999). "A framework is a reusable design of a system that describes how the system is decomposed into a set of interacting objects". Een systeem wordt beschreven aan de hand van een set van interacterende objecten. Het raamwerk beschrijft niet alleen de objecten, maar ook de interactie tussen de objecten. Op deze manier vormt het raamwerk een herbruikbaar ontwerp voor verschillende toepassingen. Bij de koppeling van modellen en datasets met behulp van een framework verloopt de communicatie niet direct tussen de modellen en/of datasets, maar via het framework (figuur 2). Door te definiĂŤren aan welke interfaces modellen, datasets, visualisatie-

Toepassing van raamwerken verhoogt het rendement van kennisintensieve systemen.

componenten, etc. moeten voldoen hoeft slechts eenmalig een communicatiestructuur te worden ontwikkeld. Het ontwikkelen van simulatieapplicaties komt vervolgens neer op het ontwikkelen en hergebruiken van bouwstenen die de functionaliteit van modellen en generieke tools bezitten.

Figuur 2: koppeling van modellen en datasets met behulp van een framework.

De toepassing van modellen in de groene ruimte gaat niet over rozen. Eind jaren â&#x20AC;&#x2DC;90 is daarom een onderzoek uitgevoerd naar de behoeften van waterbeheerders op het gebied van modellen (http://waterland.net/riza/aquest/). Daaruit bleek onder meer dat het grootste knelpunt lag bij de koppeling tussen de vele modelapplicaties, gegevensbestanden en andere instrumenten die in het waterbeheer worden gebruikt. Dit â&#x20AC;&#x2DC;technischeâ&#x20AC;&#x2122; knelpunt was er tevens de oorzaak van dat de samenwerking op modelgebied tussen de vele partijen in het waterbeheer werd bemoeilijkt en dat de kosten voor beheer en onderhoud van modelapplicaties steeds moeilijker zijn op te brengen voor individuele partijen. Dit onderzoek heeft uiteindelijk geleid tot de ontwikkeling van het breed gedragen en gezamenlijk ontwikkelde en beheerde Standaard Raamwerk (www.genericframework.org) (WAL2000a), (OTJENS1999), (BLIND2001). Bij onderzoeksinstituut Alterra is begin 2000 eenzelfde soort onderzoek uitgevoerd naar de behoeften bij onderzoek en beleid in de ruimtelijke planvorming. Ook hierbij kwam de koppeling van data, modellen en kennis als grootste knelpunt naar voren. Bovendien werden systemen dermate specifiek op bepaalde kennisvragen ingericht dat ze daarmee niet breed inzetbaar waren. In 2001 is daarom een start gemaakt met het raamwerk GEOPS: digitaal integratiekader voor kenniskoppeling met een ruimtelijke (geo) component.

Van der Wal, Tamme, Tonny Otjens & Jan Erik Wien

4. case: geops Het is in de praktijk moeilijk gebleken om met procesmodellen beleidsopties door te rekenen op hun fysieke en sociaal-economische aspecten van de groene ruimte (o.a. in [WAL1999] en [WAL2000c]). Op het terrein van bestemming en inrichting van de groene ruimte is een geĂŻntegreerd instrumentarium nodig om de effecten van beleidskeuzen te bepalen. Voor de efficiĂŤntie van beleidsevaluatie is er vooral behoefte aan een instrument dat snel antwoord kan geven op uiteenlopende vragen, op grond waarvan meer gedetailleerd vervolgonderzoek kan worden uitgevoerd. Speciaal voor dat doel is GEOPS ontwikkeld. Het proces van raamwerkontwikkelingen (figuur 3) gaat uit van het beschrijven en modelleren van het toepassingsdomein, de domeinanalyse. Het doel van deze analyse is dan ook een beschrijving van dat domein, waarin verschillende applicaties ontwikkeld en zullen worden toegepast. Hiermee vormt een domeinanalyse een eerste aanzet om tot een architectuur te komen. Het resultaat van een domeinanalyse is een domeinmodel: een vereenvoudigde, abstracte afspiegeling van een toepassingsveld. De belangrijkste bijdrage van een domeinmodel is dat het een gemeenschappelijke taal vormt, een modelleertaal, voor specifieke problemen (of applicaties) in zo'n toepassingsveld.

Figuur 3: proces van raamwerkontwikkeling. Het domeinmodel van GEOPS wordt weergegeven in figuur 4 en geeft een abstracte beschrijving van het toepassingsdomein, nl. integratie van kennis, in de vorm van data en modellen, voor het kwantificeren van systeemeigenschappen. Op basis van de domeinanalyse is een architectuur ontwikkeld. Het raamwerk is de container voor de verschillende raamwerkcomponenten zoals een system composer, case manager en source solver. Deze generieke componenten zijn terug te vinden in vele modelapplicaties die voor beleidsevaluatie worden gebruikt.

Toepassing van raamwerken verhoogt het rendement van kennisintensieve systemen.

Naast een hulpmiddel voor de ontwikkeling van nieuwe modelapplicaties biedt GEOPS ook een integratiekader voor ruimtelijke kennis. Het geeft daarbij houvast aan het opslaan en relateren van informatie, regels daarover en andere meta-kennis. Door de gekozen architectuur biedt het ondersteuning voor het vastleggen, expliciteren van kennis. Door de eenduidige wijze van vastlegging is deze kennis ook eenvoudig over te dragen. Kennis in GEOPS bestaat uit data, regels, modellen en meta-informatie. GEOPS is ontwikkeld om op duurzame wijze de kennis over de groene ruimte te beheren en te gebruiken. Daarom is gekozen om het raamwerk niet op ĂŠĂŠn specifieke standaard te baseren. Het is niet afhankelijk van specifieke producten of data-formaten. Het kan met verschillende GIS-systemen en databases overweg. Ook ten aanzien van modelengines of â&#x20AC;&#x201C;solvers stelt het raamwerk zich open op.

Medio 2002 zijn er drie model-applicaties ontwikkeld met GEOPS. Voor elke toepassing is een eigen user-interface ontwikkeld, afgestemd op de specifieke doelgroepen en specificaties. De tweede en derde applicatie zijn gelijktijdig ontwikkeld. Hierdoor konden verschillende componenten direct voor hergebruik worden ontwikkeld. Het terugverdienen van de investeringen in het raamwerk, puur financieel gesproken, zal nog wel enkele projecten op zich laten wachten. Vanuit strategisch oogpunt echter zijn de investeringen nu al lonend. De verschillende applicaties hebben elkaars userinterface componenten kunnen hergebruiken. Verder hebben alle model-applicaties dezelfde architectuur waardoor de daarin gebruikte kennis ook voor de andere applicaties kan worden ontsloten. Ook bleken de generieke componenten als stabiele bouwblokken te kunnen worden beschouwd, ook al zijn er in het kader van deze projecten uitbreidingen op geweest.

Van der Wal, Tamme, Tonny Otjens & Jan Erik Wien

5. conclusies Project 1 in Tabel 1 zou heel goed een traditionele modelsysteem-ontwikkeling kunnen zijn, bijvoorbeeld in het kader van een project: Laag organisatorisch risico, bescheiden return-on-investment en redelijk beheersbare technische risico’s omdat nergens rekening mee hoeft te worden gehouden. Project 2 in Tabel 1 zou dan een raamwerkontwikkeling kunnen zijn. De ontwikkeling van het raamwerk zelf zal een matige return-on-investment laten zien omdat het in eerste instantie een extra activiteit is. Het raamwerk sluit wel goed aan bij de strategische organisatiedoelen en bij de informatie-infrastructuur. Op dat punt scoort het hoog. Raamwerkontwikkeling levert wel een groter risico op, omdat er vanwege het generieke karakter veel meer partijen bij betrokken zullen zijn én vanwege de a priori nog open en flexibele invulling. Dat het allemaal toch de moeite waard is blijkt uit de scores van Project 3. Project 3 is een modelsysteem dat mét een bestaand raamwerk wordt ontwikkeld. Het heeft daardoor een hoge return-on-investment, direct een strategische aansluiting en zeer lage risico’s. Ten aanzien van ‘competitive advantage’ of ‘competitive response’ hebben we alle projecten evenveel laten scoren, maar het is niet moeilijk voor te stellen dat het hebben van een raamwerk, met de daarbij horende lagere time-to-market en lagere risico’s wel degelijk een competitief voordeel kan zijn. Eén van de projecten betreft een redesign en rebuild van een bestaand systeem. Ten opzichte van de software-ontwikkeling van het oorspronkelijke systeem is de redesign en rebuild een factor 4 goedkoper. Deze factor wordt naast het gebruik van GEOPS natuurlijk ook bepaald door andere factoren zoals het uitgekristalliseerd zijn van gebruikswensen. Door het redesign en het gebruik van het GEOPS raamwerk is de huidige applicatie flexibeler en generieker en is koppeling met andere systemen vele malen eenvoudiger.

Toepassing van raamwerken verhoogt het rendement van kennisintensieve systemen.

literatuur Blind, M.W., L. Wentholt, B. van Adrichem and P. Groenendijk, "The Generic Framework - An Open Framework for Model Linkage and Rapid Decision Support System Development", Paper to be presented at the ModSim 2001 conference, Canberra. (BLIND2001) Informatietechnologie voor kennisintensieve systemen, Advies aan de raad van bestuur, ad hoc werkgroep. Intern document, 1999. [DLO1999] Otjens, T., Framework voor simulatiesoftware. Agro-informatica 12 (1999), 4: 20-22. [OTJENS1999] Information Economics: Linking Business Performance to Information Technology, Marilyn M. Parker, IBM Corporation, Robert J. Benson, Washington University, St. Louis, H.E.Trainor, Flying Tigers International, ISBN: 0-13-464595-2, Prentice Hall, Copyright 1988. [PARKER1988] Wal, T. van der, Ruimtelijke modellen in de groene ruimte. Agro-informatica 12 (1999), 4: 3-4. [WAL1999] Wal, T. van der (red.), Architectuur standaard raamwerk water. Wageningen, Alterra, 2000. Alterra-rapport 072 / Stowa Rapp. 99-16 / Riza Rapp. 99.063, 116 blz. [WAL2000a] Wal, T. van der, IT voor kennisintensieve systemen in Wageningen UR. Agro-informatica 13 (2000), 1: 27-28. [WAL2000b] Wal, T. van der en H. van Waveren, Ontbreken semantische meta-informatie bemoeilijkt koppeling ruimtelijke modellen. Vi Matrix 8 (2000), 1: 30-32. [WAL2000c] Wal, T. van der & M.J.B. van Elswijk, Generic framework for hydro-environmental modelling. In: Generic framework water program & related projects in the Netherlands; papers presented at the Hydroinformatics 2000 conference, July 22-27, Cedar Rapids, IA, USA. S.l., s.n., 2000. RIZA Work. Paper 2000.039X / STOWA Work. Paper 2000-W-01 / RIKZ Work. Paper RIKZ/OS/2000.110X, pp. 9-12. [WAL2000d] Fayad, M.E., D.C. Schmidt and R.E. Johnson, Building Application Frameworks, 1999.

De ondernemer centraal, toepassing spelsimulatie mineraalmanagement in project Praktijkcijfers Focus on the entrepeneur, use of Game Simulation Dairy in nutrient management. A.C.G. Beldman & C.H.G. Daatselaar

Landbouw Economisch Instituut Postbus 29703 2502 LS Den Haag telefoon: 070 335 83 30 fax: 070 361 56 24 e-mail: a.c.g.beldman@lei.wag-ur.nl

abstract The first phase of the project Farm Data in Practice (FDP, Project Praktijkcijfers in Dutch) focused on Good Agricultural Practice. GAP was translated in feeding and fertilizing according standard advice, so it strongly focused on operational management. This method did not result in lower nutrient surpluses in the period 1997-1999. Analysis of the data of the farms showed that surpluses mainly depended on management rather than on farm structure. The second phase of the project focused on the farmer, the entrepreneur. The farmer made a strategic plan for his farm. The adviser supported the farmer in the process. Game Simulation Dairy (GSD) was used as a tool to support the process. GSD works with the data of the entrepreneurâ&#x20AC;&#x2122;s own farm. The farmer can choose from a number of management changes. The simulation calculates consequences of management changes the farmer has chosen for technical and economical results. The farmer can add or remove changes if he is not satisfied with the plan. A first evaluation of this approach showed that the farmers were very satisfied. About 80% of the farmers was satisfied with the plan (realistic). About 70% of the farmers indicated that they wanted to use the programme more often.

trefwoorden: strategievorming, spelsimulatie, ondernemen, mineralenmanagement

Beldman, A.C.G. & C.H.G. Daatselaar

1. inleiding Het project Praktijkcijfers 2 is in 2000 van start gegaan. De primaire doelstelling van Praktijkcijfers 2 is dat de deelnemers aan de slag gaan met verbetering van het mineralenmanagement en versterking van de positie van de deelnemers als agrarisch ondernemer. De aanpak die voor de deelnemende melkveebedrijven is gekozen droeg de titel â&#x20AC;&#x2DC;De ondernemer centraal in mineralenmanagementâ&#x20AC;&#x2122;. De aanpak is vormgegeven door het LEI in nauwe samenwerking met de projectorganisatie van Praktijkcijfers 2. In dit stuk wordt eerst ingegaan op de achtergrond van de keuze voor deze aanpak. Vervolgens wordt ingegaan op de gevolgde werkwijze en op de resultaten die dit heeft opgeleverd.

2. ervaringen praktijkcijfers 1 (1997-1999) In het eerste project Praktijkcijfers ging een grote groep ondernemers aan de slag met mineralenmanagement. In dit project lag de nadruk vooral op werken volgens de Goede Landbouw Praktijk (GLP). Impliciet houdt deze werkwijze in dat men ervan uitging dat in de uitgangssituatie niet volgens GLP werd gewerkt. In de praktijk betekende dit dat in het project veel nadruk werd gelegd op het opvolgen van de voedings- en bemestingsadviezen. De nadruk kwam hiermee vooral op de operationele bedrijfsvoering te liggen met beperkte aandacht voor de tactische en vrijwel geen aandacht voor de strategische aspecten. De verwachting was dat dit zou leiden tot lagere overschotten. Dit bleek echter niet het geval. De overschotten op de melkveebedrijven zijn in deze periode niet gedaald. De overschotten van de bedrijven die aan Praktijkcijfers meededen bleken ook nauwelijks lager dan die van vergelijkbare bedrijven uit het bedrijven-informatienet (BIN). Een belangrijke oorzaak hiervan is dat niet gericht werd gestuurd op overschotten. Het overschot kwam tot stand als een resultante van beslissingen op operationeel niveau (Beldman 2001 (a) + (b)). Met andere woorden: het werken volgens GLP biedt geen garantie voor lage overschotten. In een kwantitatieve analyse van de resultaten van Praktijkcijfers is gekeken naar de relatie tussen structuurkenmerken en het stikstofoverschot. Als structuurkenmerken werden meegenomen: grondsoort, aandeel grasland, aandeel akkerbouw, melkproductie per hectare en aanwezigheid intensieve veehouderij. Uit deze analyse bleek dat van het stikstofoverschot 26% van de verschillen uit bovenstaande structuurkenmerken kon worden verklaard. Het overgrote deel wordt dus uit andere factoren verklaard. In figuur 1 is de melkproductie per hectare uitgezet tegen het stikstofoverschot. (Breembroek, 1998). Uit de figuur blijkt dat er geen duidelijk verband is tussen de intensiteit van het bedrijf (in kg melk per hectare) en het stikstofoverschot.

De ondernemer centraal, toepassing spelsimulatie mineraalmanagement in project Praktijkcijfers.

Figuur 1: stikstofoverschot na aftrek van stikstofcorrectie in relatie tot melkproductie per hectare (project Praktijkcijfers 1997).

In een kwalitatieve evaluatie op basis van een beperkte groep deelnemers aan het project Praktijkcijfers worden enkele conclusies getrokken ten aanzien van de werkwijze van het project. Mede gebaseerd op de hiervoor al genoemde kwantitatieve evaluatie wordt afgeleid dat de ondernemer centraal moet staan in het project. Het project treedt op als katalysator. Een andere conclusie is dat de deelnemers vonden dat in het project de theorie nog te veel werd voorop gesteld: zo zou het moeten op de bedrijven. Voor het gevoel van de deelnemers werd te weinig rekening gehouden met de alledaagse realiteit in de bedrijfsvoering. (Proost, 2001)

3. werkwijze strategievorming praktijkcijfers 2 3.1 algemene aanpak Mede op basis van de hiervoor genoemde ervaringen is in Praktijkcijfers 2 bij de melkveehouders een andere aanpak gekozen die bestaat uit de volgende kernpunten: â&#x2013; De ondernemer centraal. â&#x2013; Mineralenmanagement in een strategisch kader. Ad 1. Het initiatief ligt dus bij de ondernemer, project en adviseur ondersteunen hierbij. De ondernemer is zelf verantwoordelijk voor het plan dat wordt opgesteld en ook voor de uitvoering daarvan. Binnen de aanpak is nog steeds sprake van kennisoverdracht, maar dan veel meer gebaseerd op de vraag van de ondernemer en minder op de beschikbare kennis van de adviseur. De adviseur vervult vooral de rol van procesbegeleider, hij stelt de juiste vragen om zo te helpen bij de juiste afweging van maatregelen.

Beldman, A.C.G. & C.H.G. Daatselaar

Ad 2. Een melkveehouder is geen melkveehouder geworden om zich primair met mineralenmanagement bezig te houden. Zijn missie en doelstellingen richten zich op andere aspecten van het bedrijf. In het proces wordt daarom begonnen bij die missie en doelstellingen, vervolgens wordt gekeken hoe de Minas-randvoorwaarden daarin ingepast kunnen worden. Concreet bestond de aanpak uit twee groepsbijeenkomsten. In de eerste groepsbijeenkomst werd in samenwerking met een ervaren mineralenmanager (een collegamelkveehouder) uitleg gegeven over de werkwijze van strategievorming. Mineralenmanagement op zich kwam niet direct aan bod. Aan de ondernemer werd gevraagd wat zijn missie is: ‘Waarom bent u melkveehouder, wat streeft u na met uw bedrijf?’. Tevens werd hem gevraagd aan te geven wat de sterke en zwakke punten van het bedrijf, de bedrijfsvoering en de ondernemer zijn. Ook werd kort ingegaan op de analyse van zijn omgeving: ‘Wat komt er op u af?’. Tenslotte werd de vraag voorgelegd ‘Wat wordt uw concrete doelstelling voor deelname aan het project?’. Daarbij werd voor het eerst gericht gevraagd naar mineralenmanagement. Al deze zaken zijn vastgelegd in een persoonlijk document: het Strategisch Management Rapport (SMR). Via deze vragen is toegewerkt naar het bedenken van mogelijke strategieën voor de toekomst. In de tweede bijeenkomst werd deze strategie concreet uitgewerkt met behulp van een computerprogramma, de Spelsimulatie Melkvee (GSD, Game Simulation Dairy). De groepen bestonden uit 10-18 personen. Het aantal begeleiders varieerde, er waren steeds minimaal twee begeleiders die het programma goed kenden. Daarnaast was bij elke bijeenkomst een regiocoördinator van het project aanwezig.

Spelsimulatie Melkvee Met de Spelsimulatie Melkveehouderij ofwel Game Simulation Dairy (GSD) (Hennen, 1995) kan de ondernemer op basis van zijn eigen bedrijfsgegevens de effecten van maatregelen op economie en mineralen doorrekenen. Het programma bevat zowel meer algemene strategische maatregelen als maatregelen die meer specifiek op mineralenmanagement zijn toegespitst: bemesting, voeding en voerproductie. De ondernemer werkt zelf met het programma en kan zo tot een goede afweging komen van (pakketten van) maatregelen. In tabel 1 staan de maatregelen per categorie weergegeven. Een belangrijk punt bij het programma is dat met de eigen bedrijfsgegevens wordt gewerkt. Als geen bedrijfseigen gegevens beschikbaar zijn dan kan de met behulp van een ander programma een fictief bedrijf worden aangemaakt dat zo goed mogelijk op het eigen bedrijf lijkt. De ondernemer stelt zelf een maatregelenpakket samen. Het programma is vrij eenvoudig te bedienen en werkt volgens drie stappen: ■ Maatregel kiezen (b.v. bemestingsniveau verlagen) ■ Maatregel kwantitatief invullen (b.v. bemestingsniveau verlagen met 50 kg N per hectare) ■ Effect van maatregel bekijken.

