[論文レビュー] A Reference Architecture for the American Multi-Modal Energy System

Dakota J. Thompson, Amro M. Farid|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2020

Global Energy and Sustainability Research参考文献 97被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、米国多モードエネルギー・システム（AMES）のSysMLベースの参照アーキテクチャを提案し、電力網、天然ガス、石油、石炭のシステムを統合することで、持続可能なエネルギー移行のためのモデルベースシステムエンジニアリング（MBSE）を可能にする。このアーキテクチャはS&P Global PlattsおよびEIAのデータセットに基づいて構築されており、変化しないまま、再生可能エネルギーの統合、エネルギー効率の向上、電気化を含むさまざまなシナリオの動的インスタンス化を可能にし、レジリエンス分析と政策シミュレーションを支援する。

ABSTRACT

The American Multimodal Energy System (AMES) is a system-of-systems comprised of four separate but interdependent infrastructure systems: the electric grid, the natural gas system, the oil system, and the coal system. Their interdependence creates the need to better understand the underlying architecture in order to pursue a more sustainable, resilient and accessible energy system. Collectively, these requirements necessitate a sustainable energy transition that constitute a change in the AMES instantiated architecture; although it leaves its reference architecture largely unchanged. Consequently, from a model-based systems engineering perspective, identifying the underlying reference architecture becomes a high priority. This paper defines a reference architecture for the AMES and its four component energy infrastructures in a single SysML model. The architecture includes (allocated) block definition and activity diagrams for each infrastructure. The reference architecture was developed from the S&P Global Platts (GIS) Map Data Pro data set and the EIA Annual Energy Outlook dataset. This reference architecture serves as the foundation from which to accurately and consistently create mathematical model of the AMES.

研究の動機と目的

• 米国多モードエネルギー・システム（AMES）の、相互に依存する電力網、天然ガス、石油、石炭のシステムを含む、安定的かつ不変の参照アーキテクチャを確立すること。
• エネルギー移行のシミュレーションに共通の構造的・行動的基盤を定義することで、モデルベースシステムエンジニアリング（MBSE）を支援すること。
• システムの境界、コンポーネント、機能、インターフェースを形式化することにより、AMESの一貫性があり正確な数学的モデリングを可能にすること。
• 持続可能性の目標の下で異なる技術構成のインスタンス化を通じて、構造的レジリエンスと政策の影響の分析を促進すること。
• 再生可能エネルギーの統合、効率改善、電気化を含む脱炭素化パスの評価に再利用可能なフレームワークを提供することで、持続可能なエネルギー移行を支援すること。

提案手法

• ブロック定義図（BDD）とアクティビティ図を用いて、4つのエネルギー・システムそれぞれの構造と動作をモデリングするSysMLベースの参照アーキテクチャを開発した。
• S&P Global Platts（GIS）Map Data ProおよびEIA Annual Energy Outlookのデータを統合し、アーキテクチャを現実のインfra構造とエネルギー流量データに基づかせた。
• モデル内でシステム機能とリソースを割り当てることで、エネルギーインフラ間のバリューチェーンと相互依存関係を表現した。
• SysMLモデルから異種機能グラフ（HFG）への変換を可能にし、障害または攻撃シナリオ下での構造的レジリエンス分析を実現した。
• 同じ参照フレームワーク内で、再生可能エネルギーの増加、エネルギー効率の向上、電気化などの複数のシナリオのインスタンス化を可能にした。
• デバイスモデルに一貫した時間分解能を割り当てることで、エネルギー種別の共同最適化を可能にする多エネルギーフローのシミュレーションと最適化を支援した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑で相互に依存する米国多モードエネルギー・システム（AMES）に対して、安定的かつ再利用可能な参照アーキテクチャをどのように定義できるか。
• RQ2 AMESのSysMLベースのモデルは、エネルギー移行パスの一貫性のある数学的モデリングとシミュレーションをどの程度支援できるか。
• RQ3 異なる技術構成やコンポーネント障害の下で、インスタンス化されたシステム構成を通じてモデル化されたAMESの構造的レジリエンスはどのように変化するか。
• RQ4 参照アーキテクチャは、エネルギー、水、インフラストラクチャ・システム間の協働戦略の分析を可能にし、従来のトレードオフを克服できるか。
• RQ5 不変の参照アーキテクチャは、脱炭素化に伴う動的変化、例えば再生可能エネルギーの浸透率上昇や電気化の進行を、どのようにインスタンス化されたアーキテクチャに組み込むことができるか。

主な発見

• AMESの参照アーキテクチャは、SysMLを用いて電力網、天然ガス、石油、石炭のシステムおよびそれらの相互依存関係をモデリングするための安定的かつ不変の基盤を提供する。
• このアーキテクチャは、再生可能エネルギーの増加、エネルギー効率の向上、全セクターにわたる電気化を含む、多様なエネルギー移行シナリオの一貫したインスタンス化を可能にする。
• SysMLモデルから導出された異種機能グラフ（HFG）により、コンポーネントの劣化や攻撃に対する構造的レジリエンスの定量的分析が可能になる。
• 共通の標準化されたモデルを複数の分野や組織で維持することで、政策の影響とインfra構造計画のシミュレーションを支援する。
• モデルは、コスト、信頼性、持続可能性を同時に向上させる協働戦略を特定するのにも使用でき、インfraストラクチャのロックインやトリレマのトレードオフを克服する。
• 出典データセットにおけるデータの定常性の仮定があるものの、アーキテクチャは忠実度を損なわずに動的シナリオ分析と長期的移行モデリングをサポートする。