デジタルツインで港の運営を最適化する
スマートポート2025プロジェクトは、デジタルツイン技術を使って港の効率を向上させることを目指してるよ。
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目次
スマートポート2025プロジェクトは、スマートテクノロジーを使って港をもっと効率的にすることを目指してるよ。このプロジェクトは、中小企業(SME)と大企業に焦点を当てていて、港での活動の完全なチェーンを作り出してる。主な目標は、港で使用されるデジタルツールを改善して、運営管理をより良くすることなんだ。
デジタルツインって何?
このプロジェクトの基本的なアイデアは、デジタルツインの概念だよ。デジタルツインは現実の物体やシステムのデジタル版で、物理的な物体(船とかドック)とそのデジタル対応物との間で継続的な接続を可能にしてる。これが大事なのは、運営の監視や向上に役立つからさ。
ツイニングの歴史的な例
ツインを作るアイデアは新しいものじゃない。例えば、軍の指導者たちは、部隊の動きを計画するために砂のテーブルを使って戦場をシミュレーションしてたし、NASAはアポロミッションの時に実際の宇宙船で起こりうる問題を理解するために物理的な訓練カプセルを使ってた。これらの初期の例はデジタルじゃなかったけど、モデルを使うっていう同じ原則に基づいてたんだ。
デジタルツインの作成ステージ
デジタルツインを作るには、いくつかの段階があって選択をする必要がある。このレポートでは、3つの重要なステージを挙げてるよ:
問題空間目標構築ステージ:ここでは、デジタルツインの目標が定義される。
アーキテクチャ設計ステージ:このステージでは、最初のステージで設定された目標に基づいてデジタルツインの全体構造が設計される。
デプロイメントステージ:ここで、デジタルツインを作成するために必要なテクノロジーが選ばれて使用される。
ユースケース
デジタルツインが実際にどう機能するかを説明するために、プロジェクトでは2つのシンプルな例を用いてる:
船のナビゲーション:これは、単一の船が一方向に移動するモデルだよ。
港の運営:忙しい港で船が出入りする複雑な例だね。
デジタルツインの構成要素を理解する
デジタルツインは、実際の物体(物理システム)とツインオブジェクト(デジタルモデル)の2つの部分で構成されてる。ツインモデルはシンボリックまたはデータ駆動型で、センサーを通じて実際の物体と同期されてる。これにより、実際の測定値とモデルが予測するものとの間に差があるときに問題を検出するような重要な機能が可能になるんだ。
目標と関心の特性
デジタルツインは、特定の目標を達成するために作られていて、これを関心の特性と呼ぶよ。例えば、目標は船が効率的に運転しているかどうかや、そのパフォーマンスに異常がないかを判断することかもしれない。特性は、測定または計算できる物理システムの特徴として定義される。
デジタルツインの変動性
同じタイプの物体に対しても、異なるバージョンのデジタルツインが存在することがあるよ。例えば、同じモデルの船でも、帆やエンジンが異なる場合がある。この変動性は重要で、特定の要件に基づいてカスタマイズを可能にするからね。これらの異なる機能を管理するために、フィーチャーツリーを使うことができて、特定のデジタルツインを作成するための選択肢を理解するのに役立つんだ。
デジタルツインを作成するワークフロー
デジタルツインを作るには次のようなワークフローに従うよ:
目標の特定:最初のステップは、関心の特性に関連する目標を特定すること。複数の目標を設定できるよ。
概念的アーキテクチャ設計:目標を定義した後、デジタルツインのアーキテクチャが開発される。一部は前の選択に基づいて含まれたり含まれなかったりするかも。
デプロイメント:最後に、デジタルツインを実現するために必要なテクノロジーとシステムが選択される。
デジタルツインの実験
実験はデジタルツインにとって重要で、システムが目標をどれだけ達成できるかをテストするのに役立つよ。各実験は、明確な説明、セットアップ、ワークフローを含むべきで、再現できるようにすることが大事なんだ。
現在のアーキテクチャとその変動
デジタルツインの作成をガイドするために、さまざまなアーキテクチャモデルが存在する。実際の物体とツインの相互作用に焦点を当てたものや、システム全体の流れやデジタルモデルの内部コンポーネントに注目するものがあるよ。
コミュニケーションモデルの例
実際の物体とツインの相互作用は変化することがある。一部のモデルは手動で接続されるときのデジタルモデルを説明し、自動接続を指すものはデジタルシャドウと呼ばれる。これらの用語は、自動化とデータ転送のレベルを区別するのに役立つんだ。
港の運営における実行例
シンプルな港のシミュレーション
アントワープ港のシミュレーションでは、船が定義されたルートに沿って移動する。シミュレーションは実際のダイナミクスを反映してて、船がロックやドックを通過しなきゃいけない様子を表している。簡略化されたモデルは道路交通と比較され、船が自分の進行経路や容量を管理しなきゃいけないことを示してる。
一次元ヨットモデル
もう1つのシンプルな例は、水面で一方向に移動するヨットのモデルだよ。このモデルは、ヨットが期待される挙動に対してどう実行されるかを視覚化するのに役立つんだ。
実行例の目標
実行例に取り組むときは、デジタルツインが運営を効果的に監視・分析できるように特定の目標が定義される。例えば、リアルタイムの動作を視覚化すること、現在の状態を監視すること、適切なデータ処理を確保することが重要なんだ。
リファレンスアーキテクチャの概要