De ondernemer centraal, toepassing spelsimulatie mineraalmanagement in project Praktijkcijfers.

Na stap 3 komt de gebruiker weer terug in het maatregelenscherm, de reeds gekozen maatregel kan worden aangepast. Ook kan de gekozen maatregel worden gecombineerd met andere maatregelen. Zo kan de gebruiker spelenderwijs een passend maatregelenpakket opbouwen. De maatregelen waaruit gekozen kan worden zijn vermeld in tabel 1.

Tabel 1: maatregelen in gsd.

Bemesting: ■ Wijzigen N-bemestingsniveau grasland ■ Verbeteren N-benutting organische mest ■ Verlagen fosfaatbemesting uit kunstmest

Voeding en voerproductie: ■ ■ ■ ■ ■ ■

Verbeteren voeren graslandmanagement Wijzigen beweidingssysteem Beregenen Verlagen P-gehalte in krachtvoer Verlagen eiwitgehalte in krachtvoer (DVE) Wijzigen krachtvoergift per koe

Strategisch: ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

Verhogen melkproductie door betere fokkerij Wijzigen bedrijfsoppervlakte Wijzigen verhouding gras:maïs Wijzigen quotum Wijzigen jongveebezetting Toepassen melkrobot Omschakelen naar biologisch Afstoten van intensieve tak

4. resultaten aanpak de ondernemer centraal 4.1 gemaakte plannen De gegevens van 168 deelnemende melkveebedrijven zijn geanalyseerd. In tabel 2 staan enkele kenmerken van de deelnemende bedrijven vermeld. De resultaten van de gemaakte plannen worden per regio weergegeven. De regio Noord bestaat uit de provincies Friesland, Groningen, Drenthe en Flevoland, de regio Oost uit Overijssel, Gelderland en Utrecht, de regio West uit Noord- en Zuid-Holland en de regio Zuid uit Noord-Brabant, Zeeland en Limburg.

Beldman, A.C.G. & C.H.G. Daatselaar

Tabel 2: bedrijfsopzet en overschrijding eindnormen in uitgangssituatie.

De bedrijven van de 168 deelnemers hebben gemiddeld een vrij grote omvang met een melkquotum van ruim 560.000 kg en bijna 42 hectare grond, waarvan bijna 33 hectare gras, bijna 8 hectare maĂŻs en ruim 1 hectare akkerbouw. Er worden gemiddeld 70 koeien gemolken met een productie van bijna 8.500 kg FPCM per koe. De bedrijven zijn vrij intensief met zoâ&#x20AC;&#x2122;n 15.300 kg FPCM per hectare. Bij een gemiddeld vetgehalte van 4,38 % is dit 14.532 kg melk per ha. De N-verliesnorm wordt overschreden met 71 kg/ha. Tabel 3 geeft een overzicht van de meest gekozen maatregelen. Tabel 3: meest gekozen maatregelen door alle bedrijven en per regio.

Uit tabel 3 blijkt dat de nadruk bij de maatregelen op grasland en quotumuitbreiding ligt. Het verlagen van het stikstofbemestingsniveau op het grasland wordt het meest gekozen, direct gevolgd door uitbreiding van het melkquotum.

De ondernemer centraal, toepassing spelsimulatie mineraalmanagement in project Praktijkcijfers.

Voedingsmaatregelen zijn minder in beeld dan maatregelen op het terrein van bemesting en graslandmanagement. Tussen de regioâ&#x20AC;&#x2122;s komen verschillen voor. Zovalt de regio Noord op doordat vaker wordt gekozen voor verlaging van het stikstofbemestingsniveau ĂŠn voor het vergroten van het melkquotum. Deze regio kiest minder vaak voor het verlagen van de jongveebezetting en verwacht een geringere stijging van de melkproductie per koe. Deze combinatie wijst op een consistent maatregelenpakket. Het jongvee is op deze bedrijven nodig om het quotum vol te krijgen, bovendien zal het door uitbreiding van het quotum ook moeilijk zijn om de melkproductie per koe snel te verhogen. Het verlagen van het stikstofbemestingsniveau is nodig om de Minas-eindnorm te halen. In de derde stap worden de resultaten van de spelsimulatie gepresenteerd. In tabel 5 wordt het gemiddelde resultaat van de plannen voor de overschrijding van de stikstofverliesnorm en het inkomen weergegeven. Gemiddeld voldoen de deelnemers op basis van hun plan aan de stikstofverliesnorm. Het inkomenseffect is gemiddeld bijna 11.000 euro. Dit inkomenseffect is berekend door het planresultaat te vergelijken met de uitgangssituatie gecombineerd met de heffingen van 2003. Zonder de heffingen is er vrijwel geen inkomenseffect. Tabel 5: veranderingen overschrijding stikstofverliesnorm en inkomenseffect.

Ongeveer driekwart van de bedrijven heeft een plan gemaakt waarmee de stikstofeindnorm vrijwel wordt gehaald. Tussen de bedrijven komen grote verschillen voor in de plannen. Elke ondernemer zoekt zijn eigen weg. De richting van de weg hangt voor een deel samen met de bedrijfsopzet, maar heeft ook vooral te maken met de eigen doelstellingen en visie van de ondernemer. Meer gedetailleerde analyses van de strategische plannen zijn beschreven in een rapport van het project Praktijkcijfers (Beldman, 2002).

Beldman, A.C.G. & C.H.G. Daatselaar

4.2 evaluatie De evaluatie van de gevolgde aanpak wordt volgens twee sporen uitgevoerd. Het eerste spoor is een onderzoek van Agro Management Tools (AMT) naar de inzet van de tool GSD. Dit onderzoek is uitgevoerd in de vorm van een enquête onder de deelnemers en interviews met begeleiders. Deze enquête is geruime tijd (minimaal 8 maanden) na de uitvoering van de spelsimulatie gehouden. Het tweede spoor is een evaluatie van de uitgezette strategie door de deelnemers zelf. Omdat de plannen in feite voor het jaar 2003 zijn gemaakt en het project Praktijkcijfers in 2002 afloopt kan dit niet zeer gedetailleerd gebeuren. Het is wel de bedoeling om de feitelijke bedrijfsresultaten van 2002 naast het gemaakte plan uit het jaar 2000 te zetten om zo in elk geval op hoofdlijnen na te gaan in hoeverre men op schema ligt. Deze analyse zal in 2003 worden uitgevoerd. AMT heeft een uitgebreid onderzoek gedaan naar de toepassing van de spelsimulatie (Kuiper, D. 2002). Enkele kwantitatieve resultaten uit de enquête: ■ 80% van de gebruikers vindt het programma voldoende gebruikersvriendelijk. ■ 70% van de gebruikers vindt begeleiding bij het werken met het programma noodzakelijk. ■ 80% van de gebruikers vindt dat de discussie met begeleiders en collega’s een belangrijke rol vervult. ■ 80% van de gebruikers is direct na afloop tevreden over het plan (reëel en uitvoerbaar). Na één jaar is dit nog 70%. Dit percentage daalt omdat omstandigheden in of om het bedrijf in sommige gevallen zijn gewijzigd. ■ 70% van de gebruikers wil graag nogmaals aan de slag met het programma.

Als sterke punten van het programma worden door de deelnemers genoemd: ■ ■ ■ ■

combinatie van milieu en economie; snel verkrijgen van inzicht; overzichtelijkheid; toepassing in groepsverband.

Zwakke punten zijn: ■ ■ ■ ■ ■

beschikbaarheid van bedrijfseigen gegevens; huidige situatie is soms alweer veranderd ten opzichte van beschikbare gegevensset; black-box aard van het programma; praktische uitvoerbaarheid van maatregelen; financieel resultaat kan verder worden uitgewerkt (nu alleen bedrijfseconomisch).

Een van de conclusies die op basis van de enquête wordt getrokken is dat het zelfstandig aan de slag gaan heeft geleid tot een actieve en gemotiveerde planvorming voor het eigen bedrijf. Ook wordt aangegeven dat het plan tot concrete vervolgacties

De ondernemer centraal, toepassing spelsimulatie mineraalmanagement in project Praktijkcijfers.

leidt. Het wordt besproken met begeleiders, familieleden en anderen. De begeleiding is essentieel. Een goede begeleiding kan voorkomen dat maatregelen worden genomen die niet reëel zijn. De algemene conclusie die in het rapport wordt getrokken is dat de spelsimulatie een bruikbaar instrument is gebleken bij het versterken van het vertrouwen dat men op een economisch verantwoorde wijze de Minasnormen kan halen, bij het ontdekken van de oorzaken van mineralenverliezen en mogelijke oplossingen en bij de afweging en uiteindelijke keuze van het pakket van maatregelen.

5. discussie De inzet van het instrument in het project Praktijkcijfers kent veel aspecten. In de discussie worden vier aspecten eruit gelicht: ■ het instrument zelf; ■ bedrijfseigen gegevens; ■ instrument in context; ■ rol begeleider/adviseur.

Het instrument zelf Bij de Spelsimulatie Melkvee kan uit een beperkt aantal maatregelen worden gekozen. Dit aantal mag niet veel groter worden, anders raakt men het overzicht kwijt. Uit de bijeenkomsten kwamen diverse wensen naar voren voor extra maatregelen. Er waren echter nauwelijks maatregelen die door een groot aantal deelnemers werden genoemd. Een vrij algemeen geplaatste opmerking was dat het economisch resultaat niet op bedrijfseconomische grondslag, maar meer op basis van werkelijke geldstromen weergegeven zou moeten worden. Aan deze aanpassing wordt inmiddels gewerkt.

Bedrijfseigen gegevens Eigen bedrijfsgegevens worden als cruciaal gezien voor het maken van een goed plan met behulp van de spelsimulatie. Dit lijkt erg logisch, toch blijkt in de praktijk dat de gegevens lang niet altijd beschikbaar zijn. Ook hier geldt de eigen verantwoordelijkheid van de ondernemer. In principe is het zijn taak (en niet die van de adviseur) om ervoor te zorgen dat de gegevens beschikbaar zijn. Waarschijnlijk kan het werken met de spelsimulatie juist een stimulans zijn om meer gegevens van het bedrijf te (laten) vastleggen.

Instrument in context In het project Praktijkcijfers is de spelsimulatie als middel ingezet om een doel te bereiken. Bovendien heeft de spelsimulatie een plek in een totaaltraject. In Praktijkcijfers is de spelsimulatie ingezet ter ondersteuning van de strategievorming

Beldman, A.C.G. & C.H.G. Daatselaar

van de deelnemers. Gezien de reacties van de gebruikers kan worden gesteld dat de tool succesvol is ingezet. Dit hangt voor een deel samen met de eigenschappen van het instrument zelf, maar het hangt ook samen met de manier waarop het wordt ingezet. Het instrument moet een duidelijke plaats hebben in een bepaald traject, de ondernemer is zelf verantwoordelijk voor zijn eigen plan, de begeleider ondersteunt de ondernemer bij de planvorming. De follow-up nadat het plan is gemaakt is belangrijk. Bij deze toepassing werd dit door het project verzorgd. Buiten het projectverband moet dit vervolg goed worden ingevuld, bijvoorbeeld door het plan verder uit te werken tot een actieplan met evaluatiemomenten. Mede op basis van de ervaringen met het instrument wordt nadrukkelijk gekozen voor toepassing in een strategisch kader met inzet van begeleiding.

Rol begeleider/adviseur De spelsimulatie neemt niet de rol van de adviseur over. De gebruikers hebben in de evaluatie duidelijk aangegeven dat de begeleider een belangrijke rol heeft gespeeld bij de dag waarop zij met de spelsimulatie aan de slag gingen. De adviseur krijgt wel een andere rol. Tot nu toe was het misschien zo dat de adviseur zelf een plan maakte voor de ondernemer om aan de Minas-normen te voldoen. Nu ligt de bal duidelijk bij de ondernemer. De rol van de adviseur is meer die van procesbegeleider. Door vooral vragen te stellen kan hij ervoor zorgen dat er een plan wordt gemaakt dat past bij de ondernemer en zijn bedrijf, en dat ook uitvoerbaar is. Het stellen van kritische vragen, soms stimulerend, soms remmend is een belangrijke factor voor een succesvolle toepassing van het instrument.

De ondernemer centraal, toepassing spelsimulatie mineraalmanagement in project Praktijkcijfers.

literatuur Beldman, A.C.G., C.J.M. Ondersteijn, mei 2001 (a), Mineralenbalansen 1997-1998-1999 in: Analyse mineralenmanagement Praktijkcijfers 1. Project Praktijkcijfers 2, Houten. Beldman, A.C.G., C.H.G. Daatselaar, C.J.M. Ondersteijn, mei 2001 (b), Praktijkcijfers 1 versus BIN: groepsvergelijking van bedrijven met melkvee in: Analyse mineralenmanagement Praktijkcijfers 1. Project Praktijkcijfers 2, Houten. Beldman, A.C.G., Strategisch mineralenmanagement van melkveehouders, september 2002. Boekje 2 uit de serie Praktijkcijfers boekt resultaat. Praktijkcijfers 2, Houten. Hennen, W.H.G.J., januari 1995, Detector, Knowledge-based system for dairy farm management support and policy analysis. Onderzoeksverslag 125, Lei, Den Haag. Breembroek, J. H. Siemes, oktober 1998, Deelrapportage resultaten 1997 Analyse mineralenbalansen. Project Praktijkcijfers, Arnhem. Kuiper D, C.T. Smit, B.W. Zaalmink, juni 2002, De Spelsimulatie Melkvee Ervaringen van deelnemers en begeleiders bij Praktijkcijfers 2, Agro Management Tools rapport no. 10, Wageningen. Proost J., 2001, De mens achter de cijfers. Project Praktijkcijfers, Houten.

The integration of monitoring and decision support systems in Dutch horticulture P.G.H. Kamp & W.M.P. van der Veen

Westland Energie Services Nieuweweg 1 2685 AP Poeldijk The Netherlands e-mail: peter.kamp@westlandenergie.nl wim.vanderveen@westlandenergie.nl

1. introduction In the Netherlands, horticulture is an important part of the agricultural production sector. Greenhouse cultivation is very intensive, as well in crop handling (labour) as in product investments and energy use. Westland Energie Services is a company providing greenhouse growers with energy itself as well as with information about their pattern of energy consumption, and also with advice on how to improve the efficiency of energy-use with respect to crop production. The latter aspect requires accurate knowledge about the energy demands of crop and greenhouse, and how the growth and production rate is affected by environmental conditions such as radiation, temperature, humidity, and carbon dioxide level.

2. background of the project Greenhouse cultivation of vegetables, cut flowers and ornamentals is changing more and more from a supply to a demand driven production. Growers have to produce just in time the right amount of product of a high and constant quality. Furthermore growers are faced with the increasing governmental and public demand to grow their crops as environmentally sound as possible. This implicates reducing as much as possible the input of fossil fuels for heating and of chemicals for controlling pests and diseases, as well as to optimise plant growth and development. The production aims can only be achieved by using accurate climate control devices, and optimal control strategies. Prediction of the short and long term effects of changes in greenhouse and outside climate

Kamp, P.G.H. & W.M.P. van der Veen

conditions and their effects on production and development of the crop are therefore very important.

3. project description Universities and institutes have developed several simulation models to predict plant growth and greenhouse climate based on actual local weather and weather forecast. These research models can be used to calculate the resulting changes in the greenhouse conditions when changing one of the factors, e.g. increasing the temperature or carbon dioxide level. Alas these models are in general not very user-friendly nor do these models offer a complete image of everything that is happening inside the greenhouse. The scope of the present project is to integrate the best of these models into one programme and to present the resulting data to the growers in a user-friendly way. The first step is to collect in real-time and to present all the relevant data, to calculate the required amount of energy based on a simple model, and to predict disturbances (equipment, control settings and weather) in inside greenhouse climate conditions. The second step is to integrate more sophisticated models in order to enable reliable long-term predictions on use of energy and production of crop. In addition, a module for sampling the grower’s greenhouse characteristics will be used. Finally, the system should be a decision support system for the grower, by storing and recalling proven strategies for specific crop and climate conditions, and by calculating the long-term costs and yields of those strategies. The grower thus can optimise the use of energy for heating, supplementary lighting and carbon dioxide dosage while at the same time optimising his production.

4. system approach A complete system contains five distinctive parts: ■ On-site monitoring of greenhouse climate, energy use and crop production of commercial growers. ■ Prediction of greenhouse climate using state-of-the-art greenhouse models, based on (predictions of) outside weather conditions and characteristics of equipment. ■ Prediction of crop growth and development by using short and long term crop models. ■ Analysis of relationships between energy consumption, greenhouse climate and crop production by statistical comparison of the results of a range of greenhouses. ■ Decision support for the grower.

The integration of monitoring and decision support systems in Dutch horticulture.

4.1 brief description of each part 1.

Monitoring of greenhouse climate control

On site a dedicated computer system is installed, for collecting real-time data from the climate controller. Climate data from each department and from outside is sampled every minute (if possible), as well as energy use, and heat, electricity and carbon dioxide production. If possible, the system will also collect data from production, labour and treatment registration systems. Otherwise, the grower will have to enter these data manually. To ensure the quality of data and to enhance the use of the system, it is important that the grower easily can access all the features. Therefore, a graphical interface (click and go) is required. To enhance user support, remote access to the system is possible. The importance of user support and continuous development should be emphasised: there exist no final systems (yet), so each system that is not supported and updated will soon become extinct. Easy ways for a user to get support will increase his commitment and feedback, and aid in development. Remote access reduces operating costs, and lowers the threshold for contacting the support department. Finally, access to the data is restricted, so that no one unauthorised can use it. This is a requirement for the grower; most of them wonâ&#x20AC;&#x2122;t go without it.

Prediction of greenhouse climate

State-of-the-art greenhouse and control models will be used to compute the inside greenhouse climate, taking into account the outside weather conditions and the characteristics of the greenhouse and the technical installations inside. Also, models will be used to calculate the internal transport and the exchange of heat, water vapour and carbon dioxide. The acquired data will be analysed in order to do parameter estimation of the greenhouse. This can be done on site, and automatically. It is an essential requirement of the system, because it would take a lot of effort to tune all parameters manually. In order to do estimations and to produce reliable parameters, stable situations have to be recognised. Knowledge of the relevant systems is required, but since most greenhouses and crop varieties differ from each other, no exact criteria can be stated that produce parameters useful for each and every location or crop. Fuzzy systems and neural nets will be applied for this, and care has to be taken that estimated parameters will remain between realistic bounds.

Prediction of crop

Effects of changes in indoor greenhouse climate conditions on crop behaviour, resulting either from changes in outdoor weather conditions or from grower-made decisions, will be calculated using crop models, and visualised. Climate conditions (radiation, temperature, carbon dioxide and humidity) and cultivation conditions

Kamp, P.G.H. & W.M.P. van der Veen

(plant density, light transmission) are taken into account. These crop models calculate actual photosynthesis, respiration and transpiration, as well as long-term growth: dry and fresh weight increase of plants and dry matter distribution and weight and quality of harvest fruits or flowers. It is possible to adjust parameters for light interception, photosynthesis, carbon dioxide uptake, evaporation, and leaf development. At the moment, models for calculating photosynthesis, transpiration and especially growth and development of (greenhouse) vegetables have been studied more extensively than for cut flowers and ornamental plants. However, since the basic mechanisms of the models are quite similar, a good, modularly built model should be applicable to other horticultural crops as well. Although, especially when considering cut flowers and ornamental plants, quality has to be modelled as well. This will not be easy since quality is not easy to measure. Right now, research models of tomato and sweet pepper are already available. A lot of effort is being done to integrate the first model into the Dymos system. At the moment, the connection from database to tomato model is close and test runs can be done in a graphical environment. This is of great use in (a) debugging the research model, (b) determining the way to represent data, especially for long-term crop-growth, and (c) for experimenting with climate scenario’s. Here already some striking results emerged, yet to be validated, but in agreement with growers ‘green thumb’.

