[논문 리뷰] Assessing the Maturity of Digital Twinning Solutions for Ports

Robert Klar, Anna Fredriksson외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 15.

Maritime Ports and Logistics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 항만의 디지털 트윈 솔루션을 위한 다섯 단계의 성숙도 프레임워크를 제안하며, 모델링, 동기화, 상호작용의 세 핵심 요소를 바탕으로 한다. 싱가포르, 상하이 마완, 루르트르항만을 평가한 결과, 이들 항만은 성숙도 수준 4에 도달했으며 고도화된 실시간 모니터링, 시뮬레이션, 의사결정 지원 기능을 보여주지만, 완전한 자율성과 자가 향상 능력은 아직 달성되지 않아 상호연결되고 지능적인 항만 시스템의 향후 혁신이 필요하다는 점을 시사한다.

ABSTRACT

Ports are striving for innovative technological solutions to cope with the increasing growth in demand of goods transport, while at the same time improving their environmental footprint. An emerging technology that has the potential to substantially increase the effectiveness of the multifaceted and interconnected port processes is that of digital twins. Innovation-leading ports recognizing the potential of twinning have already started working on it. However, since there is no clear consensus on what a digital twin of a complex system comprises and how it should be designed, deployed digital twin solutions for ports often differ significantly. This article addresses this issue by initially identifying three core aspect underpinning digital twins of complex systems, such as ports, and outlining five successive maturity levels based on these aspects' instantiation. These identified aspects and the derived maturity levels are then used to examine real-world cases by critically evaluating existing digital twinning solutions in the port of Singapore, the Mawan port of Shanghai, and that of Rotterdam. These being three of the world's innovation-leading ports, we naturally find in them most of the identified core aspects to be in line with their twinning implementation, which has reached, in all three, a higher level of maturity. Although, our work on maturity levels and core aspects can provide a guideline for designing and benchmarking future digital twinning solutions for ports, the capacity for innovation via twinning, even in the port domain, is highly contextual with key paragon being the availability of financial and technical resources.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 항만 시스템에서 디지털 트윈 구현에 대한 표준화 및 공감대 부족 문제를 해결하기 위해.
• 효과적인 항만 디지털 트윈을 위해 필수적인 핵심 기능적 요소를 특정하기 위해.
• 항만 디지털 트윈 솔루션에 적용 가능한 맥락 기반 성숙도 평가 프레임워크를 개발하기 위해.
• 제안된 프레임워크를 사용해 선도 항만의 실제 디지털 트윈 구현 사례를 벤치마킹하기 위해.
• 자율성, 자가 향상 및 다수 이해관계자 간 통합 측면의 격차를 규명함으로써 향후 디지털 트윈 개발을 이원하기 위해.

제안 방법

• 복잡한 시스템에서 디지털 트윈의 세 핵심 요소를 식별: 모델링, 동기화, 상호작용.
• 건설 산업에서 기존에 존재하던 디지털 트윈 성숙도 모델을 항만 환경에 맞게 적응 및 개선.
• 세 핵심 요소의 실현 정도를 기반으로 다섯 단계의 성숙도 수준을 정의하며, 기본 모델링에서 자율 의사결정에 이르는 진단을 진행.
• 성숙도 프레임워크를 적용해 글로벌 선도 항만 세 곳—싱가포르, 마완(상하이), 루르트르—의 디지털 트윈 구현 사례를 분석.
• 실시간 데이터 통합, 시뮬레이션, 예측 분석, 의사결정 지원 등의 기능적 능력을 기반으로 각 항만의 디지털 트윈을 평가.
• 공식 자료 및 발표된 연구 논문에서 확보한 실증 데이터와 시스템 기능 기록을 활용해 성숙도 수준을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 효과적인 복잡한 항만 시스템을 위한 디지털 트윈 솔루션의 핵심 기능적 요소는 무엇인가?
• RQ2 해상 항만 환경에서 디지털 트윈 성숙도 모델을 어떻게 적응 및 검증할 수 있는가?
• RQ3 싱가포르, 마완, 루르트르와 같은 선도 항만은 어느 정도의 고도화된 디지털 트윈 성숙도를 달성하고 있는가?
• RQ4 현재 디지털 트윈 구현 사례에서 자율적 의사결정 및 자가 향상 측면에서 여전히 남아 있는 기능적 격차는 무엇인가?
• RQ5 재정적 및 기술적 자원 제약은 다양한 항만 간 디지털 트윈 성숙도의 확장성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 싱가포르, 마완(상하이), 루르트르의 세 항만은 모두 5단계 중 수준 4에 도달했으며, 모델링, 실시간 동기화, 상호작용 능력 측면에서 고도화된 역량을 보이고 있음.
• 이들 세 항만은 모두 연결된 센서와 IoT 데이터를 활용해 선박 이동, 인프라 상태, 환경 조건의 실시간 모니터링을 수행.
• 이들 항만의 디지털 트윈 플랫폼은 자원 배정 및 지연 영향 예측을 위한 시뮬레이션 기반 기능을 지원해 사전 운영 계획 수립을 가능하게 함.
• 높은 성숙도에도 불구하고, 이들 디지털 트윈은 상호연결된 항만 프로세스 전반에 걸쳐 자율적 의사결정을 완전히 지원하지 못하고 있어 기능적 격차 존재.
• 이들 항만의 디지털 트윈은 상황 인식, 분석 기반 의사결정 지원, 커뮤니케이션 플랫폼을 제공하지만, 완전한 자기학습 및 자가 최적화 기능은 아직 구현되지 않음.
• 본 연구는 디지털 트윈 성숙도가 맥락에 따라 크게 달라지며, 선도 항만과 소규모 또는 자원이 제한된 항만 간에 상당한 격차가 있음을 확인함.