[论文解读] Assessing the Maturity of Digital Twinning Solutions for Ports

Robert Klar, Anna Fredriksson+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2022

Maritime Ports and Logistics被引用 5

一句话总结

本文提出了一种五级成熟度框架，用于港口数字孪生解决方案，基于建模、同步和交互三大核心方面。评估了新加坡、上海马万港和鹿特丹等领先港口，发现它们已达到成熟度等级4，展现出先进的实时监控、仿真与决策支持能力，但尚未实现完全自主与自我优化，凸显了在互联、智能港口系统方面仍需进一步创新。

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.

研究动机与目标

• 解决复杂港口系统中数字孪生实施缺乏标准化和共识的问题。
• 识别港口有效数字孪生所必需的核心功能方面。
• 开发适用于港口数字孪生解决方案的上下文特定成熟度评估框架。
• 利用所提框架对全球创新领先港口中的实际数字孪生实施情况进行基准测试。
• 通过识别在自主性、自我改进和跨利益相关方集成方面的差距，为未来数字孪生发展提供指导。

提出的方法

• 识别复杂系统中数字孪生的三大核心方面：建模、同步与交互。
• 将建筑行业既有的数字孪生成熟度模型适配并优化至港口场景。
• 基于三大核心方面的实现程度，定义五个成熟度等级，从基础建模逐步推进至自主决策。
• 将成熟度框架应用于分析三个全球创新领先港口的数字孪生实施情况：新加坡、马万港（上海）和鹿特丹。
• 根据实时数据集成、仿真、预测分析和决策支持等功能能力，评估各港口数字孪生的表现。
• 使用官方来源和已发表研究中的实证数据与系统功能文档，评估成熟度等级。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些核心功能方面构成了复杂港口系统中有效数字孪生解决方案的基础？
• RQ2 如何在海港背景下适配并验证数字孪生的成熟度模型？
• RQ3 新加坡、马万港和鹿特丹等领先港口在多大程度上实现了高级别的数字孪生成熟度？
• RQ4 当前数字孪生实施中仍存在哪些功能缺口，特别是在自主决策与自我改进方面？
• RQ5 财政与技术资源约束如何影响不同港口间数字孪生成熟度的可扩展性？

主要发现

• 新加坡、马万港（上海）和鹿特丹这三家领先港口均已达到5级中的第4级成熟度，表明其在建模、实时同步与交互方面具备先进能力。
• 这三家港口均利用连接传感器与物联网数据，实现对船舶动态、基础设施状态和环境条件的实时监控。
• 这些港口的数字孪生平台支持基于仿真的资源分配与延误影响预测，助力主动运营规划。
• 尽管成熟度较高，但这些数字孪生尚未完全支持在互联港口流程间实现自主决策，表明存在功能缺口。
• 这些港口的数字孪生提供情境感知、分析决策支持与通信平台，但缺乏完整的自学习与自优化能力。
• 本研究证实，数字孪生成熟度具有高度的情境依赖性，创新领先港口与较小或资源较少港口之间存在显著差异。