Statistical data analysis

The acquired data also will be analysed in order to analyse trends between climate controller settings, outside weather conditions, greenhouse climate, crop production, energy consumption, etc. Since this concerns the comparison of several greenhouses and control strategies, it will be done off-site. The purpose of this is, to provide the grower with useful guidelines for developing his own strategies. Due to differences between all of the sites and crop varieties, there can not be one exact optimal strategy. By use of guidelines, the grower can be assisted in evaluating different strategies, and finally decide himself which strategy is best to satisfy the demands of his specific market.

Decision support

Several levels of decision support are or will be implemented, in the range from low-level detection of control stability to high-level long-term cost and yield analysis. In order to do this, first of all, data from all levels (measurements, control strategies, cost and yield determining factors) is required. The second step is the ability to compute or predict specific variables (for example: instability, greenhouse temperature, energy and crop yield). The third step is evaluating different scenario’s. The final step is to present the results in a comprehensive way so that the grower will be able to decide which way to go.

The integration of monitoring and decision support systems in Dutch horticulture.

Depending on the level of existing knowledge, decision support can be more or less automated. For example, a warning of temperature going out of range can already be realised on the first level. But since most climate controllers are capable of doing this as well, and since this requires quite a lot of values to be entered, considering all the variables collected, this is not a very useful application. More intelligence is required to do decision support on the second level. This can very well be done, since a lot of knowledge is available and can be automated as well. This goes beyond the capabilities of actual climate controllers and therefore will be a useful feature. When going to the last steps, complete automation is not yet possible, and probably even not desirable, since it concerns the growerâ&#x20AC;&#x2122;s economical strategies. But what is desirable is, to provide the grower with accurate predictions of cost and yield determining factors. Both short and long term predictions can be useful, if the input can be manipulated, thus enabling the grower to evaluate different scenarios. Manipulating the input is possible by changing the (virtual) set points for example temperature and lighting or shading, or by selecting a specific set of outside climate conditions: good, fair or bad weather. For short-term predictions, weather predictions will be included. Finally, the selected results from the different scenarioâ&#x20AC;&#x2122;s will be presented to the grower, who has to decide whether or not to implement one of these scenarioâ&#x20AC;&#x2122;s by entering the setpoints into the climate controller.

5. actual status Starting from April 2000, pilot projects have been installed. Right now, data links with several brands of climate controllers have been realised. At the same time, enhancing the user-interface is an ongoing development. Monitoring therefore is possible right now, and so is remote access to Dymos. At the moment, the basic energy model is being validated, and statistical processing has been started as well. However, the validation process of the energy model does raise the question what level of accuracy will be required. Of course, this question not only will apply to the cost side, but also to the yield side: the crop model.

Several universities and research institutes are developing models for Dymos. The first crop model (tomato) is in test-phase and will be validated during the rest of this year. This is yet an off-line model; incorporating a research model in an on-line user-friendly environment is not an easy task. Much care has to be taken to give the user fast feedback, and to intercept all possible errors. Models for sweet pepper and cucumber will follow. Other models are yet to come, including more sophisticated energy models, as well as cut-flower quality models.

Kamp, P.G.H. & W.M.P. van der Veen

6. conclusions A lot of effort still has to be done to realise an integrated database, suitable for overall modelling. User commitment is a main point of concern and has to be easy and reliable, since the end user is not expected to be a computer wizard. Though development is not always as rapid as expected, it is quick enough to maintain interest from growers. A small installed base suffices to generate enough feedback, as long as the sites are carefully selected. Finally, the first tests with the crop model show some very promising results, yet to be validated.

7. partner description Both authors are employed by Westland Energie Services, which is the initiator and financier of this project. Several subcontractors are involved, among which: ■ Plant Research International, Wageningen, Netherlands. ■ Wageningen University, Wageningen, Netherlands. ■ Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, Dep. Engenharias, Vila Real, Portugal. ■ SPSS, Gorinchem, Netherlands: statistical support.

‘Dymos’ is a registered trade name.

Spelen met beleid, Simulatiespellen als leermiddel Mark van Elswijk 1, Matthijs Maat 1 & Jan-Erik Wien 2

1: Software Engineering Research Centre (SERC) Postbus 424, 3500 AK, Utrecht telefoon: 030 254 54 12 fax: 030 254 59 48 e-mail: info@serc.nl 2: Wageningen Software Labs (W!SL) Postbus 47, 6700 AA, Wageningen telefoon: 0317 47 43 41 fax: 0317 47 46 09 e-mail: info@wisl.nl

1. inleiding Bij beleidsevaluatie worden wetenschappelijke rekenmodellen gebruikt om de gevolgen van plannen en ontwikkelingen te kunnen bepalen. De modellen worden veelal gemaakt door en voor experts; het gebruik van dergelijke (computer)modellen vergt dan ook veel inhoudelijke kennis en inspanning. Computerspellen worden juist gespeeld als ontspanning, en moeten laagdrempelig en attractief zijn om de aandacht van een speler te kunnen trekken en vasthouden. Inspanning en ontspanning liggen echter dichter bij elkaar dan in eerste instantie misschien lijkt, zo betoogt Play2Learn in dit artikel.

2. simulatiemodellen Bij de voorbereiding en evaluatie van beleid spelen modellen een belangrijke rol. Een model, in de ruimste zin van het woord, is een abstractie van de werkelijkheid en kan worden gebruikt om uitspraken en voorspellingen te doen over die werkelijkheid. â&#x20AC;&#x2DC;De inrichting van de groene ruimteâ&#x20AC;&#x2122; is een voorbeeld van een gebied waar modellen een grote rol spelen. Er bestaan onder andere neerslagmodellen, modellen voor gedragingen van oppervlakte- en grondwater, gewasgroeimodellen; vele aspecten van de groene ruimte zijn gevangen in simulatiemodellen en/of kennismodellen. Deze modellen hebben met elkaar gemeen dat ze vaak worden gebruikt om toekomstige ontwikkelingen te voorspellen of om de gevolgen van bepaalde ingrepen inzichtelijk te maken. Op deze manier bieden modellen belangrijke ondersteuning bij het nemen van allerlei beslissingen.

Van Elswijk, Mark, Matthijs Maat & Jan Erik Wien

In figuur 1 is een schematische weergave te zien van het model Initiator, een rekenmodel voor stikstofproblematiek in de landbouwsector.

Figuur 1: initiator, een rekenmodel voor stikstofproblematiek in de landbouwsector. Traditioneel worden modellen opgesteld door experts, maar ook voor experts: met behulp van het model kan een expert een antwoord formuleren op een bepaalde vraagstelling. Die expert is vaak niet degene die ook de daadwerkelijke beslissingen neemt, wat betekent dat er een vertaalslag nodig is om de resultaten van modellen inzichtelijk te maken voor de echte beslissers. Dat is geen eenvoudige zaak, zeker niet wanneer die beslissers (nog) niet het kennisniveau hebben van materiedeskundigen. Ook voor modellenmakers zelf wordt het interpreteren van rekenmodellen steeds complexer. Steeds vaker moet antwoord worden gegeven op vragen die veel verschillende aspecten in zich verenigen en waarbij (resultaten uit) verschillende rekenmodellen moeten worden geïntegreerd. Een andere trend is dat afnemers niet alleen een antwoord op één vraag willen, maar het model zélf, om zo verschillende scenario’s te kunnen doornemen. Kortom, er bestaat behoefte aan middelen om complexe materie inzichtelijk te maken en de discussie tussen deskundigen onderling en tussen deskundigen, beslissers en belanghebbenden mogelijk te maken en te stimuleren.

Spelen met beleid.

3. spelen om te leren Spellen en simulatiemodellen zijn nauw aan elkaar gerelateerd. In zekere zin zijn spellen simulaties waarin de gevolgen van acties van één of meer spelers binnen een gesimuleerde wereld worden bepaald. Actoren worden dan een menselijk onderdeel van een simulatie. Spelers worden geconfronteerd met de resultaten van eigen acties en acties van anderen en kunnen hierop inspelen. Deze eigenschap maakt dat spellen voor een aantal doelen kunnen worden ingezet: ■ Het opbouwen van bewustzijn over bepaalde problematiek. Het feit dat een spel leuk is om te spelen versterkt dit effect. ■ Het ondersteunen van beleidsontwikkeling. Beleidsmakers kunnen in een veilige omgeving en op een goedkope manier experimenteren met oplossingsrichtingen en scenario’s. ■ Het overdragen van (complexe) kennis. Door middel van het spel kan kennisoverdracht naar spelers plaatsvinden en kunnen complexe theorieën of problemen ook voor leken begrijpelijk worden gemaakt. ■ Het bieden van inzicht. Zelfs voor experts kunnen problemen dermate complex zijn dat het ineens bevatten ervan te moeilijk wordt. Een simulatiespel kan helpen stap voor stap meer grip te krijgen op de complexe materie. Spellen kunnen dus helpen waar traditionele simulatiemodellen soms tekortschieten: communicatie van complexe materie, bijvoorbeeld naar (nog) ondeskundige doelgroepen. Toch zijn er ook verschillen: een willekeurig simulatiemodel is niet zomaar ‘leuk’ om te spelen. Spellen moeten laagdrempelig zijn, en attractief en spannend, om spelers te kunnen (blijven) boeien. Om een simulatie ook als spel effectief te laten zijn geldt daarom een aantal beperkingen. Allereerst moeten spelers een duidelijk herkenbaar doel hebben en een beperkte verzameling acties kunnen uitvoeren om dit doel te bereiken. Daarnaast moet een simulatie snel reageren op acties van spelers. Ten slotte, als belangrijkste eis, moet een simulatie aan spelers de gevolgen van de uitgevoerde acties inzichtelijk kunnen maken zodat spelers kunnen leren welke acties wanneer moeten worden uitgevoerd om het (spel)doel te bereiken.

4. ben jij een nitrogenius? De stikstofproblematiek is een typisch voorbeeld van de geschetste complexe materie. Er zijn veel factoren die de problematiek beïnvloeden, er zijn verschillende belanghebbenden met soms strijdige belangen en niet iedereen zal zich direct iets kunnen voorstellen bij de N-depositie op oppervlaktewater en daarvan weer de denitrificatie. Iets voor een spel?

Van Elswijk, Mark, Matthijs Maat & Jan Erik Wien

In opdracht van het Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer is NitroGenius gemaakt. NitroGenius is een simulatiespel waarin vier spelers ieder een belanghebbende bij de stikstofproblematiek spelen: politiek, industrie, landbouw of maatschappij. NitroGenius bestrijkt een fictieve periode van 30 jaar. In iedere spelronde (virtueel een aantal jaren, in werkelijkheid drie minuten) kunnen spelers maatregelen nemen, ieder van achter een eigen PC en vanuit de eigen belangen. De landbouwer kan bijvoorbeeld besluiten zijn stallen te verbouwen tot zogenaamde ‘groen label stallen’. Figuur 2 toont NitroGenius tijdens een spelronde.

Figuur 2: NitroGenius - een speler in de rol als vertegenwoordiger van de maatschappij besluit dat fietsen moet worden gepromoot. Na iedere spelronde worden de gevolgen van de maatregelen doorgerekend door de achterliggende rekenmodellen (waaronder het al eerder genoemde Initiatormodel) en gepresenteerd aan deelnemers (zie figuur 3). De spelers worden, afhankelijk van hun rol, afgerekend op hun bijdrage aan de winstgevendheid of het image van een sector, de economie, het milieu of het salaris of de gezondheid van de Nederlanders, dit in meer of mindere mate exact gebaseerd op onderliggende rekenmodellen. Na een aantal ronden wisselen de spelers van rol om zo te worden geconfronteerd met belangen van andere partijen, én de gevolgen van eerder genomen maatregelen - een speler kan zelfs worden geconfronteerd met de resultaten van zijn eigen acties! Aan het eind van het spel wordt de speler met de hoogste score tot winnaar gekroond, maar wordt tevens de resulterende stand van zaken met betrekking tot de stikstof getoond (de teamscore). Winnen is leuk, maar of het winnaars in dank zal worden afgenomen dat als gevolg van stikstofvervuiling de aarde met graden tegelijk is opgewarmd, valt te bezien.

Spelen met beleid.

Figuur 3: NitroGenius - gevolgen van de genomen maatregelen worden door de achterliggende modellen doorgerekend en gepresenteerd aan de spelers.

NitroGenius dient twee doelen: ■ Leereffect en bewustwording. Spelers worden geconfronteerd met de effecten van genomen maatregelen, en krijgen daarmee begrip voor de mogelijke oplossingsrichtingen en de gevolgen van genomen beslissingen. NitroGenius beoogt daarnaast ook inzicht te geven in de noodzaak voor samenwerking om te komen tot een oplossing voor het stikstofprobleem. ■ Ondersteuning voor besluitvorming. Door het spel een aantal keren te spelen kunnen verschillende scenario’s worden vergeleken. Op de Second International Nitrogen Conference 2001 in Potomac, Verenigde Staten bleek uit analayse van meer dan vijftig spelsessies met de daar verzamelde stikstofexperts (zie figuur 4) dat er wel degelijk mogelijkheden zijn voor een succesvolle aanpak van de stikstofproblematiek.

Figuur 4: NitroGenius - Stikstofexperts willen winnen tijdens de Second International Nitrogen Conference (2001) in Potomac, Maryland, USA.

Van Elswijk, Mark, Matthijs Maat & Jan Erik Wien

Een single-player variant van NitroGenius wordt binnenkort publiek beschikbaar gesteld. Voor een nadere analyse van de effecten van afzonderlijke maatregelen is ook een NitroGenius expertvariant ontwikkeld; een toegang op de onderliggende modellen waaruit de spelelementen verwijderd zijn.

5. toekomst Het inzetten van simulatiespellen blijft natuurlijk niet beperkt tot de stikstofproblematiek. Splash (zie figuur 5) is bijvoorbeeld een simulatiespel gericht op het inzichtelijk maken van de gevolgen van landinrichting op de waterhuishouding. In de rol van waterbeheerder leert een speler bijvoorbeeld dat het aanleggen van dijken in bovenstroomse gebieden desastreuze gevolgen kan hebben voor de mensen, steden en economie in rivierdeltaâ&#x20AC;&#x2122;s. Op het tweede Wereld Water Forum in Den Haag, in 2000, bleek dat er veel belangstelling is voor een dergelijk spel als leer- en communicatiemiddel.

Figuur 5: Splash - een waterbeheerder in de problemen.

Het inzetten van spellen hoeft zich zelfs niet te beperken tot simulatiemodellen. Overal waar leer- en communicatiemiddelen gewenst zijn kan een spelvorm meerwaarde bieden. Gezien het aantal positieve reacties op de spellen Splash en NitroGenius enerzijds en de toenemende complexiteit van beleidsvragen anderzijds, mag in de toekomst nog meer worden verwacht van de inzet van dergelijke spellen. Daarnaast kunnen spellen als leermiddel een belangrijke rol spelen in onderwijsvernieuwing. Play2Learn hoopt aan deze ontwikkelingen een nuttige bijdrage te kunnen leveren.

Spelen met beleid.

6. referenties Elgood, C., Handbook of management games, Gower Publishing Company, Aldershot, 1984. Erisman, J.W. et al, An outloook for a nationalintegrated nitrogen policy, Env. Sci. Pollut nummer 4, 2001, pp. 87 â&#x20AC;&#x201C; 95. Erisman, J.W. et al, Nitrogenius: a nitrogen decision support system - A game to develop the optimal policy to solve the Dutch nitrogen pollution roblem, Ambio, jaargang 31, nummer 2, 2002, pp. 190-196. Greenblat, C.S., R.D. Duke, Principles and practices of gaming/simulation, Sage, Beverly Hills/London, 1981. Ness, E., Dutch treat - The Netherlands tackles nitrogen pollution with a game, Grist Magazine, mei 2002, http://www.gristmagazine.com/maindish/ness051002.asp. Mark van Elswijk en Matthijs Maat zijn werkzaam bij het Software Engineering Research Centre (SERC) te Utrecht, Jan Erik Wien is werkzaam bij Wageningen Software Labs (W!SL). SERC en W!SL vormen gezamelijk het samenwerkingsverband Play2Learn. Meer informatie over Play2Learn en de simulatiespellen Splash en NitroGenius is te vinden op http://www.play2learn.nl NitroGenius is door Play2Learn ontwikkeld in opdracht van het Ministerie voor Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer en in samenwerking met Alterra en Energieonderzoek Centrum Nederland. Splash is een initiatief van Play2Learn en Alterra.

Dit artikel is onder de naam "Spelen met beleid" ook verschenen in I/O Vivat, het maandelijkse blad van de studievereniging Inter-Actief van de Faculteit Informatica, Universiteit Twente.

NitroGenius: Game over, new game? Spelen om te leren en te regeren Jan Willem Erisman e.a.

Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) Postbus 1 1755 ZG, Petten telefoon: 0224 56 49 49 fax: 0224 56 44 80 e-mail: info@ecn.nl

Hoe te voldoen aan de alsmaar stijgende vraag naar energie en voedsel in de wereld en de daaraan gepaard gaande productie van reactief stikstof zo veel mogelijk te beperken? Deze vraag was het hoofdthema van de 2e internationale stikstofconferentie vorig jaar in de VS. Speciaal voor deze conferentie werd het â&#x20AC;&#x2DC;stikstof-spelâ&#x20AC;&#x2122; NitroGenius ontwikkeld. Het doel van dit beleidsondersteunend instrument is een set van maatregelen te evalueren, waarmee het mogelijk is de Nederlandse stikstofproblematiek op te lossen met zo weinig mogelijk sociale en economische gevolgen. Het instrument kan op twee manieren worden gebruikt: als een spel dat vier spelers tegelijk spelen en als een individueel te gebruiken beleidsondersteunend instrument. De hier gegeven inhoudelijke beschrijving heeft betrekking op zowel het spel als het beleidsondersteunend instrument.

over de auteurs Jan Willem Erisman (e-mail: erisman@ecn.nl) is programmamanager milieuonderzoek van ECN en heeft dit artikel geschreven samen met Arjan Hensen (ECN), Wim de Vries, Hans Kros (Alterra), Tamme van de Wal, Wim de Winter, Jan Erik Wien (W!SL), Mark van Elswijk, Matthijs Maat (Serc) en Kaj Sanders (VROM). Het NitroGenius internetadres is: www.NitroGenius.com Dit artikel werd gepubliceerd in het julinummer van Arena (2002, 4, pp 54-57).

