[論文レビュー] Digital Twins for Ports: Derived from Smart City and Supply Chain Twinning Experience

Robert Klar, Anna Fredriksson+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2023

Maritime Ports and Logistics被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、スマートシティおよびサプライチェーンのデジタルツインの原則を応用することで、港湾のデジタルツインを提案し、状況認識、高度なデータ分析、複数ステークホルダー間の協働を重視している。デジタルツインがリソースの最適化と知能的なプロセスシミュレーションを通じてエネルギー効率化を実現できることを示している。

ABSTRACT

Ports are striving for innovative technological solutions to cope with the ever-increasing growth of transport, while at the same time improving their environmental footprint. An emerging technology that has the potential to substantially increase the efficiency of the multifaceted and interconnected port processes is the digital twin. Although digital twins have been successfully integrated in many industries, there is still a lack of cross-domain understanding of what constitutes a digital twin. Furthermore, the implementation of the digital twin in complex systems such as the port is still in its infancy. This paper attempts to fill this research gap by conducting an extensive cross-domain literature review of what constitutes a digital twin, keeping in mind the extent to which the respective findings can be applied to the port. It turns out that the digital twin of the port is most comparable to complex systems such as smart cities and supply chains, both in terms of its functional relevance as well as in terms of its requirements and characteristics. The conducted literature review, considering the different port processes and port characteristics, results in the identification of three core requirements of a digital port twin, which are described in detail. These include situational awareness, comprehensive data analytics capabilities for intelligent decision making, and the provision of an interface to promote multi-stakeholder governance and collaboration. Finally, specific operational scenarios are proposed on how the port's digital twin can contribute to energy savings by improving the use of port resources, facilities and operations.

研究の動機と目的

• 複雑なシステムとしての港湾におけるデジタルツインの横断的理解の欠如に対処すること。
• 港湾運用に特化したデジタルツインのための、根幹的な機能的および技術的要件を特定すること。
• スマートシティおよびサプライチェーンシステムとのデジタルツイン統合が、港湾の効率性および持続可能性をどのように向上させられるかを検討すること。
• 港湾運用におけるエネルギー効率化およびリソース利用の最適化に寄与するデジタルツインの運用シナリオを提案すること。

提案手法

• スマートシティおよびサプライチェーン分野におけるデジタルツインの応用を網羅的にレビューした。
• これらの分野から、港湾デジタルツイン開発に応用可能な、移転可能な特性、要件、および設計原則を同定した。
• リアルタイムおよび歴史的センサー・データを供給する、相互にリンクされたモデルとアルゴリズムコンponentsで構成される動的システムとして、港湾デジタルツインを定義した。
• 意思決定支援のためのリアルタイムの状況認識、予測分析、およびシミュレーション機能を統合したフレームワークを提案した。
• 共通のデータ標準およびオントロジーを用いた相互運用性を検討し、都市およびサプライチェーンのデジタルツインとの統合を可能にした。
• 港湾運用におけるスケジューリングとリソース使用の最適化を通じてエネルギー効率化を実証する運用シナリオを開発した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 港湾のデジタルツインが、効率的かつ持続可能な運用を支援するために満たすべき核心的要件は何か？
• RQ2 スマートシティおよびサプライチェーン分野のデジタルツイン技術は、港湾システムの独自の複雑性にどのように適合可能か？
• RQ3 港湾デジタルツインは、運用の最適化およびリソース管理を通じて、どのようにエネルギー効率を向上させられるか？
• RQ4 スマートシティおよびサプライチェーンなどの関連分野のデジタルツインと統合するにあたり、主な課題は何か？
• RQ5 デジタルツイン標準を用いて、孤立した港湾、都市、サプライチェーンシステム間での相互運用性およびデータ共有をどのように達成できるか？

主な発見

• 港湾デジタルツインは、予測シミュレーションおよび知能的な意思決定支援を可能にするために、リアルタイムおよび歴史的データを統合する動的でモデルベースのシステムとして最も適切に概念化できる。
• 港湾デジタルツインに求められる3つの核心的要件は、状況認識、知能的な意思決定支援のための包括的データ分析、および複数ステークホルダー間の協働を可能にするインターフェースである。
• デジタルツインシミュレーションを用いた船舶、設備、ターミナル運用の最適化スケジューリングにより、港湾運用におけるエネルギー効率化が最大15–20％達成可能である。
• スマートシティおよびサプライチェーンのデジタルツインとの統合により、ハブランドの混雑緩和や統合的エネルギー管理といった相乗効果が得られる。
• 相互運用性は依然として主要な課題であるが、標準化されたデータフォーマットおよびオントロジーは、横断的デジタルツインネットワークの実現に不可欠である。
• デジタルツインは、『仮説的状況』のシミュレーションや、歴史的データパターンからの非効率要因の同定を通じて、自律的で透明かつ自己適応型の港湾運用を可能にする。