[논문 리뷰] Digital Twins for Ports: Derived from Smart City and Supply Chain Twinning Experience

Robert Klar, Anna Fredriksson외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 10.

Maritime Ports and Logistics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스마트 시티와 공급망 디지털 트윈의 원리를 응용하여 항만을 위한 디지털 트윈을 제안하며, 상황 인식, 고급 데이터 분석 및 다수 이해관계자 간 협업을 강조한다. 디지털 트윈이 자원 사용 최적화와 지능적인 프로세스 시뮬레이션을 통해 에너지 절감을 가능하게 함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 시스템인 항만에서 디지털 트윈에 대한 다분야 통합 이해 부족을 해결하기 위해.
• 항만 운영에 특화된 디지털 트윈을 위한 핵심 기능적 및 기술적 요구사항을 규명하기 위해.
• 스마트 시티 및 공급망 시스템과의 디지털 트윈 통합이 항만의 효율성과 지속 가능성 향상에 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 항만 운영에서 에너지 절감과 자원 활용 최적화에 기여하는 운영 시나리오를 제안하기 위해.

제안 방법

• 스마트 시티 및 공급망 분야의 디지털 트윈 응용에 대한 광범위한 다분야 문헌 고찰을 수행하였다.
• 이 분야들로부터 항만 디지털 트윈 개발에 적용 가능한 이전 사례의 공통 특성, 요구사항 및 설계 원칙을 도출하였다.
• 실시간 및 이력 센서 데이터를 기반으로 실시간 및 이력 데이터를 통합하는 동적 모델 및 알고리즘 구성 요소로 이루어진 시스템으로 항만 디지털 트윈을 정의하였다.
• 결정 지원을 위한 실시간 상황 인식, 예측 분석 및 시뮬레이션 기능을 통합한 프레임워크를 제안하였다.
• 공통 데이터 표준 및 옹토로를 통해 상호운용성을 확보하여 도시 및 공급망 디지털 트윈과의 통합을 가능하게 하였다.
• 항만 운영에서 최적화된 스케줄링과 자원 사용을 통한 에너지 절감을 보여주는 운영 시나리오를 개발하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항만 운영의 효율적이고 지속 가능한 운영을 지원하기 위해 항만 디지털 트윈이 충족해야 할 核심 요구사항은 무엇인가?
• RQ2 스마트 시티 및 공급망의 디지털 트윈 기술은 항만 시스템의 고유한 복잡성에 어떻게 적응될 수 있는가?
• RQ3 항만 디지털 트윈은 운영 최적화 및 자원 관리로 인해 에너지 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 스마트 시티 및 공급망과 같은 관련 도메인의 디지털 트윈과 항만 디지털 트윈을 통합하는 데 있어 주요 과제는 무엇인가?
• RQ5 디지털 트윈 표준을 통해 고립된 항만, 도시 및 공급망 시스템 간의 상호운용성과 데이터 공유는 어떻게 달성될 수 있는가?

주요 결과

• 항만 디지털 트윈은 실시간 및 이력 데이터를 통합하여 예측 시뮬레이션과 지능적인 의사결정을 가능하게 하는 동적 모델 기반 시스템으로 가장 잘 개념화할 수 있다.
• 항만 디지털 트윈을 위한 세 가지 핵심 요구사항은 상황 인식, 지능적인 의사결정 지원을 위한 종합적 데이터 분석, 그리고 다수 이해관계자 간 협업을 위한 인터페이스이다.
• 디지털 트윈 시뮬레이션을 통한 선박, 장비 및 터미널 운영의 최적화된 스케줄링을 통해 항만 운영에서 최대 15–20%의 에너지 절감이 가능하다.
• 스마트 시티 및 공급망 디지털 트윈과의 통합은 후계지 혼잡 감소 및 통합 에너지 관리와 같은 상호보완적 이점을 제공한다.
• 상호운용성은 여전히 주요 과제이지만, 표준화된 데이터 형식과 옹토는 다분야 디지털 트윈 네트워크를 가능하게 하기 위해 필수적이다.
• 디지털 트윈은 과거 데이터 패턴에서 효율성 저하 요소를 식별하고 '가능성 있는 시나리오'를 시뮬레이션함으로써 자율적이고 투명하며 자기 적응형 항만 운영을 가능하게 한다.