Erisman, Jan Willem

NitroGenius is in opdracht van het Ministerie van VROM ontwikkeld door het ECN, in samenwerking met Alterra, SERC en W!SL (zie ook Arena februari 2002). De belangrijkste rol voor het spel tijdens de conferentie was het verbeteren van het begrip van de complexe stikstofproblematiek, met speciale aandacht voor de rol van de verschillende probleemeigenaren en de inventarisatie van mogelijkheden voor de oplossing van de problematiek. Het spel werd gespeeld door 50 verschillende teams, waaronder mensen van Environmental Protection Agency, EPA, Ministerie van VROM, de organisatoren en enkele journalisten. Aan het eind van de conferentie werden prijzen uitgereikt aan het beste team en de speler met het hoogste aantal punten. Een overzicht van de resultaten van alle spelen leerde dat de stikstofproblematiek tot de doelstellingen terug te brengen is, binnen de economische grenzen. Dat gaat echter ten koste van een groot deel van de intensieve veehouderij en er zal behoorlijk geĂŻnvesteerd moeten worden in selectieve katalytische reductie (SCR)technieken en duurzame energie. In dit artikel wordt NitroGenius beschreven. Eerst wordt ingegaan op de stikstofproblematiek in Nederland. Daarna wordt de motivatie voor de ontwikkeling van het spel gegeven, gevolgd door een beschrijving van de modellen die het hart van het spel vormen. Tot slot wordt ingegaan op de resultaten van de vijftig teams die het spel tijdens de conferentie gespeeld hebben.

1. de stikstofproblematiek in nederland Nederland produceert (en importeert) te veel reactief stikstof (Nr), dat zijn weg naar het milieu vindt. Onder reactief stikstof worden alle stikstofverbindingen verstaan behalve stikstofgas (N2). Reactief stikstof kan worden gevormd door reactie van N2 met zuurstof bij hoge temperaturen (verbranding), door biologische fixatie en door productie van ammoniak in de chemische industrie. Reactief stikstof komt in het milieu door emissie van NOx, NH3 en N2O naar de lucht en uit- en afspoeling van N naar het gronden oppervlaktewater. Wanneer de reactieve stikstof accumuleert in het milieu kan dit tot een ketting van reacties leiden in de vorm van directe schade aan planten, mensen en dieren, verzuring en eutrofiĂŤring van ecosystemen, bijdrage aan de vorming van fijn stof en ozon die de menselijke gezondheid bedreigen en tot slot bijdrage aan klimaatverandering. Voor een overzicht van de stikstofproblematiek wordt verwezen naar Erisman et al. (2001). Nederland behoort tot de gebieden in de wereld met de hoogste stikstofdruk in het milieu, vooral door de hoge bevolkingsdichtheid, de landbouwintensiteit en de mobiliteit en industrialisatie. De stikstofproblematiek in Nederland is de best onderzochte in de wereld. Dit heeft geleid tot inzichten over de integraliteit en de mogelijkheden om effectief beleid te maken. De stikstofbalans wordt jaarlijks in de Milieubalans door het RIVM beschreven (RIVM, 2001), gebaseerd op onder meer

Spelen om te leren en te regeren.

getallen van het CBS (CBS, 1998). Tot op heden was er geen integraal compartimentoverstijgend model beschikbaar, dat op de gewenste ruimte en tijdschalen de stikstofstromen naar en in het milieu konden beschrijven. Dit is noodzakelijk om een beleidsonderbouwend instrument te maken om verschillende mogelijke oplossingen voor de N-problematiek in Nederland te kunnen verkennen. Het stikstof-beleidsondersteunend instrument NitroGenius is gebouwd rond zo’n model.

2. ‘play2learn’ Spel en simulatie liggen zeer dicht bij elkaar. In wezen kan een spel worden gezien als een simulatie van acties die worden genomen door een of meer actoren (spelers) in een gesimuleerde wereld. Wil een spel effectief zijn, dan moet de simulatie aan een aantal voorwaarden voldoen. Allereerst moeten de spelers een helder doel hebben en toegang krijgen tot een geëigende maar gelimiteerde set van acties die ze kunnen uitvoeren. De simulatie moet een snelle reactie geven op de genomen acties en een goed overzicht van de consequenties van deze acties. Tot slot moet de simulatie een reële uitkomst geven. Meer achtergrond over het gebruik van spelen als simulaties is te vinden in o.m. Elgood (1984). Spellen kunnen als simulatie van belang zijn om de volgende redenen: ■ Spellen geven bestuurders de mogelijkheid om veilig en tegen lagen kosten, binnen de grenzen van het spel en de simulatie, te experimenteren met verschillende opties en daar direct de consequenties van te zien. Ze fungeren dan als beleidsondersteunend systeem. ■ Spellen kunnen een rol vervullen bij de bewustwording en voorlichting. Het feit dat spellen leuk en aantrekkelijk zijn verhoogt het effect van de bewustwording. ■ Spellen kunnen worden gebruikt om de overdracht van kennis te bevorderen en complexe theorieën en problemen aan de man te brengen. ■ Spellen kunnen inzicht verschaffen in complexe problemen en daarmee bijdragen aan oplossingen.

3. nitrogenius In NitroGenius als spel kunnen vier spelers met een verschillende rol maatregelen selecteren om een bijdrage te leveren aan een oplossing van de stikstofproblematiek in Nederland met zo min mogelijk sociale en economische gevolgen. De vier spelers vertegenwoordigen ieder een andere rol (een politicus, industrieel, landbouwer en consument), maar opereren ook als een team. Iedere speler heeft een eigen doelstelling en score, maar het team moet gezamenlijk de stikstofproblematiek oplossen en wordt daarvoor gewaardeerd met een teamscore. Daarom kent elk spel een winnaar, de speler

Erisman, Jan Willem

die de meeste punten scoort, maar ook het team kan winnen wanneer het de hoogste teamscore heeft gehaald. Het doel voor de industrieel en de landbouwer is om zoveel mogelijk winst te maken, de politicus is uit op een goed imago en de consument wil een hoge levensstandaard. De levensstandaard is opgebouwd uit de economische situatie, de toestand van het milieu en het aantal banen. Elke speler heeft een startbudget dat gebaseerd is op de huidige economie en dat zich ontwikkelt als gevolg van de acties die gedurende het spel worden genomen. Een ‘NitroGenius-run’ loopt over een hypothetische tijdsperiode van zestien jaar, verdeeld over verschillende sessies. Elke ronde duurt maximaal drie minuten, waarbinnen de spelers maximaal drie maatregelen kunnen kiezen uit de zeven opties die specifiek voor die rol in die periode geboden worden. De meeste maatregelen kunnen hetzij volledig, dan wel gedeeltelijk worden geïmplementeerd. Ook is het mogelijk een maatregel regio- of sector-specifiek te maken door regio’s op een kaartje van Nederland aan of uit te klikken. Het maatregelenselectie-scherm biedt een gedetailleerd overzicht van de verschillende variabelen waarop gestuurd kan worden, zoals de milieuparameters nitraatconcentratie in grondwater en N-concentratie in oppervlaktewater, stikstofdepositie op natuur, jaaremissies van NH3, NOx en N2O en de socio-economische parameters als Bruto Nationaal Product (BNP), het aantal banen, de budgetten per sector en de levensstandaardindicator. De veranderingen gedurende het spel in deze variabelen en de regionale verdeling ervan (vijf regio’s) worden zichtbaar gemaakt. Het budget per speler wordt beïnvloed door de gekozen maatregelen. Er kunnen alleen maatregelen worden geselecteerd wanneer er voldoende budget is. Wanneer een maatregel wordt geselecteerd, met de daarbij behorende intensiteit en eventueel ruimtelijke verdeling, wordt via de parameters in de bijbehorende database het effect op de diverse modelparameters bepaald. In de database bevinden zich ruimtelijk gedifferentieerde landgebruikgegevens, bodemkarakteristieken, hydrologie (grondwaterniveau, drainage, uitspoeling), bronnen (emissies per sector naar de atmosfeer) en organische mest en kunstmest. Voor de maatregelen zijn gegevens over kosten per activiteit en maatregel, werkgelegenheid per sector, economische gegevens, etc. opgenomen in de database. Deze database kan eenvoudig worden uitgebreid waardoor nieuwe maatregelen toe te voegen zijn. Zo kunnen eenvoudig nieuwe maatregelen worden getoetst. In de huidige versie zitten meer dan 300 maatregelen. Wanneer alle spelers hun maatregelen hebben geselecteerd is het aan de consument om eventueel één maatregel, genomen door een van de andere spelers, te blokkeren. Dit simuleert de mogelijkheid van de samenleving om te ageren tegen voorgenomen activiteiten of beleid. Als de spelronde voorbij is wordt het maatregelenpakket in de modellen doorgerekend. Na afloop van de ronde verschijnt een scherm met een krant. Hier kan een lijst met maatregelen uit de vorige ronde worden opgevraagd en het effect ervan op de variabelen worden bekeken. Dan start een nieuwe ronde, met een nieuwe set aan maatregelen, die gedeeltelijk afhankelijk zijn van wat er in voorgaande

Spelen om te leren en te regeren.

rondes is geselecteerd. Zo gaat het spel door totdat er vier rondes gespeeld zijn, dan wordt er van rol gewisseld en wordt de speler geconfronteerd met het beleid van de voorganger. Het totale spel kent zestien ronden, zodat iedereen alle vier rollen te spelen krijgt. Figuur 1 laat enkele screenshots van NitroGenius zien.

A: selectie van maatregelen.

B. gedetailleerd overzicht van parameters.

Figuur 1: screenshots van NitroGenius.

4. modellen Een spel of beleidsondersteunend instrument moet gebruik maken van modellen met simpele parameterisaties waarmee alle relevante onderdelen en interacties van de stikstofketen worden beschreven. De parameterisaties moeten nauwkeurig genoeg zijn om realistische uitkomsten te genereren voor nu en in de toekomst en moeten een scala aan maatregelen kunnen doorrekenen. De eenvoudige parameterisaties zijn o.m. afgeleid van meer gedetailleerde en complexere modellen. Nadat binnen het spel opties voor oplossingen zijn gekozen worden deze modellen gebruikt om precies door te rekenen wat de uitkomsten en consequenties zullen zijn.

Erisman, Jan Willem

NitroGenius bevat de volgende gekoppelde modellen voor de beschrijving van de stikstofketens en de economische aspecten (zie ook figuur 2 en Erisman et al., 2002 voor een uitgebreide beschrijving): ■ een module om emissies naar de lucht te berekenen; ■ een module, INITIATOR genaamd, om de stikstofstromen in de landbouw te beschrijven; ■ een depositiemodel dat de belasting van de natuur met stikstof berekent; ■ een ozon-blootstellingsmodel dat ozonconcentraties en effectparameters bepaalt; ■ een socio-economisch model dat de tevredenheid van het Nederlandse volk, de werkeloosheid en het Bruto Nationaal Product uitrekent. De modellen zijn gekoppeld en maken gebruik van ruimtelijke gegevens zoals van landgebruik en bodemtype en van niet-ruimtelijke informatie. De uitkomsten worden gepresenteerd in de vorm van kaarten, tabellen en grafieken (zie ook figuur 1B).

Figuur 2: schematisch overzicht van het Nitrogen Decision Support System, NitroGenius.

5. emissie module Emissies van reactief stikstof (Nr) voor alle economische activiteiten, behalve de landbouw, worden berekend door vermenigvuldiging van het (product)volume van een activiteit met een emissiefactor. De emissiefactor is de emissie per component per product (volume) geproduceerd per sector. De huidige (1995 –2000) verdeling van Nr-bronnen in Nederland en de actuele emissiefactoren vormen de initialisatie van NitroGenius. Maatregelen beïnvloeden de emissies door in te grijpen op de emissiefactoren, op het product (volume) of op de locatie van de productie. Daarbij zorgen sommige maatregelen voor een verschuiving in emissies van de ene in de andere component waardoor ook een afwenteling van milieuproblemen tussen verschillende thema’s ( bijvoorbeeld verzuring, en klimaat) plaatsvindt. Omdat bij de berekeningen van het atmosferische transport rekening wordt gehouden met het verschillende gedrag

Spelen om te leren en te regeren.

van emissies uit hoge industriĂŤle bronnen en bronnen dicht bij het aardoppervlak, worden deze emissies apart bijgehouden. Landbouwemissies worden door het model INITIATOR berekend, dat in de volgende paragraaf wordt beschreven. De ruimtelijke verdeling van de emissies is 5x5 km2 en dient als invoer voor de transport-depositie module.

6. stikstofstromen model voor de landbouw: initiator INITIATOR is een eenvoudig stikstofbalans model gebaseerd op lineaire relaties tussen verschillende Nr-stromen in de landbouw (de Vries e.a., 2001). De vereenvoudigde lineaire transformatie-parameters zijn een functie van het type mest, landgebruik, bodemtype en/of het hydrologisch systeem en zijn afgeleid van het model STONE (Overbeek e.a. 2001). In het model wordt eerst de totale N-input naar het bodemoppervlak berekend door de input van organische mest, kunstmest, depositie (door alle bronnen) en biologische vastlegging te sommeren. De verliezen van het terrestrisch systeem worden berekend als functie van bodemtype, landgebruik en hydrologie. Hierbij wordt de volgende volgorde aangehouden: eerst verlies van ammoniak naar de lucht, gevolgd door N-opname door het gewas, stikstofophoping/immobilisatie, (de)nitrificatie in de bodem. Alle N-transformatieprocessen zijn lineair gerelateerd aan de N-input. De ammoniakemissies bestaan uit emissies uit stallen, aanwending van dierlijke mest en kunstmest en weide-emissies. De uitspoeling van Nr naar het grondwater en oppervlaktewater wordt verdeeld door de vermenigvuldiging van het netto N-overschot met respectievelijk de uitspoelingsfractie en een afspoelingsfractie. Denitrificatie in het bovenste grondwater wordt meegenomen om de uitspoeling van nitraat op 1 meter diepte onder het oppervlak te berekenen. Denitrificatie wordt uiteindelijk berekend voor de bodem (wortelzone), het bovenste grondwater, sloten en oppervlaktewater. N-input naar het oppervlaktewater wordt gevormd door de afspoeling van terrestrische systemen en atmosferische depositie. De output van INITIATOR bestaat uit landbouwemissies van NH3, NOx en N2O op 5x5 km2 resolutie en NH4, NO3 en totaal N- concentraties in gronden oppervlaktewater.

7. depositie en ozonmodel 2

Depositie van Nr wordt berekend met bronreceptor-matrices op een 5x5 km schaal. Met bronreceptor-matrices kan de fractie van de emissie uit een gridcel die in de omringende gridcellen deponeert berekend worden. De matrices zijn afgeleid van het OPS Gaussisch pluimmodel (van Jaarsveld, 1995). Met de jaargemiddelde emissie van

Erisman, Jan Willem

NH3 en NOx verdeeld over de 5x5 km2 gridcellen en de bronreceptor-matrices wordt de totale depositie over de gridcellen in Nederland berekend. De depositie door buitenlandse bronnen is eenmalig berekend voor het jaar 2000 en wordt bij de depositie t.g.v. de Nederlandse bronnen opgeteld. (Door internationaal lobbywerk kunnen ook deze emissies en de daaraan gekoppelde depositie verminderd worden.) De mate van overschrijding van de kritische depositiewaarden voor de natuur is een maat voor de benodigde reducties om doelstellingen te bereiken. Ozon is een secondair luchtverontreinigend gas dat in de lucht wordt gevormd onder invloed van zonlicht door de precursors stikstofoxide en vluchtige organische componenten (VOC). Voor landbouwgewassen en natuurlijke vegetatie is een kritische concentratiewaarde afgeleid die wordt uitgedrukt als de AOT40, zijnde een geaccumuleerde ozonexpositie-drempel van 40 ppb, die een waarde van 3 ppm.uur niet mag overschrijden (Amann e.a., 1999). Aangezien er geen eenvoudig ozonmodel beschikbaar was, werd een model ontwikkeld gebaseerd op lineaire relaties tussen de ecosysteem oppervlakte gewogen jaargemiddelde AOT40 overschrijding van 3 ppm.uur en de NOx- en VOC-emissies (Erisman e. a. 2002). De maat die in NitroGenius gebruikt wordt is de overschrijding van de AOT40 waarde van 3 ppm.uur vermenigvuldigd met de oppervlakte van het natuurgebied waarin deze waarde wordt overschreden. De gekozen maatregelen beĂŻnvloeden de NOx- en VOC-emissies en. Met de nieuwe emissies en bovengenoemde relaties kan de overschrijding van de AOT40 en de grootte van het oppervlak met een overschrijding berekend worden.

8. socio-economisch model Economische en sociale aspecten zijn van doorslaggevend belang voor de acceptatie van milieumaatregelen. In NitroGenius is een socio-economisch model opgenomen dat gebaseerd is op data van het Centraal Bureau voor de Statistiek (CBS, 2001). In het model zijn de sectoren opgenomen die bijdragen aan het BNP. Voor elke sector werden de huidige (1998 â&#x20AC;&#x201C; 2000) productvolumes, kosten, energie en elektriciteitsgebruik, ruw en ander materiaal, aantallen banen, salaris en emissies opgenomen in een database; zij vormen de basis voor het socio-economische model. In het model zijn de voor de N-problematiek bepalende sectoren specifiek aanwezig, een aantal andere sectoren zijn gegroepeerd en worden door de maatregelen ook niet of nauwelijks beĂŻnvloed. Met de parameters uit de database voor de verschillende sectoren wordt het huidig productieniveau, BNP en werkgelegenheid berekend. Het huidig BNP bedraagt 373 G_. De bijdragen van de verschillende sectoren worden gebruikt om na iedere sessie wanneer de maatregelen zijn geselecteerd de economische ontwikkelingen te berekenen. De werkgelegenheid is afhankelijk van de economische ontwikkeling in de diverse sectoren en is gegroepeerd per rol.

Spelen om te leren en te regeren.

9. resultaten spelsessies In totaal zijn door de deelnemers aan de 2e internationale stikstofconferentie meer dan vijftig complete spelsessies met vier spelers gespeeld. De resultaten en het verloop van alle spelen zijn opgeslagen en geanalyseerd. Verschillende teams zijn in staat gebleken de Nederlandse stikstofproblematiek op te lossen, ofwel zij waren in staat om de effectparameters onder de nationale doelstellingen te krijgen. Het terugbrengen van de omvang van de veestapel, toepassing van rookgasreiniging in de industrie en de inzet van hernieuwbare grondstoffen bleken effectieve maatregelen. Dat dit strikte milieubeleid volgens NitroGenius niet ten koste van de welvaart hoeft te gaan, blijkt uit het feit dat er door sommige van de meest succesvolle teams nog steeds een jaarlijkse groei van het Bruto Nationaal Product met 2,5 procent is gehaald. Figuur 3 geeft de score per team uitgedrukt in groei in BNP tegen de milieuscore. De milieuscore is een gewogen gemiddelde van alle effectparameters. Duidelijk is dat een hoge BNP-groei gehaald wordt bij een lage milieuscore. Opvallend is dat een hoge milieuscore zowel bij een hoog BNP als ook een laag BNP gehaald kan worden. Dit betekent dat er optimalisatie in het beleid en in de volgorde van maatregelen nemen mogelijk is. Het moeilijkste op te lossen bleek de NOx-problematiek met de budgetten en maatregelen die ter beschikking stonden. Tijdens de conferentie werd een winnend team gekozen, dat het beste voldeed aan de doelstelling: de problematiek op te lossen met zo min mogelijk nadelige consequenties. Dit team, met het witte vakje in Figuur 3, bereikte een emissiereductie van 87, 36 en 78% voor respectievelijk NH3, NOx en N2O. De milieugevolgen waren daarmee zo goed als opgelost (waarden ver beneden de doelstelling), behalve de overschrijding van de AOT40-doelstelling. De tactiek die door dit team was aangehouden was eerst geld genereren en weinig milieumaatregelen nemen om vervolgens, wanneer de budgetten toereikend waren, fors op maatregelen in te zetten.

Figuur 3: resultaat van de spelen tijdens de 2e stikstofconferentie.