リファレンスアーキテクチャは、デジタルツインをどのように構造化できるかを示してる。この高レベルのビジョンは、ユーザーが自分のデジタルツインを構築するために必要なコンポーネントを理解するのを助けているよ。実際の物体、ツインオブジェクト、実験マネージャーが含まれるんだ。
コンポーネントの説明
実際の物体(AO):これはモデリングされる実際のシステムだよ。
ツインオブジェクト(TO):これは実際の物体のデジタル表現なんだ。
実験マネージャー:これがデジタルツインが実験中にどう動くかを制御し導く役割を果たす。
ユーザー/マシンエージェント:これらはユーザーがデジタルツインとやり取りするためのインターフェースだよ。
アーキテクチャの変動
含まれるまたは除外されるコンポーネントによって、異なるバージョンのアーキテクチャが存在する。これらの変動は、作成されるデジタルツインの特定のニーズに応じて柔軟性を持たせているんだ。
実行例のためのテクノロジー選択
港の例では、デジタルツインを開発するためにPythonとROS2が選ばれてる。これらのテクノロジーは、リアルタイムの実行とコンポーネント間の通信に強力なプラットフォームを提供するんだ。
ヨットの例では、ModelicaとFMUを使った異なるアプローチが、ヨットの挙動をモデル化し、デジタルツインと統合することを可能にしてるよ。
結論と今後の方向性
スマートポート2025プロジェクトは、デジタルツインが港の運営の効率を向上させるのにどれほど重要かを示してる。テクノロジーが進化し続ける中で、より複雑なユースケースを探求したり、デジタルツインのためのアーキテクチャを洗練させたりする機会があるんだ。今後の取り組みは、さまざまなシナリオや要件に適応できるようにデジタルツインの実世界での応用に焦点を当てるだろう。
最後に、このプロジェクトは、リアルな状況で効果的に機能するシステムを作るために、アーキテクチャとテクノロジーの選択に戦略的な選択が必要だってことを強調してるよ。
タイトル: COOCK project Smart Port 2025 D3.2: "Variability in Twinning Architectures"
概要: This document is a result of the COOCK project "Smart Port 2025: improving and accelerating the operational efficiency of a harbour eco-system through the application of intelligent technologies". The project is mainly aimed at SMEs, but also at large corporations. Together, they form the value-chain of the harbour. The digital maturity of these actors will be increased by model and data-driven digitization. The project brings together both technology users and providers/integrators. In this report, the broad spectrum of model and data-based digitization approaches is structured, under the unifying umbrella of "Digital Twins". During the (currently quite ad-hoc) digitization process and in particular, the creations of Digital Twins, a variety of choices have an impact on the ultimately realised system. This document identifies three stages during which this "variability" appears: the Problem Space Goal Construction Stage, the (Conceptual) Architecture Design Stage and the Deployment Stage. To illustrate the workflow, two simple use-cases are used: one of a ship moving in 1 dimension and, at a different scale and level of detail, a macroscopic model of the Port of Antwerp.
著者: Randy Paredis, Hans Vangheluwe, Pamela Adelino Ramos Albertins
最終更新: Sep 3, 2024
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2409.01859
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2409.01859
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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