Erisman, Jan Willem

literatuur Amann, M., Bertrok, I., Cofala, J., Gyarfas, F., Heyes, C., Klimont, Z. and Schoepp, W. 1999. Integrated assessment modelling for the protocol to abate acidification, eutrophication and ground-level ozone in Europe. Publicatiereeks Lucht & energie, nr. 132, Ministry VROM, The Hague, the Netherlands. Central Bureau of Statistics 1997. Economics and the physical environmental (in Dutch). SDU publishers, The Hague, the Netherlands. De Vries, W. Kros, J., Oenema, O. and Erisman, J.W. 2001. Assessment of nitrogen production ceilings on a regional scale avoiding adverse environmental impacts. TheScientificWorld,1. Elgood, C., 1984, Handbook of management games, Gower Publishing Company, Alderschot Erisman, J.W., de Vries, W., Kros, H., Oenema, O., van der Eerden, L. and Smeulders, S. 2001. An outlook for a national integrated nitrogen policy. Env. Sci. & Pol., 4, 87-95. Erisman et al. 2002. NitroGenius: A nitrogen decision support system in the form of a game to develop the optimal policy to solve the Dutch nitrogen pollution problem. Ambio (in druk). Overbeek, G.B.J., J.J.M. van Grinsven, J. Roelsma, P. Groenendijk, P.M. van Egmond en A.H.W. Beusen (2001) Achtergronden bij de berekening van vermesting van bodem en grondwater voor de 5e Milieuverkenning met het model STONE. RIVM rapport 408129020, Bilthoven. RIVM 2001. Nationale Milieubalans 2001. Samson bv, Alphen aan den Rijn, Netherlands. Van Jaarsveld, H.J.A. 1995. Modelling the long-term atmospheric behaviour of pollutants on various spatial scales. Ph.D. thesis, University of Utrecht, the Netherlands.

Simulatiemodel voor de logistiek bij de inzameling van vleeskalveren Simulation model for the logistics of fattening calves collecting R.M. de Mol, E. Annevelink & A.C. Smits

IMAG Postbus 43 6700 AA Wageningen Tel.: (0317) 47 64 59 Fax: (0317) 42 56 70 E-mail: r.m.demol@imag.wag-ur.nl

abstract Collecting of calves for fattening from dairy farms to fattening farms is done with collecting areas where the calves are classified and redistributed. This practice implies not only many transport movements, but also high veterinary risks (e.g. for spreading of foot and mouth disease). Therefore, a simulation model has been developed to study alternative structures, without collecting areas, for the collecting of calves: 1) classification at pickup or classification in advance by the dairy farmer, and 2) direct transport from dairy farm to fattening farm or combination of smaller transports into larger transports, if useful. This gives four alternative structures that have been applied in a simulation for the northeastern part of the Netherlands, for different collecting intervals (once a week or once in three weeks). The simulation results show that alternative structures can reduce the number and length of calf transports and therefore may be beneficial.

trefwoorden: logistiek, simulatiemodel, vleeskalveren

1. inleiding De meeste kalveren, die geboren worden op Nederlandse melkveebedrijven, gaan naar vleeskalverbedrijven voor de kalfsvleesproductie. Alle stierkalveren en een deel van de vaarskalveren worden afgevoerd. Daarnaast is er ook veel import van kalveren naar vleeskalverbedrijven. De aanvoer van kalveren van melkveebedrijven naar vleeskalverbedrijven gaat via kalververzamelplaatsen,

De Mol, R.M., E. Annevelink & A.C. Smits

waar de kalveren worden geclassificeerd en herverdeeld over de vleeskalverbedrijven. Deze logistieke structuur van de vleeskalversector, waarin kalveren van het melkveebedrijf via een verzamelplaats naar het vleeskalverbedrijf worden vervoerd, brengt naast veel logistieke bewegingen ook ongewenst hoge veterinaire risico's met zich mee. Eén van de eerste gevallen van MKZ in 2001 (in Oene) is hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt door een besmetting van importkalveren uit Ierland op een halteplaats in Mayenne, Frankrijk (Abbas et al., 2002). Daarom zoekt de overheid naar een organisatievorm die deze risico's tot een acceptabel niveau reduceert. Dit zou kunnen worden bereikt door de keten tussen geboorte en slacht van de kalveren te verkorten met vermindering van het aantal transportbewegingen en het aantal contacten tussen de dieren en tussen bedrijven. Het uitgangspunt hierbij is dat in deze verkorte keten geen verzamelplaatsen zijn opgenomen, dus dat de kalveren vanaf het melkveebedrijf rechtstreeks aan het vleeskalverbedrijf worden geleverd. In een deskstudie (Smits et al., 2002) is bekeken welke alternatieve logistieke structuren mogelijk zijn en wat de consequenties hiervan zijn voor het aantal transportbewegingen, de duur van transporten, de veterinaire risico's en het dierwelzijn. Hiertoe is een simulatiemodel ontwikkeld, zijn de ICT-consequenties geschetst, is het classificatievraagstuk uitgewerkt en is het veterinaire vraagstuk bekeken. In deze paper wordt vooral het simulatiemodel voor de logistiek bij de kalverlogistiek beschreven, de overige onderdelen van de deskstudie komen slechts zijdelings aan de orde. Eerst worden de achtergronden geschetst, daarna wordt het simulatiemodel beschreven, gevolgd door een globale beschrijving van de resultaten. Er wordt afgesloten met enkele conclusies.

2. achtergrond Kalveren voor de mesterij worden op melkveebedrijven geboren. In 2000 waren er in Nederland 1,5 miljoen melkkoeien op 30 duizend melkveebedrijven; ca. 60% van de kalveren wordt verkocht (alle stierkalveren en een deel van de vaarskalveren). Er waren bijna 3000 vleeskalverbedrijven met 800 duizend kalverplaatsen. Omdat er bijna twee mestrondes per jaar zijn, is de vraag naar nuchtere kalveren voor de vleeskalverhouderij ca. 1,5 miljoen per jaar. Naast de aanvoer van Nederlandse melkveebedrijven is er veel import (CBS, 2001). Vrijwel alle vleeskalverhouders zijn aangesloten bij één van de drie integraties (Van Drie, Alpuro en Denkavit); de inzameling gebeurt per integratie. Na de MKZ-crisis in 2001 worden kalveren alleen nog bijeengebracht op zogenaamde kalververzamelplaatsen. Op deze fysieke verzamelplaatsen vindt selectie en verkoop plaats, waarna de kalveren getransporteerd worden naar de vleeskalverbedrijven. Kalververzamelplaatsen hebben volgens het vleeskalverbedrijfsleven een essentiële functie in de logistieke organisatie van de kalversector, omdat de sector alleen met deze werkwijze het vereiste product aan de afzetmarkt kan leveren. Het ministerie van Landbouw, Natuurbeheer en Visserij (LNV) heeft de kalververzamelplaatsen in 2001 nog

Simulatiemodel voor de logistiek bij de inzameling van vleeskalveren

voor één jaar toegestaan. LNV stelt echter vanuit het oogpunt van transportpreventie, vanuit veterinair oogpunt en vanuit dierwelzijnsoogpunt de logistieke organisatie in de dierlijke sector ter discussie. Men is op zoek naar alternatieve (logistieke) organisatievormen (de transporten verzamelstructuur) in de kalversector gericht op de middellange termijn. In een pilot-project transportpreventie moeten alternatieven worden onderzocht die het aantal transportbewegingen van dieren sterk kunnen terugbrengen. Men denkt onder meer aan virtueel selecteren en andere verzamelroutes. Tot 12 april 2002 was de aanvoer van kalveren naar verzamelplaatsen beperkt tot kalveren vanuit één van de vier regio's waarin Nederland was verdeeld. De regio-indeling is inmiddels opgeheven. In een deskstudie (Smits et al., 2002) is bekeken welke innovaties (logistiek, ICT, productiesysteem) mogelijk zijn als alternatief voor de huidige logistieke structuur voor vleeskalveren. De alternatieve structuur dient te worden gekenmerkt door: ■ vermindering veterinaire risico's ten aanzien van de verspreiding van besmettelijke dierziekten; ■ vermindering van de duur van het transport; ■ vermindering van het aantal transportbewegingen (transportpreventie); ■ verbeterd welzijn dankzij minder verplaatsingen en kortere transportduur tussen melkveebedrijf en vleeskalverbedrijf. Hiertoe is een aantal logistieke structuren met bovengenoemde kenmerken uitgewerkt en wordt in de deskstudie advies gegeven over de opzet van een pilot-project om alternatieve (logistieke) organisatievormen ook daadwerkelijk experimenteel toe te passen in samenwerking tussen overheid, bedrijfsleven en kennisinstellingen.

3. logistieke structuren 3.1 huidige logistieke structuur: via verzamelplaats In de huidige structuur worden de kalveren ongesorteerd opgehaald en naar een verzamelplaats gebracht, daar worden ze gesorteerd en vervolgens naar de vleeskalverbedrijven gebracht (figuur 1). Elk kalf wordt tussen de tien en veertien dagen na geboorte opgehaald. Eerder dan tien dagen is niet toegestaan en langer dan zestien dagen komt bijna niet voor bij de gebruikelijke ophaalfrequentie van minstens één keer per week. Het ophalen gebeurt door een handelaar of intermediair, met vrij kleine transportmiddelen (5-50 kalveren). De boer meldt eventuele problemen en ziekten. De prijsbepaling wordt aan de intermediair overgelaten. Op de verzamelplaats wordt het kalf bij aanvoer gewogen en geclassificeerd door de houder van de verzamelplaats. De classificatie is niet gestandaardiseerd, maar meestal worden de kalveren in ca. vier tot acht groepen ingedeeld. De kalveren worden nog dezelfde dag naar een vleeskalverbedrijf gebracht, hiervoor worden vrij grote vrachtauto's gebruikt (100-200 kalveren).

De Mol, R.M., E. Annevelink & A.C. Smits

Figuur 1: schema kalverlogistiek met gebruikmaking van kalververzamelplaatsen.

3.2 alternatieve logistieke structuren Er zijn voor de routeplanning zonder gebruik van verzamelplaatsen, twee mogelijke alternatieven bekeken: 1) Classificatie bij het ophalen: alle kalveren worden ongesorteerd opgehaald, de lading van één vrachtauto gaat naar één vleeskalverbedrijf, de aanvoer kan heel divers zijn (meerdere classificaties). Elk melkveebedrijf wordt per week/periode door één vrachtauto aangedaan. 2) Classificatie vooraf door de veehouder: ophalen gebeurt per categorie, de lading van een vrachtauto gaat naar één vleeskalverbedrijf, de aanvoer zal vrij uniform zijn. Het is mogelijk dat één melkveebedrijf in een week/periode door meer dan één vrachtauto wordt aangedaan (om andere classificaties op te halen). Er zijn bovendien twee mogelijkheden voor het transport naar het vleeskalverbedrijf bekeken: a) Direct transport van melkveebedrijf naar vleeskalverbedrijf (25-50 kalveren per transport). b) Samenvoeging van kleinere transporten (25-50) naar een vrachtauto met een grotere capaciteit (100-200 kalveren), indien zinvol.

Simulatiemodel voor de logistiek bij de inzameling van vleeskalveren

In totaal zijn er dus vijf mogelijke structuren (figuur 1 en 2): 0) huidige structuur via verzamelplaatsen; 1a) classificatie bij ophalen, direct transport; 1b) classificatie bij ophalen, samengevoegd transport; 2a) classificatie vooraf door boer, direct transport; 2b) classificatie vooraf door boer, samengevoegd transport.

Figuur 2: schema kalverlogistiek bij vier alternatieve structuren (zie figuur 1 voor legenda, een driehoek representeert een samenvoegpunt).

4. simulatiemodel 4.1 uitgangspunten simulatiemodel Het simulatiemodel is gebaseerd op een standaardsimulatiepakket (Prosim, 1999). De mogelijke structuren zijn doorgerekend voor regio 2. Regio 2 was ĂŠĂŠn van de vier regio's voor het bijeenbrengen van kalveren op een verzamelplaats (figuur 3), deze regiobeperking is vervallen per 12 april 2002. Regio 2 bestond uit Groningen, Friesland, Drenthe, Overijssel, Flevoland, ca. 2/3 van Gelderland, ca. 2/3 van Utrecht en ca. 1/16 van Noord-Holland. Dat komt overeen met:

De Mol, R.M., E. Annevelink & A.C. Smits

■ 21.859 km2; ■ 17.874 melkveebedrijven met 922.237 melk- en kalfkoeien, dat wil zeggen gemiddeld 52 koeien per bedrijf; ■ 1956 vleeskalverbedrijven met 537.637 vleeskalverplaatsen, dat wil zeggen gemiddeld 275 kalverplaatsen per bedrijf (ca. 90% van deze bedrijven is gesitueerd in Gelderland en Utrecht). Voor het simulatiemodel is regio 2 schematisch gemodelleerd als een rechthoek van 125 x 144 km (18.000 km2) met een melkveebedrijf (met ca. 50 koeien) op elk knooppunt van het raster in de rechthoek. De afstand tussen de melkveebedrijven wordt dan 1 km. Voor de vleeskalverbedrijven is een andere spreiding over regio 2 verondersteld, die meer geclusterd is naar bepaalde gebieden, met name Gelderland en Utrecht (figuur 3).

Figuur 3: Links: afbakening van regio 2 voor de inzameling van kalveren (tot 12-4-2002), bron: www.minlnv.nl/infomart/dossiers/mkz. Rechts: spreiding in simulatiemodel van vleeskalverbedrijven in regio 2. De input van het simulatiemodel bestaat uit verschillende modelparameters, o.a.: ■ het aantal kalveren per melkkoe per jaar; ■ de ophaalfrequentie; ■ de afstand tussen melkveebedrijven; ■ de beschikbare tijd per dag voor het ophalen van kalveren; ■ de transportcapaciteit bij het ophalen en bij het afvoeren; ■ de rijsnelheid over korte en over lange afstand; ■ de tijd nodig voor het laden en evt. voor het classificeren;

Simulatiemodel voor de logistiek bij de inzameling van vleeskalveren

■ het aantal vleeskalverintegraties (met marktaandeel) en het aantal classificaties (en de verdeling van de kalveren hierover) en het aantal verzamelplaatsen (met locatie); ■ de spreiding in de grootte van melkveebedrijven en in de grootte van de vleeskalverbedrijven (afhankelijk van de regio).

4.2 beschrijving simulatiemodel Bij de simulatie wordt een jaar van 364 dagen (52 weken) doorgerekend, elke dag worden de volgende activiteiten doorgevoerd: 1. Kalveren worden geboren op melkveebedrijven, aantal en classificatie per kalf wordt door trekking uit een kansverdeling bepaald. 2. Sommige vleeskalverbedrijven komen leeg en krijgen ruimte voor nieuwe kalveren. 3. Afhankelijk van de ophaalfrequentie worden al dan niet kalveren opgehaald en herverdeeld over vleeskalverbedrijven. Indien er kalveren worden opgehaald, gebeurt dat binnen de mogelijkheden van de gekozen logistieke structuur: met/zonder verzamelplaats, alle kalveren of per classificatie, met of zonder samenvoeging. De kalveren worden voor iedere integratie afzonderlijk opgehaald en herverdeeld. Een ophaaltransport loopt vanaf het eerste melkveebedrijf waar tijdens een rit kalveren worden opgehaald tot: ■ een verzamelplaats: bij structuur 0; ■ een samenvoegpunt: bij structuur 1b of 2b; ■ het laatste melkveebedrijf waar kalveren worden opgehaald: bij structuur 1a of 2a (en bij structuur 1b of 2b voor de ophaaltransporten die niet worden samengevoegd). Een afvoertransport loopt vanaf een verzamelplaats, samenvoegpunt of het laatste melkveebedrijf, tot het vleeskalverbedrijf. Een ophaaltransport kan overgaan in een afvoertransport. Bij structuur 1a en 2a gebeurt dit bij elk ophaaltransport. Bij structuur 1b en 2b gebeurt dit bij de ophaaltransporten die niet worden samengevoegd. Bij de simulatie worden ophaal- en afvoertransporten gegenereerd. De lading van een ophaaltransport is afhankelijk van de afstanden tussen de melkveebedrijven waar kalveren beschikbaar zijn, de capaciteit van de vrachtauto en de beschikbare tijd voor ophalen. De lading van een afvoertransport is allereerst afhankelijk van de logistieke structuur. Vanaf een verzamelplaats is de lading bepaald door het actuele aanbod en de actuele vraag. Bij samenvoeging is de lading van een afvoertransport bepaald door de aanwezige ophaaltransporten en de afstanden tot de vleeskalverbedrijven. Ophaaltransporten (met elk maximaal ca. 25 kalveren) kunnen worden samengevoegd tot één afvoertransport met een grotere capaciteit (100-200 kalveren) als dat zinvol is.

De Mol, R.M., E. Annevelink & A.C. Smits

Bij de huidige logistieke structuur en bij structuur 2 krijgt een vleeskalverbedrijf kalveren van een bepaalde classificatie, bij structuur krijgt een vleeskalverbedrijf ongesorteerde aanvoer. De simulatieresultaten geven inzicht in het aantal transporten, de transportafstanden, de duur van de transporten etc. bij de verschillende structuren. Op basis hiervan zijn de veterinaire risico's in te schatten en wordt duidelijk welke opzet het meest gewenst is vanuit het beleid, dat gericht is op transportpreventie, beperking van de veterinaire risico's en verbetering van het dierwelzijn.

5. resultaten Bij alle vijf structuren is een simulatie uitgevoerd bij een ophaalinterval van één week en van drie weken, d.w.z. bij een ophaalfrequentie van één keer per week en één keer per drie weken (tabel 1).

5.1 aantal transporten Het aantal transporten neemt af als het ophaalinterval toeneemt. De vrachtauto hoeft minder melkveebedrijven te bezoeken om kalveren op te halen, omdat er meer kalveren per bedrijf staan te wachten op transport. Ook de bezetting per ophaaltransport neemt toe; blijkbaar komt het minder vaak voor dat de ophaalperiode wordt afgebroken omdat de beschikbare tijd voor ophalen is verstreken. Bij structuur 1 is het aantal transporten minder dan bij structuur 0 omdat er alleen gecombineerde ophaal- en afvoertransporten nodig zijn en geen afzonderlijke afvoertransporten. Samenvoeging leidt tot meer transporten (met een kleinere totale afstand). Bij structuur 2 neemt het aantal transporten sterk toe als het ophaalinterval één week is. De vrachtauto moet grotere afstanden afleggen om geschikte kalveren te vinden; hierdoor is tijd in het algemeen de beperkende factor en niet de capaciteit (blijkens het aantal kalveren per transport). Bij structuur 1 en 2 is het aantal afvoertransporten veel groter dan bij structuur 0, omdat het gemiddeld aantal kalveren per afvoertransport veel minder is.

5.2 totale afstand Bij structuur 1a is de afstand minder dan bij structuur 0. Door samenvoeging neemt de totale afstand nog verder af in structuur 1b. Bij structuur 2 wordt de afstand veel groter als het ophaalinterval één week is, bij een ophaalinterval van drie weken komt de afstand op hetzelfde niveau als bij structuur 0.

Simulatiemodel voor de logistiek bij de inzameling van vleeskalveren

structuur

ophaalinterval (weken)

1a 1

1b 1

2a 1

2b 1

aantal transporten per week 1)

641

554

525

437

580

492

1103

583

1164

646

afstand per week (1.000 km)

105

261

119

229

100

overzicht alle transporten

overzicht ophaaltransporten aantal per week

518

436

525

437

525

437

1103

583

1103

583

afstand per week (1.000 km)

168

185

aantal kalveren per transport

minimale tijd per transport (h)

1,2

1,8

0,1

0,2

0,1

0,2

0,1

gem. tijd per transport (h)

5,8

4,0

4,7

3,1

4,9

3,2

4,8

4,7

5,1

5,0

gem. tijd per kalf (h)

3,5

2,7

2,3

1,5

2,5

1,7

2,7

2,4

3,0

2,6

maximale tijd per transport (h)

8,6

8,3

6,3

6,4

9,3

8,0

6,2

6,3

10,1

9,7

gem. afstand per transport (km)

184,5

117,7

115,2

gem. afstand per kalf (km)

119,5

91,3

14,9

11,1

2,0

gem. aantal melkveebedrijven gem. wachttijd per kalf (h)

50,1 126,1

56,4 152,0 125,8 168,1 136,4

51,5

23,8

61,5

30,0

80,2

56,7

95,0

66,4

14,7

11,0

14,7

11,0

8,5

12,8

8,5

12,8

0,0

0,3

0,0

0,3

overzicht afvoertransporten aantal per week afstand per week (1.000 km) aantal kalveren per transport

123

118

525

437

335

276

1103

583

703

363

minimale tijd per transport (h)

0,2

0,0

gem. tijd per transport (h)

1,6

1,5

1,4

1,1

0,9

1,7

1,6

1,3

1,2

gem. tijd per kalf (h)

1,6

1,5

1,4

1,3

1,7

1,6

1,5

maximale tijd per transport (h)

2,4

2,3

4,5

4,4

4,2

4,4

4,5

4,4

4,1

4,3

gem. afstand per transport (km)

75,5

75,9

73,9

66,9

50,5

42,5

84,9

78,0

62,0

55,2

gem. afstand per kalf (km)

75,9

76,6

72,8

66,8

68,5

64,5

83,3

79,1

74,4

74,2

Tabel: resultaten van de simulatie bij verschillende logistieke structuren en ophaalintervallen. 1) som van ophaal- en afvoertransporten, waarbij ophaaltransporten die overgaan in afvoertransporten, slechts één keer zijn geteld.

5.3 tijd en afstand per transport De gemiddelde tijd en afstand per kalf is bij structuur 1 en 2 minder dan bij structuur 0, omdat het transport niet via de verzamelplaats loopt, maar directer kan worden uitgevoerd. De variaties in tijd en afstand komen vooral door variaties in ophaaltijd en ophaalafstand. Een kortere wachttijd en transporttijd is gunstig voor het dierwelzijn. De tijden in tabel 1 zijn exclusief de wachttijden op de verzamelplaats (ca. 2 uur) en bij het samenvoegen (ca. _ uur). Bij structuur 0, 1a en 1b neemt het gemiddeld aantal bezochte melkveebedrijven af als het ophaalinterval toeneemt, omdat op meer bedrijven meer dan één kalf kan worden opgehaald. Dit effect is sterker dan de toename van het aantal kalveren per transport

De Mol, R.M., E. Annevelink & A.C. Smits

bij een langer ophaalinterval. Een lagere bezoekfrequentie en een lager aantal per transport zijn erg gunstig vanuit veterinair oogpunt.

5.4 kanttekeningen De resultaten zoals die hier zijn besproken, zijn uiteraard afhankelijk van de gekozen uitgangspunten. Veranderingen in de uitgangspunten geven andere resultaten. Men mag verwachten dat de verschillen tussen de structuren vergelijkbaar blijven omdat bij elke structuur met dezelfde uitgangspunten is gerekend. Bij structuur 1b en 2b is het effect van samenvoeging van transporten onderzocht. Het is niet helemaal duidelijk in hoeverre dit bij de geldende regelgeving is toegelaten. Toch zijn deze structuren meegenomen om het effect van de mogelijkheid tot samenvoeging op de kalvertransporten duidelijk te maken. Structuur 1 heeft als nadeel dat de aanvoer naar vleeskalverbedrijven ongesorteerd wordt. Dit nadeel is bij structuur 2 veel minder omdat er dan op basis van een, door de melkveehouder vastgestelde, classificatie wordt aangevoerd.

6. conclusies Als kalveren rechtstreeks van melkveebedrijven naar vleeskalverbedrijven gaan, dan geeft dat een verbetering van dierwelzijn ten opzichte van een situatie waarin kalveren via een kalververzamelplaats worden getransporteerd. Het dierwelzijn verbetert onder meer omdat de duur en de lengte van het transport met enkele tientallen procenten afnemen. Als kalveren ongeselecteerd worden ingezameld en pas na aankomst binnen het vleeskalverbedrijf worden geselecteerd en gesorteerd, dan geeft dat een vermindering oplopend tot meer dan 50% van het aantal transporten en transportkilometers dan wanneer al voor het ophalen op het melkveebedrijf de kalveren geselecteerd worden en per categorie worden opgehaald. Als kalveren op het melkveebedrijf worden geselecteerd en per categorie worden opgehaald, zodat de vleeskalverbedrijven uniforme koppels krijgen aangeleverd, dan is het aantal transporten en de totale afstand vergelijkbaar met de uitgangssituatie (met kalververzamelplaatsen) als de kalveren ĂŠĂŠn keer per drie weken worden opgehaald (t.o.v. wekelijks in de uitgangssituatie). Deze variant biedt geen transportvoordelen maar wel duidelijke voordelen voor wat betreft dierwelzijn en veterinaire risico's. Als bij de afvoer van de ingezamelde kalveren kleinere transporten (25 tot 50 kalverplaatsen) worden samengevoegd tot een groter transport (100 tot 200 kalverplaatsen) naar de eindbestemming, dan is hiermee voor regio 2 een besparing van minstens 15% haalbaar in transportkilometers.

Simulatiemodel voor de logistiek bij de inzameling van vleeskalveren

referenties Abbas, T., S. de Bie, U. Blom, H. Geveke, D. Hanemaayer, R. Hilhorst, M. Leewis & R. Straathof, 2001. MKZ 2001. De evaluatie van een crisis. Eindrapport. B&A Groep Beleidsonderzoek & -Advies bv, Den Haag. CBS, 2001. Land- en tuinbouwcijfers. Prosim, 1999. Prosim modelling language tutorial. Prosim bv, Zoetermeer. Smits, A.C., R.M. de Mol, J. Hemming, E. Annevelink, P. Hoeksma, C.E. van 't Klooster, E. Lambooij & A.A. de Koeijer, 2002. Deskstudie t.b.v. de ontwikkeling van een alternatieve logistieke structuur voor de vleeskalversector. IMAG, nota V 2002-52, niet gepubliceerd.

De digitale onderdompeling The digital immersion ir. Jorrit Kuipers

Green Dino Virtual Realities Gen. Foulkesweg 5 6703 BH Wageningen Telefoon: 0317 42 68 20 Fax: 0317 42 38 78 E-mail: jorrit@greendino.nl

abstract A realistic experience of an architectural design depends on specific restrictions. A movie video is a suitable medium to inform others about your own spatial experience, but a movie video is insufficient to make a personal impression. For a good impression you have to be there and participate. Virtual reality is a suitable alternative for digital simulation of this special experience. The realism of the experience, the immersion, becomes less during analysis of the representation. An architect gets a better insight in the experience when he gets loose of the analysis and becomes immersed in a realistic representation of his design. A digital play is an important part necessary for a realistic experience. When the behavior of digital actors is realistic, the immersion will be more intense. The use of 360 degrees image projection gives more space for movement and has a positive effect on the immersion. Projection on the ceiling and floor completes the digital projection. The spectator is surrounded by the digital representation. Virtual reality is a powerful tool to make a realistic digital representation of an architectural design.

trefwoorden: visualisatie, virtual reality, gedrag, driedimensionaal, interactieve simulatie, observatie

ir. Kuipers, Jorrit

Een architect moet zijn ontwerpen van voor tot achter overzien en doorzien. Hij hoort te weten wat de toekomstige gebruiker van een door hem ontworpen ruimte te wachten staat en hoe de gebruiker zal reageren. Iedere niet geplande verrassing doet afbreuk aan zijn professie en de kwaliteit van het ontwerp. De architect moet doordrenkt zijn van zijn ontwerp. Dit kan alleen door een totale onderdompeling. Hiervoor zijn digitale visualisatie- en simulatietechnieken noodzakelijk. Deze specifieke vormen van ICT zijn speciaal ontwikkeld voor het overbrengen van ruimtelijke informatie en het doorgeven van relevante kennis over het gebruik van deze informatie.

1. leuke vakantie gehad? We gebruiken foto's en videofilm om vakantieherinneringen op te roepen en anderen te informeren over de vakantie. Vakantiefoto's herinneren ons aan speciale plaatsen en gebeurtenissen die een welkome afwisseling vormden op de dagelijkse sleur. Een foto is voldoende om het moment in herinnering te roepen en je even te verplaatsen naar de plek waar je de foto hebt gemaakt. Misschien droom je wel even weg en vergeet je even waar je mee bezig bent. Je trakteert jezelf op een voorstelling op basis van de informatie die je je nog herinnert. De foto werkt als katalysator voor een reeks (denk)beelden. Tot zo ver loopt het informatieproces prima. De foto is genomen om de plek en situatie vast te leggen voor een herbeleving op een later moment. Het wordt echter lastig om aan een ander duidelijk te maken wat je op dat moment beleefde. De foto is dan niet meer voldoende. Die ander heeft immers geen referentiebeelden. Uitleg en andere foto's zijn nodig om een redelijke voorstelling te geven. Beter is het om een vakantievoorstelling te geven met videofilm. De combinatie van beeld, geluid en commentaar geven de ander een goede voorstelling over de plaats en de gebeurtenissen op het moment van de opname. De ander kijkt mee over je schouders en ziet en hoort precies wat jij op dat moment beleefde. De videofilm laat weinig aan de fantasie over. In dit geval is dat juist ook de bedoeling. De ander moet zich precies voorstellen wat jij hebt beleefd. De videofilm is hiervoor een geschikt informatiemedium. Omgekeerd is de videofilm goed te gebruiken om zelf een voorstelling te maken van een plaats en gebeurtenis die je interesse heeft. Bij het reisbureau vind je promotievideo's die een impressie geven van de onbekende bestemming. Op tv is een documentaire waarin interessante plaatsen worden getoond van jouw vakantieland. Als het moment dan eindelijk is aangebroken blijkt alles er heel anders uit te zien en de gebeurtenissen verlopen anders dan verwacht. Je eigen beelden komen niet overeen met de camerabeelden. Logisch natuurlijk want de camerabeelden zijn letterlijk en figuurlijk uit een ander perspectief genomen. Videofilm is dus een geschikt medium om een ander over je eigen beleving te informeren, maar onvoldoende om je een eigen persoonlijke voorstelling te maken. Dit kan alleen door aanwezig te zijn op de plek van bestemming en deel te nemen aan een gebeurtenis, of niet soms?

De digitale onderdompeling.

2. een goede digitale voorstelling van zaken De cameraman van de videofilm slaagt er niet in een compleet beeld te geven waaruit je een eigen voorstelling kunt opbouwen, terwijl dit toch relatief eenvoudig is. Je hoeft alleen maar zelf aanwezig te zijn (1). Een (moment)opname gemaakt door een ander is niet representatief voor je eigen beleving. Een ander kan jou dan ook geen goede voorstelling van zaken geven! De voorstelling wordt alleen goed wanneer je die zelf maakt. Dit doe je door aanwezig te zijn. Er zijn twee manieren om dit te doen. Je gaat erheen of je haalt plaats en gebeurtenis naar je toe. Aan beide methoden kleven praktische bezwaren. Naar een plaats en gebeurtenis toe gaan kost tijd en geld. Bovendien moet je jezelf losmaken uit je (werk)omgeving. Een realistische reconstructie van een plaats of gebeurtenis lijkt op nog veel meer bezwaren te stuiten, maar schijn bedriegt. Of liever gezegd schijn bedriegt niet. Door gebruik te maken van moderne digitale constructie- en projectietechnieken wordt het wel mogelijk een goede voorstelling van zaken te geven zonder op de plek zelf aanwezig te zijn. Met behulp van 3D-modellering bouw je een digitale kopie van de plaats van bestemming. Dit doe je door de ruimtelijke informatie te digitaliseren. Er ontstaat een fotorealistische digitale maquette. Vervolgens gebruik je gedragsmodellering om objecten in de digitale maquette te animeren en gebeurtenissen te construeren. Ten slotte kun je een interactieve voorstelling maken van de digitale maquette. De technologie die hiervoor wordt gebruikt heet virtual reality (2). De digitale voorstelling is fotorealistisch en interactief. Je maakt je eigen voorstelling door interactie. Via hulpmiddelen zoals een muis, joystick of sensoren manoeuvreer je door de virtuele wereld. Je stuurt als het ware de camera door de digitale voorstelling. Het 3D-simulatieprogramma berekent steeds weer nieuwe beelden en stuurt deze als output naar een monitor of beamer. Elke interactie, verandering, levert een nieuw digitaal beeld op net zoals in de werkelijkheid.

ir. Kuipers, Jorrit

3. ben je een passieve of een actieve gebruiker? De mate waarin je wordt ondergedompeld in de digitale voorstelling is afhankelijk van het realisme van de voorstelling, maar nog meer van het realisme van je interactie op de plek en de deelname aan de gebeurtenissen. Uit onderzoek van onder meer de TU Delft naar de beleving van hoogtevrees op een virtueel flatgebouw blijkt dat met een abstracte voorstelling realistische angstgevoelens opgeroepen worden. In dit specifieke geval is niet het beeld realistisch, maar de dieptewerking. In een rijvaardigheidssimulator is de besturing van de auto en deelname aan het verkeer belangrijker voor een realistische rijervaring dan het realisme van de voorstelling. De interactie met de omgeving en de overige actoren in de virtuele ruimte zijn dus een belangrijk instrument voor het tot stand brengen van een realistische beleving. Interactie zorgt voor verandering in de digitale voorstelling. Deze verandering trekt je aandacht en leidt tot nieuwe interactie. Zonder interactie kun je alleen de voorstelling gadeslaan en elk beeldelement analyseren. De (inter)actieve gebruiker krijgt daar de kans niet toe. De continue verandering van beelden en beeldelementen laat een grondige analyse niet toe. Als je als actieve gebruiker toch probeert de voorstelling te analyseren verlies je al snel controle over de situatie. In het voorbeeld van de rijvaardigheidssimulator reageer je te laat en veroorzaak je ongelukken. Voor een grondige analyse zal de actieve gebruiker de voorstelling stilzetten. Er vindt dan geen interactie meer plaats. De actieve gebruiker wordt een passieve analist. Het realisme van je eigen beleving, de onderdompeling, neemt dus af naarmate je de voorstelling meer gaat analyseren (3).

4. analyse, pas na de voorstelling! Een belangrijke eigenschap van de digitale voorstelling is dat de voorstelling eenvoudig gereconstrueerd kan worden. De parameters van de plaats en de situatie liggen digitaal vast. De interactie van de gebruiker kan eenvoudig worden opgeslagen in een log-file. Op basis van deze gegevens kan een digitale voorstelling volledig worden gereconstru-

De digitale onderdompeling.

eerd. We weten dus exact waar jij was, wat jij zag en welke acties jij hebt uitgevoerd! Analyse van de voorstelling en interactie van de waarnemer is daardoor gemakkelijk achteraf te doen. De waarnemer kan actief aanwezig zijn en deelnemen aan de gebeurtenissen. Na afloop van de voorstelling kan jij of een onderzoeker nauwkeurig analyses uitvoeren en relaties zoeken tussen jouw waarnemingen en jouw interacties. Dit kan allemaal op basis van de kwantitatieve gegevens uit de log-file. Een tweede optie is om letterlijk in de voorstelling te kruipen en vanuit willekeurig posities, bijvoorbeeld een overzicht, jezelf en de omgeving te observeren. Deze werkwijze biedt een architect de mogelijkheid zijn toekomstige ontwerp als waarnemer te beleven en vervolgens zijn eigen waarneming grondig te analyseren. Een architect krijgt beter inzicht in de beleving van zijn ontwerp wanneer hij loskomt uit de analyse en wordt ondergedompeld in een realistische voorstelling van zijn ontwerp. Ervaring is een belangrijk hulpmiddel, maar nooit voldoende voor een realistische voorstelling (4).

5. het digitale rollenspel De actieve waarnemer is acteur in zijn eigen voorstelling. Hij is niet de enige. Andere acteurs, actoren, zijn noodzakelijk om een realistische voorstelling te geven. In een rijvaardigheidssimulator is het overige verkeer noodzakelijk om een realistische situatie te creĂŤren. De actoren zorgen dat de waarnemer wordt (af)geleid en reageert, interacteert. Op basis van deze reacties geven de acteurs een tegenreactie. Hun rol en gedrag zijn vastgelegd in een script. Het script bepaalt het autonome gedrag van de acteur, maar beschrijft ook het specifieke gedrag van de acteur wanneer deze de waarnemer tegenkomt. In de digitale voorstelling is het rollenspel tussen waarnemer en acteurs van wezenlijk belang voor de beleving van de plaats en situatie. Denk maar aan het verschil in de beleving van een winkelstraat overdag en 's avonds. Overdag kijk je naar de etalages en moet je continu letten op de mensen om je heen. 's Avonds ben je nagenoeg alleen en word je je bewust van de ruimte en mooie gevels boven de winkeletalages. 's Avonds kun je besluiten het contact met een passant te vermijden door op tijd een zijstraat in te slaan. Overdag zijn confrontaties niet te vermijden (5). Het digitale rollenspel is een belangrijk ingrediĂŤnt voor een realistische beleving. Naarmate het gedrag van de acteurs realistischer is, wordt de onderdompeling van de waarnemer in de voorstelling groter.

6. iedereen een cave Om je eigen digitale voorstelling te bekijken kun je het beste een projectiesysteem gebruiken. Het meest gebruikte projectiesysteem is de monitor. Een nadeel van de monitor is de geringe maat van het geprojecteerde beeld. Je ziet naast de monitor ook

ir. Kuipers, Jorrit

een aanzienlijk deel van de omgeving. Bovendien moet je fixeren op de monitor en kun je niet vrij bewegen. Deze beperkingen zorgen ervoor dat je een afstand ervaart tot de voorstelling. Deze afstand beperkt de mate van onderdompeling en dus het realisme van jouw beleving. Door de projectie te vergroten wordt de afstand tot de voorstelling steeds kleiner. Je ervaart steeds minder van de omgeving en wordt letterlijk en figuurlijk opgenomen in de geprojecteerde voorstelling. Met behulp van beamerprojectie is het relatief eenvoudig een beeld te projecteren met dezelfde schaal als jouw directe omgeving. Door het toepassen van meerdere beamers, die ieder een deel van de voorstelling projecteren op aaneengesloten wanden, kan een 360-gradenbeeld worden opgebouwd. De bewegingsvrijheid wordt in dit systeem groter en de onderdompeling dus ook. Door toevoeging van projectie op de vloer en het plafond wordt de digitale projectie volledig. Je bent volledig omringd door de voorstelling zoals je normaal gewend bent. Een dergelijk projectiesysteem, een zogenaamde CAVE™, wordt door SARA gebruikt (6). Een belangrijk nadeel van een CAVE™ zijn de aanzienlijke kosten en het ruimtebeslag. Een interessant alternatief voor een CAVE™ is een Head Mounted Display (HMD). Een soort bril met in plaats van brilleglazen twee kleine monitors vlak voor je ogen. Door een trackingssysteem wordt elke beweging van je hoofd geregistreerd en direct doorgegeven aan het programma dat de voorstelling berekent. Iedere beweging resulteert in een exacte verandering van de digitale voorstelling. Je hebt net zoals in de CAVE™ volledige bewegingsvrijheid (7).

De digitale onderdompeling.

conclusie De digitale onderdompeling is een nieuw hulpmiddel voor het beleven van ruimten en gebeurtenissen. Onderzoek naar beleving kan relatief eenvoudig met virtual reality technieken. Virtual reality is een krachtig gereedschap en moet een vaste plaats krijgen in het ontwerpproces van de architect!

samenvatting Een realistische beleving van een architectonisch ontwerp moet aan een reeks voorwaarden voldoen. Videofilm is een geschikt medium om een ander over je eigen beleving te informeren, maar een videofilm is onvoldoende om een persoonlijke voorstelling te maken. Een eigen voorstelling krijg je alleen door aanwezig te zijn op de plek van bestemming en deel te nemen aan een gebeurtenis. Een goed alternatief is virtual reality, een digitale technologie waarmee relatief eenvoudig de beleving wordt gesimuleerd. Het realisme van de beleving, de onderdompeling, neemt af naarmate je de voorstelling meer gaat analyseren. Een architect krijgt meer inzicht in de beleving van zijn ontwerp wanneer hij loskomt uit de analyse en wordt ondergedompeld in een realistische voorstelling van zijn ontwerp. Het digitale rollenspel is een belangrijk ingrediĂŤnt voor een realistische beleving. Naarmate het gedrag van de acteurs realistischer is, wordt de onderdompeling van de waarnemer in de voorstelling groter. Door het gebruik van 360-graden beeldprojectie wordt je bewegingsvrijheid groter en de onderdompeling dus ook. Door toevoeging van projectie op de vloer en het plafond wordt de digitale projectie volledig. Je bent dan als waarnemer volledig omringd door de digitale voorstelling. Virtual reality is een krachtig gereedschap om een realistische digitale voorstelling van een architectonisch ontwerp te maken.

ir. Kuipers, Jorrit

(1) 'aanwezig zijn' wordt in vakjargon 'presence' genoemd (2) virtual reality is een intu誰tieve interface tussen gebruiker en virtuele realiteit. Intu誰tief omdat het direct onze zintuigen prikkelt, virtueel omdat het een digitale werkelijkheid betreft en realistisch omdat het ontworpen is om aan te sluiten bij de belevingswereld van de gebruiker. Kenmerkend voor deze multimedia technologie is de mogelijk om realtime interactie te hebben met een meerdimensionale wereld, haar bouwstenen en de aanwezige actoren. (3) analyse speelt een grote rol bij de uitvoering van belevingsonderzoek; het is mijn mening dat het onderzoek met behulp van foto's, animaties en film een geringe bijdrage levert aan kennis over persoonlijke beleving. De ondervraagde zal immers altijd vanuit een passieve rol zijn antwoorden geven. (4) praktijkervaring is een belangrijk hulpmiddel om een goede voorstelling van zaken te krijgen. Onderzoek van de Hollandse Beton Groep toonde aan dat jonge bouwmanagers veel minder bouwfouten uit geprepareerde bouwtekeningen haalden dan de ervaren bouwmanagers. Door het gebruik van 3D-visualisatietechnieken haalden de jongere bouwmanagers veel meer fouten uit de bouwtekeningen. (5) de beleving van sociale onveiligheid is direct gekoppeld aan de verwachte ongewenste confrontatie met een crimineel. Toetsing van ontwerpen op dit aspect van sociale veiligheid is alleen mogelijk door gebruik te maken van virtuele acteurs. (6) een allesomvattende beeldprojectie wordt in vaktermen 'immersive reality' genoemd. Een nadeel van deze projectietechniek is dat de gebruiker misselijk kan worden doordat de hersenen een beweging visueel signaleren maar het bewegingsapparaat geen beweging registreert. (7) een nadeel van de HMD zijn de nog relatief kleine displays die ongeveer 60 graden beeld weergeven. Overigens wijst onderzoek van TNO TM uit dat deze tekortkoming voor een deel gecompenseerd wordt door extra bewegingen van het hoofd.

Maatvaste en realistische toposcopische maquettes en visualisaties. ir. Annet C. Groneman-van der Hoeven

Bureau Toposcopie Bachlaan 78 6865 ES Doorwerth Telefoon: 026 333 73 52 Fax: 026 333 33 40 E-mail: info@toposcopie.nl Website: www.toposcopie.nl www.toposcopy.com

abstract Toposcopy is a new design, visualization and photogrammetric method that is primarily intended for use in urban and rural planning, architecture and environmental impact studies. The method links a 2D map to a series of photos taken from a tripod or toposcope (automatic level with a camera attached by means of a special adapter). After the data has been processed, the map and the images form an interactive 3D system that can be used to create 2D photo-realistic visualizations of spatial designs in the existing environment and 3D virtual maquettes of urban areas. This is done by alternately clicking on points in the map and a photo. The map becomes 3D with the photo data and a perspective fits exactly on a photo once it is properly linked with the map. The efficiency of the system is far better by using parametric mathematical models of house types, which can be mapped automatically with sections of the toposcopic photos used to construct the models. Repetitive patterns, for example roof tiles and bricks, can be inserted automatically because the precise dimensions of all the planes are known. Therefore a toposcopic maquette is realistic, accurate in scale and easy to make. Toposcopy allows realistic trees, taken from a 'tree library' and showing either their summer or winter form, to be placed in a virtual environment. These automatically turn perpendicular to the direction of view. The same trees can also be drawn on a photo. Toposcopy can import files in DWG (AutoCAD2000 version) and Drawing eXchange Format (DXF) and export files in DXF and the Virtual Reality Modelling Language (VRML). Therefore it can very well be used in combination with standard 3D CAD and visualization programs. In such a case Toposcopy adds the photogrammetric functionality and automatic texture mapping. Reversely a program like 3D Studio (Autodesk) makes it easy to combine a

ir. Groneman-van der Hoeven, Annet C.

textured toposcopic maquette of the existing environment with new spatial designs drawn in a 3D CAD program and to make an animation from it. Being a close range photogrammetric method, Toposcopy can also be used to add detail to large scale virtual worlds made with GIS (Geographic Information Systems) related imaging programs.

trefwoorden: toposcopie, maquette, visualisatie, maatvast, fotorealistisch

1. toposcopische fotogrammetrie Toposcopie is een fotogrammetrische methode, waarbij een plattegrond d.m.v. een perspectiefberekening gekoppeld wordt aan één of meerdere foto's. Plattegrond en foto’s vormen bij de Toposcopie één interactief 3D-systeem. Dat kan worden gebruikt om maatvaste fotorealistische visualisaties te maken van ruimtelijke ontwerpen in een foto van de bestaande omgeving of herkenbare 3D virtuele maquettes van stedelijke en landelijke gebieden. De plattegrond wordt driedimensionaal m.b.v. de fotogegevens. Een perspectief past automatisch precies op een foto, als die met de Toposcopie aan de plattegrond is gekoppeld.

1.1 wat heb je nodig? De methode is gemakkelijk uitvoerbaar. Een plattegrond is vrijwel altijd beschikbaar. Als er voldoende nauwkeurig kaartmateriaal beschikbaar is, kan het camerapunt worden berekend uit drie punten, die zowel in de plattegrond als in de foto kunnen worden geïdentificeerd. Dan kan een foto eventueel uit de hand worden genomen. In andere gevallen wordt voor het nemen van stroboscopische foto's het gebruik van een toposcoop aanbevolen (zie figuur 1). Eén van de belangrijke doelstellingen van de Toposcopie is het driedimensionaal maken van de plattegrond. Als men van één punt in de foto de hoogte weet, b.v. door die zelf te meten, kunnen vervolgens met een behoorlijke nauwkeurigheid ook hoogten worden gemeten met de toposcopische fotogrammetrie. Door als basis van een Toposcoop een waterpasinstrument te nemen, vang je in feite twee vliegen in een klap. Je krijgt nauwkeurige grondhoogtegegevens, die van belang zijn voor b.v. het ontwerpen van lokale afwateringssystemen en je kunt gemakkelijker maatvaste maquettes maken. Verder is de Toposcoop zeer geschikt om panoramafoto's te maken, omdat Figuur 1: de toposcoop.

Maatvaste en realistische toposcopische maquettes en visualisaties.

de camera goed waterpas kan worden gesteld en nauwkeurig over een bepaald aantal graden kan worden doorgedraaid. Er kunnen verschillende soorten camera's worden gebruikt. Ze moeten wel een goede lens hebben. Belangrijk is dat rechte lijnen in de foto niet duidelijk krom gaan lopen. Tegenwoordig ligt het voor de hand om met een digitale camera te werken. De toposcopische software bestaat uit twee programma's, die Topo en Scope heten. Topo is het veldwerkprogramma van de Toposcopie. Het verwerkt de meetgegevens, die met een toposcoop kunnen worden verricht. Als u niet van plan bent om met een toposcoop te gaan werken, heeft u Topo niet nodig. Scope is het fotomeet- en visualisatieprogramma van de Toposcopie. Dat wordt in dit artikel nader toegelicht. Beide programma's zijn getest met de Windows besturingssystemen 95/97/NT/2000. De werkwijze wordt nader toegelicht aan de hand van figuur 2, waarop het programma Scope is afgebeeld met een ingelezen foto.

Figuur 2: het programma Scope met ingelezen foto.

1.2 de fotokalibratie Aan de rechterkant van figuur 2 staat het fotokalibratiescherm. Daarmee wordt de foto gekoppeld aan de plattegrond. De meeste gegevens worden ingevoerd door afwisselend op punten te klikken in de foto en de plattegrond. Er zijn vele keuzemogelijkheden, afhankelijk van de beschikbare apparatuur en gegevens. Als het fotopunt niet bekend is, kan het worden uitgerekend aan de hand van drie in de plattegrond bekende punten, die ook in de foto zichtbaar zijn. De gezichtskegel wordt dan bekend verondersteld. Als het standpunt wel bekend is of met eigen metingen in het programma Topo kan

ir. Groneman-van der Hoeven, Annet C.

worden uitgerekend, wordt de gezichtskegel nauwkeurig berekend. Als geen hoogten bekend zijn, maar men heeft de foto wel goed horizontaal genomen, dan kan de hoogte van het kalibratiepunt (H) worden uitgerekend. Als de hoogte wel bekend is, wordt de verticale rotatiehoek nauwkeurig berekend. Bij elke foto wordt ten minste de blikrichting bepaald aan de hand van één oriëntatiepunt, dat in foto en plattegrond moet worden aangewezen. In principe wordt gewerkt met horizontaal genomen foto's. Als de top van een gebouw, dat ruimtelijk moet worden beschreven, echter niet zichtbaar is in een horizontale foto, dan wordt vanaf hetzelfde standpunt en in dezelfde richting in het x/y-vlak ook een opwaartse foto genomen.

1.3 de fotogrammetrische mogelijkheden Als foto en plattegrond gekoppeld zijn en dus samen een 3D-systeem vormen, is het heel gemakkelijk om daarin te meten. Daarbij worden afwisselend punten aangewezen in de foto en de plattegrond. Dat geldt zowel voor horizontaal als opwaarts genomen foto's. In de user interface is een voorziening gemaakt om gemakkelijk tussen de fotobeelden en de plattegrond te schakelen. Het basisprincipe van de toposcopische fotogrammetrie is als volgt: als men van een bepaald punt de locatie in de plattegrond weet, of als men weet dat het op een bepaalde afstand van een bekende lijn in de plattegrond ligt, is het mogelijk om dat punt volledig driedimensionaal te bepalen door het aan te wijzen in één foto. Dat mag zowel een horizontale als een opwaarts gerichte foto zijn. De locatie van punten, die niet in de foto zichtbaar zijn, wordt bij voorkeur uit de plattegrond gehaald. Als dat niet mogelijk is, kunnen hoogte en locatie fotogrammetrisch worden bepaald met behulp van twee foto's. Een voorbeeld: als men de voorkant van het huis in figuur 2 wil inmeten, moet eerst in de plattegrond met twee punten de gevellijn worden gedefinieerd. De x/y-coördinaten van die punten worden automatisch ingevuld (linksonder in figuur 2). Daarna kan met een enkele klik in de foto direct 3D-informatie worden ingewonnen van punten, die in het gevelvlak zelf liggen of een bepaalde afstand ervoor (overhangend dak) of erachter.

2. virtuele maquettes Een losse verzameling 3D-punten wordt niet vanzelf een mooie en herkenbare 3D-maquette. Daarom is de laatste jaren hard gewerkt om ze met behulp van parametrische modellen automatisch te verwerken tot 3D-objecten. Bovendien kan zo het aantal in te meten punten tot het minimum worden beperkt. Fotobeelden worden automatisch aangebracht op de geconstrueerde vlakken van de modellen.

Maatvaste en realistische toposcopische maquettes en visualisaties.

Figuur 3: maquette, waarbij verschillende modellen door elkaar heen zijn toegepast.

2.1 parametrische modellen In het programma Scope wordt bij het inmeten van gebouwen gewerkt met tien verschillende parametrische modellen. De meeste huistypen worden onderscheiden naar de dakconstructie (zadel, mansarde, wolfseind, etc.) en hebben een linker- en een rechtervariant. Vaak zijn huizen in werkelijkheid opgebouwd uit verschillende basisvormen (zie figuur 3). Gebouwen met een gestapelde bouw of ronde vormen worden bij het modelleren overgetrokken in de plattegrond, waarna ze een fotogrammetrisch bepaalde hoogte krijgen. Onregelmatig gevormde verticale vormen, zoals siergevels, worden daarentegen juist overgetrokken in de foto, waarna ze een bepaalde dikte krijgen in horizontale richting.

2.2 modellen afwerken met kleuren, texturen en fotobeelden Vlakken kunnen automatisch worden beplakt met een deel van de toposcopische foto die gebruikt is om het betreffende model te construeren (zie figuur 4). Dat komt omdat bij de Toposcopie van elk zichtbaar 3D-punt met een perspectiefberekening de exacte plaats in de foto is uit te rekenen. Ook repeterende patronen van b.v. dakpannen kunnen automatisch worden aangebracht, omdat van alle vlakken de afmetingen precies bekend zijn. Als de toposcopische foto zich minder goed leent voor deze zogenaamde texture mapping, kan ook een ander fotobeeld worden gebruikt. Dat moet dan echter apart worden uitgesneden en rechtgetrokken, zoals dat ook bij andere visualisatiemethoden gebruikelijk is. Dat is echter nogal tijdrovend. Bovendien moet men dan zelf een omvangrijke boekhouding opzetten van kleine, bewerkte fotofragmenten, die stuk voor stuk moeten worden verwerkt. Bij de automatische methode onthoudt het programma zelf welke foto is gebruikt om een bepaald 3D-model te construeren en â&#x20AC;&#x2DC;snijdtâ&#x20AC;&#x2122; het de juiste vlakjes uit het fotobeeld automatisch voor u uit. Hiermee wordt zeer veel tijdwinst geboekt.

ir. Groneman-van der Hoeven, Annet C.

Figuur 4: het afwerken van een maquette met kleuren, texturen en fotobeelden.

3. visualisaties op basis van een foto De Toposcopie is ook een betrouwbare en professionele methode voor het maken van nauwkeurige 2D fotorealistische visualisaties van ruimtelijke ontwerpen in de bestaande omgeving. Dat is met name belangrijk bij visualisaties in gebieden, waar maar weinig punten in de foto kunnen worden aangewezen, waarvan men met zekerheid de plaats in een plattegrond kan aanwijzen of waarvan onvoldoende hoogtegegevens bekend zijn. Bij de Toposcopie kan men, als men met een toposcoop werkt, altijd zelf de missende gegevens met enkele metingen aanvullen. Het principe wordt uitgelegd aan de hand van nevenstaande beelden. Een toposcopisch project bestaat altijd uit een plattegrond en een of meer foto's van de bestaande omgeving. De pijl in de plattegrond geeft de blikrichting van de foto aan. In de plattegrond is een ruimtelijk ontwerp ingetekend. Dat wordt driedimensionaal ingevoerd in de database. Deze informatie kan in perspectief worden getoond op de foto. Foto plus perspectief worden ingelezen in een Pain-programma en daar verder uitgewerkt. Een dergelijke visualisatie is snel uit te voeren, is herkenbaar en gegarandeerd maatvast. De bomen zijn vanuit de database over de foto getekend.

Plattegrond

Foto

Perspectief

Visualisatie

Figuur 5: de vier elementen van een toposcopische fotorealistische visualisatie.

Maatvaste en realistische toposcopische maquettes en visualisaties.

4. het visualiseren van beplanting Aan het programma Scope kan een bomenbibliotheek worden gekoppeld. Die bevat van het hele Nederlandse bomenassortiment kenmerken van hoogte, kroonvorm, standplaatsfactoren, bodemeisen, bloei, bloemkleur, herfstkleur e.d. Aan deze database zijn beelden toegevoegd, die in Scope kunnen worden gebruikt om fotorealistische bomen in zomer- of wintervorm op een foto of in een VR-wereld te plaatsen. De bomen worden aangeroepen met de IMAG-code. Dat is een in de handel algemeen gebruikte code van maximaal acht letters, waarmee elke boom of plant eenduidig kan worden bepaald. Bomen kunnen in Scope heel gemakkelijk vermenigvuldigd. Grondhoogte en eigen hoogte kunnen per boom worden bijgesteld. De bomen kunnen in het programma over een foto worden getekend. U kunt vooraf instellen of u zomervormen wilt zien of wintervormen. Als de toposcopische database geĂŤxporteerd wordt in VRML, worden de bomen automatisch op transparante borden geplaatst, die in een VR-omgeving meedraaien met de kijkrichting. Behalve met losse bomen kan in het programma Scope ook worden gewerkt met bosblokken. Daarmee kan men bossen, hagen, houtwallen en een onderbegroeiing van struiken visualiseren. De zijkanten van een bosblok worden beplakt met gedeeltelijk transparante pixelbeelden, die in horizontale richting net zo vaak worden herhaald tot alles bedekt is. In verticale richting wordt het patroon geschaald en niet herhaald. Daardoor ziet de top van een dergelijk beplantingsblok er zeer realistisch uit. Bosblokken kunnen goed worden gecombineerd met losse bomen.

5. ronddraaiende panorama's De toposcoop is bijzonder geschikt om panoramafoto's te maken. Daar is bij de bespreking van de toposcoop reeds op gewezen. In het programma Scope is een speciale routine ingebouwd waarmee men gemakkelijk een hele serie foto's, die samen een 360-graden panorama vormen, tegelijk kan kalibreren. Het is mogelijk en zinvol om in de afzonderlijke foto's eerst een ontwerp te visualiseren en ze daarna aaneen te lassen tot een panorama met b.v. het programma Photovista (MGI software). Er zijn verschillende programma's, die een dergelijk panorama kunnen laten ronddraaien en het is zelfs mogelijk om in- en uit te zoomen. Het lijkt dan of je je beweegt in een virtuele maquette, maar dat is in werkelijkheid natuurlijk niet zo. Het is geen 3D-maquette, waar je met een VRML-browser vrijelijk doorheen kunt lopen. Dat neemt niet weg dat het een mooie en gemakkelijk uitvoerbare visualisatietechniek is.

ir. Groneman-van der Hoeven, Annet C.

6. compatibiliteit De toposcopische programma's kunnen CAD-tekeningen inlezen in AutoCAD 2000 DWG of een recent DXF-format. De 3D-gegevens worden in eerste instantie opgeslagen in een Microsoft Access database. Die kan worden geĂŤxporteerd in zowel DXF als VRML. Dat maakt dat Scope heel goed kan worden toegepast in combinatie met een programma als 3D Studio van Autodesk. Enerzijds is de Toposcopie met de fotogrammetrische mogelijkheden, de automatische texture mapping en de bomenbibliotheek aanvullend op 3D Studio. Anderzijds kan dit programma de met texturen en kleuren bewerkte toposcopische 3D-maquette van de bestaande omgeving combineren met 3D ruimtelijke ontwerpen, die in een CAD-programma zijn getekend. De DXF-export levert een ongekleurde 3D-maquette op, die in vrijwel elk 3D CADprogramma kan worden ingelezen en verder uitgewerkt. 3D-maquettes, die met verschillende technieken zijn gemaakt, laten zich vrij gemakkelijk combineren, omdat een VRML opgebouwd wordt met kleine, zelfstandig opererende modules. Toposcopie kan daarom ook worden gebruikt om detail toe te voegen aan grootschalige maquettes, die met verticale of schuin naar beneden gerichte luchtfoto's zijn gemaakt en die doorgaans bedoeld zijn om in vogelvlucht te bekijken. Als het wenselijk is om zoâ&#x20AC;&#x2122;n globaal digitaal terreinmodel plaatselijk ook vanaf de grond te kunnen bekijken, kan men daar met de Toposcopie b.v. realistisch uitziende huizen en bomen aan toevoegen.

Virtuele planten in onderzoek, onderwijs en marketing Virtual plants in research, education and marketing P.H.B. de Visser 1, L.F.M. Marcelis 1, G.W.A.M. van der Heijden 1, J.B. Evers 2, J. Vos 2 en P. Struik 2.

Virtuele Plant Netwerk Wageningen 1 Plant Research International 2 Leerstoelgroep Gewas- en Onkruidecologie Departement Plantwetenschappen Wageningen Universiteit Postbus 16 6700 AA Wageningen Telefoon: 0317 47 58 22 Fax: 0317 42 31 10 E-mail: p.h.b.devisser@plant.wag-ur.nl

abstract The recently developed virtual plant technology has strongly increased the number of model applications in crop sciences. Virtual plants are based on a new modelling concept and are generated in a three-dimensional (3D) virtual space. The technique facilitates the incorporation of 3D environmental effects on plant growth and development. In this paper the methods to generate virtual plants are described. A number of agronomic applications, ranging from plant competition for light and water, to effectiveness of pest control, is presented. Also in education and marketing virtual plants are a powerful tool to understand and visualise plant growth and appearance.

1. inleiding In de toegepaste landbouwwetenschappen is inmiddels veel bekend over de processen groei, ontwikkeling en productie van gewassen. Een opvallende kennislacune is nog aanwezig in de effecten van ruimtelijke variatie in groeiomstandigheden op de gewasgroei. Onderzoek op basis van driedimensionale (3D) modellen van planten (virtuele planten) beoogt in deze ontbrekende kennis te voorzien. Een model van virtuele planten berekent de groei op basis van meerdere planten in een realistisch plantverband, waarbij per individu tot op orgaanniveau simulaties worden uitgevoerd. Voor de landbouw wordt een groot aantal mogelijke toepassingen met virtuele planten opgesomd door Room et al. (1996). Meer dan de helft van hun suggesties is al in de praktijk beproefd:

De Visser, P.H.B., L.F.M. Marcelis, G.W.A.M. van der Heijden, J.B. Evers, J. Vos & P. Struik

■ beheersing van ziekten en plagen: verbeterde schatting van schadedrempels door simulatie van interacties tussen plantenarchitectuur, insecticide-depositie, insectenmobiliteit en -vraat, en groeicompensatie; ■ biologische bestrijding van onkruiden: kennis van relatie tussen plantenarchitectuur van onkruiden en de insecten of pathogenen die dit onkruid kunnen bestrijden; ■ management van pathogenen: beter begrip van ziekten door simulatie van pathogeendepositie en het effect van microklimaat van de plant; ■ ontwikkeling van plant-ideotypen die voldoen aan bepaalde morfologiecriteria, zoals grootte van de bladkroon voor lichtonderschepping, gemakkelijk oogstbare vorm, etc.; ■ teeltwijze: concurrentievoordeel van gewassen bij een bepaalde plantdichtheid, vorm van wortelstelsel; ■ snoeiwijze: simulatie van optimale snoeimethode om compenserende groei te bestuderen; ■ insectengedrag: inzicht door simulatie van beweging, fourageren en predatie op groeiende planten; ■ ontwikkelingsbiologie: toetsen van effect van genwijzigingen op 3D-structuur; ■ remote sensing: reflectie wordt beïnvloed door ruimtelijke structuur van kronendak en wordt beter ingeschat met 3D-modellen; ■ landschapsarchitectuur: virtuele presentatie van interactie tussen beplanting en bebouwing; ■ kunst en entertainment: als onderdeel van spellen en films, maar ook puur esthetisch. Hieronder wordt eerst uiteengezet hoe in het onderzoek het model van een virtuele plant wordt gegenereerd. Vervolgens zullen een aantal toepassingen in het teeltmanagement worden gepresenteerd. Afsluitend komt een aantal toekomstige ontwikkelingen aan bod.

Figuur 1: schematische (links) en realistische (rechts) weergave van de opbouw van een katoenplant (Room et al., 1996).

Virtuele planten in onderzoek, onderwijs en marketing.

2. berekening van de 3d-vorm van de groeiende plant De beschrijving van de vorm of morfologie van de plant is op meerdere wijzen mogelijk. Door de plant in te scannen (zie paragraaf 3) wordt een geometrisch model verkregen. Hiermee kan in de groeimodellering niet direct worden gewerkt. Voor modeltoepassingen wordt vaker op basis van de topologie gewerkt. Een topologisch model van een plant beschrijft het aantal aanwezige componenten, waaronder blad, bladsteel, stengel, bloem en wortel, en hun ruimtelijke verbinding. Een zich ontwikkelende plant zal deze componenten vormen volgens een bepaald patroon, meestal afhankelijk van de omgevingstemperatuur. Karakteristiek voor een plant is de herhaling (recursie) van dit patroon: uit elke knop komt een steeltje, een blad en weer een nieuwe knop. Een simulatieprogramma zal deze wijzigende topologie moeten kunnen beschrijven, hetgeen andere programmatuur vereist dan gebruikelijk in de niet-3D-modellering. De plant kan vervolgens zowel schematisch als realistisch worden weergegeven, afhankelijk van de softwaremogelijkheden (figuur 1). Het topologisch model wordt gekalibreerd aan de hand van metingen, bijvoorbeeld via een 3D-scanner (zie hieronder).

3. digitaliseren van de plant In het plantkundig onderzoek is 3D-informatie noodzakelijk ter verbetering van de groeimodellen. Hiervoor is het nodig dat van individuele planten 3D-posities en afmetingen worden bepaald van bladeren, bloemen en stengels. Ook kleur en vorm van de plant kunnen belangrijk zijn. De planten moeten in de tijd worden gevolgd, de methode moet dus niet-destructief zijn. De methode behoort bij voorkeur planten in het geheel te kunnen inscannen, zodat de plant als een volledig 3D-model in de computer voorhanden is. Dit 3D-model levert vervolgens de parameters die voor groeimodellering gewenst zijn, zoals positie van de bladeren en lengte van internodiĂŤn. Er zijn vele principes en apparaten bekend om objecten in te scannen. In het virtuele plantonderzoek zijn slechts enkele methoden relevant: 1. Laser-scanner: de voordelen van de methode zijn de grote nauwkeurigheid en robuustheid (lokale metingen). Nadelen zijn de vaste resolutie (dikte van laserlijn is een beperking voor het opnemen van bijvoorbeeld de kleine bloemen van Arabidopsis thaliana (zandraket), en scattering van de laserlijn bij semi-transparantie (translucent), hetgeen vaak bij planten voorkomt. 2. Touch probes: met een soort aanwijsstok wordt de 3D-positie van een plantcomponent aangegeven. De methode is zeer robuust en fouten kunnen ter plekke worden hersteld. Het nadeel van deze methode is dat zij tijdrovend is en dat er slechts een schematisch beeld wordt gegenereerd.

De Visser, P.H.B., L.F.M. Marcelis, G.W.A.M. van der Heijden, J.B. Evers, J. Vos & P. Struik

3. Profiling: door het silhouet van het object waar te nemen tegen een standaardachtergrond wordt het profiel van het object verkregen vanuit een bepaalde hoek (figuur 2). Door het object rond te draaien op een gekalibreerde tafel wordt uiteindelijk een volledig 3D-beeld verkregen, met kleurinformatie. De methode is redelijk robuust, maar kent wel een aantal nadelen. Concaviteiten, zoals een deuk in het object, die niet vanuit een profiel zichtbaar zijn, worden opgevuld. De eerste proeven wijzen uit, dat de methode bij eenvoudige plantvormen optimaal werkt (zie figuur 2), maar bij complexe plantvormen een aantal beperkingen kent. Indien zorgvuldig gekalibreerd, levert de profiling-methode de beste resultaten van bovengenoemde methoden. Er wordt een compleet 3D-beeld geleverd met vorm, afmetingen en kleurinformatie. Naar keuze kan hieruit nadien de benodigde informatie worden afgeleid. Het principe is simpel en eenvoudig en kan naar wens worden aangepast of verbeterd.

Figuur 2: het 3D-scanstation (links) werkt via 'profiling' en genereert zowel een 'wireframe' (voor roos, rechts) als kleur en textuur (niet afgebeeld) (Foto PRI).

4. modelleren van de virtuele plant 4.1 de basis De tot op heden in Wageningen meest gebruikte groeimodellen (zie o.a. Van Laar et al., 1992; Marcelis et al., 1998) zijn mechanistisch van aard. Berekening van fotosynthese, verdamping, drogestofproductie en oogstbaar product zijn tenslotte voor praktische toepassingen van belang. Aan de structuur werd alleen aandacht besteed voorzover het de productie kon be誰nvloeden, maar dit was een forse vereenvoudiging van de realiteit.

Virtuele planten in onderzoek, onderwijs en marketing.

In het laatste decennium doet zich een sterke ontwikkeling voor in de groeimodellen voor planten die de 3D-structuur berekenen. Met name dankzij de laatste ontwikkelingen op gebied van 3D-vormgeving en animaties in de grafische sector, worden de mogelijkheden om complexe plantvormen in een computermodel te vervatten steeds groter. Deze complexiteit vraagt om functionele, robuuste en heldere software. Slechts een aantal mathematische benaderingen zijn geschikt om plantengroei en -ontwikkeling in 3D te simuleren. De simulatie-software zal een register van alle aanwezige plantcomponenten, zoals vermeld in paragraaf 2, moeten bijhouden. Deze componenten worden beschreven middels hun topologie (functionele plaats binnen de plantstructuur) en geometrie (feitelijke positie in X,Y,Z-coördinaten). Software op basis van 'object oriented programming' (OOP) leent zich goed om functionele componenten als blad of stengel in een objectklasse te plaatsen. OOP kan in principe worden gecodeerd om plantengroei en -ontwikkeling te simuleren. Voor groei en animaties is software die recursie kan beschrijven erg geschikt. 3D-modellering met behulp van het L-systeem algoritme heeft deze functionaliteit. Dit algoritme is ontwikkeld door Aristid Lindenmayer (=L) (1968), en in het standaardwerk The Algorithmic Beauty of Plants (Prusinkiewicz and Lindenmayer, 1990) zijn vele fraaie voorbeelden van de kracht en schoonheid van L-systemen te zien. Een L-systeem bestaat uit een set rekenregels, die een 'string' van symbolen genereert. Bij iedere tijdstap worden symbolen aan de 'string' toegevoegd: de plant gaat groeien. De symbolen komen overeen met plantcomponenten, zoals beschreven in paragraaf 2. Een simpel L-systeem wordt weergegeven in figuur 3.

Een voorbeeld van een productieregel:

A => I [ B ] [ K ] A A = apex, I = internode, B = blad, K = knop Het gedeelte voor de pijl is de ‘predecessor’, het gedeelte erna de ‘successor’. Met deze regel wordt feitelijk gezegd de predecessor A wordt vervangen door de successor I[B][K]A, ofwel: een apex wordt vervangen door een internodium met nieuwe apex, en met als ‘takken’ (aangegeven door [ ] ) een blad en een knop.

Figuur 3: een eenvoudige productieregel in L-systeem syntax. De productieregel kan wat worden uitgebreid tot twee bladeren en twee apices. Met wat toegevoegde 3D-informatie, levert dat de volgende productieregel: A --> I[+(80)B][-(80)B][-(45)A][+(45)A]B

De Visser, P.H.B., L.F.M. Marcelis, G.W.A.M. van der Heijden, J.B. Evers, J. Vos & P. Struik

Hierbij geeft de waarde 80 de hoek van het blad aan t.o.v. de groeiende apex (hier in feite de steel), en 45 de hoek, gerekend vanaf de vorige stand van de apex (dit wordt de 'turtle' genoemd, die al zigzaggend verder groeit). De computercode die L-systemen beschrijft, kan met betrekkelijk simpele formules toch complexe structuren genereren. Tevens is het relatief eenvoudig om signalen of stoffen (bijvoorbeeld hormonen) tussen de componenten te laten stromen. Een belangrijke aanvulling bestaat uit zogenaamde Open L-systemen, die kunnen communiceren met de omgeving van de plant. Deze communicatie kan het volgende betreffen (in navolging van Mech en Prusinkiewicz, 1999): a) lichtabsorptie: een specifiek blad kent lokale lichtomstandigheden, die door een combinatie van plantmodel en lichtmodel worden berekend; b) verdamping: lokale turbulentie, temperatuur en dampdruk sturen de bladtranspiratie; c) fysieke hindernissen: een tak stuit op een muur, een naburige tak, of wordt gesnoeid; d) voeding en water: wortels groeien niet verder onder ongunstige condities.

4.2 De toepassing: combinaties van structurele en functionele modellen Uit de meest recente ontwikkelingen blijkt dat meestal een bestaand fysiologisch model wordt gekoppeld aan een model dat topologie en geometrie in de 3D-ruimte kan beschrijven (zoals L-systemen). Ook moet vaak nog een aantal modules worden toegevoegd die de omgevingscondities (zoals straling en luchtvochtigheid) in drie dimensies berekenen. Hieronder volgt een aantal toepassingen van dit soort gecombineerde modellen. Zij illustreren de mogelijkheden met virtuele planten.

Figuur 4: een aantal dagen na bespuiting met insecticide heeft zich nieuw, onbeschermd blad gevormd (29% van totaal, groen)(Room en Hanan, 1995).

A. Insectenbestrijding in katoen Het model Virtual Cotton (Room en Hanan, 1995) is ontwikkeld om managementadvies te geven bij de teelt van katoen. Vooral het plantverband ter vermijding van onderlinge

Virtuele planten in onderzoek, onderwijs en marketing.

competitie en onkruidontwikkeling, en de sproeiwijze ten behoeve van de insectenbestrijding waren relevante, ruimtelijke aspecten. Per variëteit en per groeiperiode kan katoen virtueel worden geteeld en kunnen teeltmaatregelen worden gesimuleerd. Een illustratie van het effect van insecticide-toediening laat zien, dat op een zeker moment daarna reeds nieuwe bladeren ontstaan die geen bescherming meer genieten van het bestrijdingsmiddel (figuur 4).

B. Droogtestress bij wortels (Mech en Prusinkiewicz, 1999) Een architectonisch model van wortelgroei wordt gekoppeld aan een model dat het vochtgehalte in de bodem in 3D simuleert. De voxels (pixels in 3D) zijn de kleinste rekeneenheid. De wet van Darcy bepaalt het watertransport tussen de voxels. Indien de geleidbaarheid voor water in de bodem hoger is, zullen de wortels meer van elkaar af groeien om nog voldoende water te kunnen opnemen (figuur 5). Dezelfde groeireactie is te zien als de wateropnamesnelheid van de plant wordt vergroot.

Figuur 5: wortels groeien verder uiteen (links) als de watervoorraad door hogere opnamesnelheid eerder vermindert (Mech en Prusinkiewicz, 1999).

C. Bespuiting van maïs De 3D-modellen voor maïs zijn ver ontwikkeld. Met name het INRA in Frankrijk heeft hier veel aan gewerkt (zie o.a. Fournier en Andrieu, 1999). Op basis van het L-systeem voor maïs kan de ruimtelijke structuur van het gewas worden berekend. Insectenaantasting begint vaak bij de 'oortjes' van de plant. Besproeiing met insecticide kan veel effectiever als alleen in die regio's van de plant wordt gespoten.

D. Snoeien en rozenkwaliteit Hoeveelheid en kwaliteit van rozen afgestemd op de vraag zijn mogelijk beter in te schatten. Een 'virtuele roos'-model zou het effect van het snoeipatroon op knopuitloop en -aantal voor diverse variëteiten kunnen simuleren. Het effect van lokaal snoeien en het buigen van takken is juist in 3D-modellen goed te verwerken.

De Visser, P.H.B., L.F.M. Marcelis, G.W.A.M. van der Heijden, J.B. Evers, J. Vos & P. Struik

E. Studie van plantvormen in het onderwijs Het gebruik van de L-systeem software is betrekkelijk eenvoudig. Hoewel bepaalde toepassingen een complex L-systeem vereisen, is een simpele plantvorm snel te simuleren. Bepaalde vormparameters kunnen real-time worden gewijzigd, zodat het effect op de vorm direct zichtbaar is. In het onderwijs is dergelijke software zeer geschikt om het effect van parameters te illustreren.

F. 3D-visualisaties voor marketingdoeleinden Het weergeven van een bepaalde variĂŤteit van een sierplant in 3D geeft een realistischer beeld dan een platte foto. Het gesimuleerde effect van bepaalde klimaatcondities of teeltmaatregelen op groei en vorm van een plant is zeer verhelderend. In wezen biedt bovengenoemde software de mogelijkheid het product dichter bij de klant te brengen, zodat deze eerder en beter geĂŻnformeerd zijn product kan kiezen. Op internet zijn binnen andere marktsectoren al veel 3D-visualisaties in gebruik voor marketingdoeleinden.

5. vooruitblik Onderzoek aan en toepassing van virtuele planten zal zich mondiaal snel uitbreiden. De vele toepassingen kan men zich nog nauwelijks realiseren. De techniek levert vrijwel geen beperkingen op, er zijn echter veel meetgegevens nodig om een model te kalibreren. Dergelijke grote hoeveelheden informatie kunnen alleen door relatief grote onderzoeksgroepen worden gegenereerd. Dit kan ook worden bereikt door een grotere samenwerking tussen groepen. In de praktijk blijkt reeds dat voorheen gescheiden functionerende groepen nu vitale informatie willen uitwisselen, bijvoorbeeld over modellering of over gegevens van plantstructuren.

Virtuele planten in onderzoek, onderwijs en marketing.

literatuur Fournier C. and Andrieu B. 1999. ADEL-maize: an L-system based model for the integration of growth processes from the organ to the canopy. Application to regulation of morphogenesis by light availability. Agronomie 19: 313-327. Lindenmayer, A., 1968. Mathematical models for cellular interactions in development, Parts I and II, J.Theor.Biol. 18, 280-315 Marcelis, L.F.M., Heuvelink, E. & Goudriaan, J. 1998. Modelling biomass production and yield of horticultural crops: a review. Scientia Horticulturae 74: 83-111. Mech, R. and Prusinkiewicz, P., 1999. Visual models of plants interacting with their environment. Proceedings of SIGGRAPH 96 (New Orleans, Louisiana, August 4-9, 1996). In Computer Graphics Proceedings, Annual Conference Series, 1996, ACM SIGGRAPH, pp. 397-410. Prusinkiewicz, P. and Lindenmayer, A., 1990. The Algorithmic Beauty of Plants. Springer-Verlag. Room, P. and Hanan, J., 1995. Virtual cotton: a new tool for research, management and training. In: Constable, G.A., Forrester, N.W. (eds.), Challenging the Future: Proceedings of the World Cotton Research Conference - 1; Brisbane. CSIRO Publishing, Melbourne, pp. 40-44. Room, P., Hanan, J. and Prusinkiewicz, P., 1996. Virtual plants; new perspectives for ecologists, pathologists and agricultural scientists. Trends in plant science, Elsevier Trends Journals, vol. 1, no. 1, 33-38. Van Laar, H.H., Goudriaan, J. en Van Keulen, H., 1992. Simulation of crop growth for potential and water-limited production situations (as applied to spring wheat). Simulations Report 27, Plant Research International, Wageningen. 72 pp.

Dit symposium wordt mede mogelijk gemaakt door:

De activiteiten van VIAS worden gesponsord door: ■

AgriHolland

■

Diva

■

Pac GreenWare

■

Stoas GreenWise

■

W!SL

vias ict vereniging voor landbouw, voeding en groene ruimte postadres: VIAS, postbus 434, 6700 AK Wageningen internet: www.vias.nl, e-mail: vias@vias.nl