του Δρος Νικήτα Νικητάκου, Καθηγητή Πανεπιστημίου Αιγαίου
Η τέταρτη βιομηχανική επανάσταση στη ναυτιλία δημιούργησε σειρά στρατηγικών προτεραιοτήτων που στηρίζονται στις νέες τεχνολογίες. Οι αισθητήρες και οι τεχνολογίες μετάδοσης δεδομένων χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για τη συλλογή δεδομένων σε διάφορα στάδια του κύκλου ζωής ενός πλοίου, συμπεριλαμβανομένων του σχεδιασμού, της κατασκευής, της λειτουργίας, της συντήρησης και της ανακύκλωσής του. Η ανάλυση μεγάλων δεδομένων μπορεί να κάνει πλήρη χρήση των δεδομένων για την ανακάλυψη αιτιών αποτυχίας, τη βελτίωση μιας αλυσίδας εφοδιασμού, τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του πλοίου και τη βελτίωση της αποδοτικότητας ενός ναυπηγείου.
Μία από τις βασικές προκλήσεις για την έξυπνη κατασκευή είναι η σύνδεση των φυσικών και εικονικών χώρων. Η ταχεία ανάπτυξη της προσομοίωσης, η απόκτηση δεδομένων, η επικοινωνία δεδομένων και άλλες προηγμένες τεχνολογίες έχουν προκαλέσει μεγαλύτερες αλληλεπιδράσεις, από ποτέ άλλοτε, μεταξύ του φυσικού και του εικονικού χώρου. Η σημασία του ψηφιακού διδύμου (DT), που χαρακτηρίζεται από την κυβερνο-φυσική ενοποίηση, τονίζεται όλο και περισσότερο τόσο από τον ακαδημαϊκό κόσμο όσο και από τη ναυτιλιακή βιομηχανία. Τα DT και τα big data analytics είναι αλληλοενισχυόμενες τεχνολογίες λόγω της έξυπνης κατασκευής. Τα DT μπορούν να ενσωματώσουν τα φυσικά και εικονικά δεδομένα σε όλο τον κύκλο ζωής του πλοίου, γεγονός που οδηγεί σε τεράστιο όγκο δεδομένων, που μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία με προηγμένα αναλυτικά στοιχεία. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα της ανάλυσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της απόδοσης του πλοίου και της λειτουργίας στον θαλάσσιο χώρο.
Το ψηφιακό δίδυμο (Digital Twin ‒ DT) είναι μία από τις πλέον υποσχόμενες τεχνολογίες ενεργοποίησης για την υλοποίηση της έξυπνης ναυτιλίας. Τα DT χαρακτηρίζονται από την απρόσκοπτη ενοποίηση μεταξύ του κυβερνοχώρου και του φυσικού χώρου. Η σημασία τους αναγνωρίζεται όλο και περισσότερο τόσο από τον ακαδημαϊκό κόσμο όσο και από τη βιομηχανία. Έχουν περάσει σχεδόν δεκαπέντε χρόνια από τότε που προτάθηκε αρχικά η ιδέα του DT. Μέχρι σήμερα, πολλές εφαρμογές DT έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία σε διαφορετικούς κλάδους. Στο παρόν άρθρο θα επικεντρωθούμε σε μια προσπάθεια συνοπτικής κατανόησης της ανάπτυξης και της εφαρμογής των DT στη ναυτιλία, εστιάζοντας στις κύριες εφαρμογές τους και στις τρέχουσες προκλήσεις.
Αρχές των ψηφιακών διδύμων
Τα digital twins είναι ισχυροί συνδυασμοί μοντέλων και δεδομένων που «παλαιώνουν» σε όλο τον κύκλο ζωής ενός περιουσιακού στοιχείου, καθώς συλλέγουν και ενσωματώνουν δεδομένα από το πεδίο. Αυτή η τεχνολογία είναι ένα κβαντικό άλμα από προηγούμενες προσπάθειες για τη μοντελοποίηση πολύπλοκων συστημάτων.
Ένα ψηφιακό δίδυμο είναι «μια δυναμική εικονική αναπαράσταση ενός φυσικού αντικειμένου ή συστήματος σε όλο τον κύκλο ζωής του, χρησιμοποιώντας δεδομένα σε πραγματικό χρόνο, για να καταστεί δυνατή η κατανόηση, η μάθηση και ο συλλογισμός», καθώς και τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την υποστήριξη αποφάσεων, καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής του εν λόγω περιουσιακού στοιχείου. Η δύναμη των ψηφιακών διδύμων έγκειται στην ικανότητα να εκτελούν «πειράματα» σε έναν υπολογιστή και όχι στο πεδίο, επειδή είναι πολύ φθηνότερο, ασφαλέστερο και ταχύτερο να γίνει αυτό σε μια ψηφιακή πλατφόρμα παρά στο πεδίο.
Προς το 2030, οι αναπαραστάσεις ψηφιακών συστημάτων στη φάση της ιδέας (3D σχέδια, περιγραφές, προδιαγραφές απαιτήσεων και περιπτώσεων χρήσης, αναλύσεις κινδύνου υψηλού επιπέδου, γενετικός σχεδιασμός) θα είναι λεπτομερείς και βελτιστοποιημένες σε όλη τη φάση του σχεδιασμού, επεκτεταμένες με μοντέλα προσομοίωσης που αντιπροσωπεύουν όλα τα σχετικά χαρακτηριστικά των υποσυστήματων και δίνοντας στους χειριστές τη δυνατότητα να εκτελούν σύνθετες εργασίες, για παράδειγμα, στην ενοποίηση εικονικών συστημάτων. Στη φάση της παραγωγής, αυτές οι πληροφορίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τις προδιαγραφές και την παρακολούθηση του προμηθευτή, καθώς και με λεπτομερείς πληροφορίες τόσο για τον προμηθευτή όσο και λεπτομερείς πληροφορίες διεπαφής και ενοποίησης. Στη συνέχεια προστίθενται οι πληροφορίες διαχείρισης έργου, επιτρέποντας τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών εγκατάστασης και θέσης σε λειτουργία βάσει προσομοίωσης.
Μετά την παράδοση στη λειτουργία, η βελτιστοποίηση της διαδικασίας, η συντήρηση και οι τροποποιήσεις χρειάζονται παρακολούθηση και υποστήριξη λήψης αποφάσεων. Ως αποτέλεσμα, η αποθήκη πληροφοριών του συστήματος είναι ζωτικής σημασίας σε αυτό το στάδιο. Η αυξανόμενη διαθεσιμότητα δεδομένων ζωντανών αισθητήρων θα ανοίξει έναν εντελώς νέο κόσμο για βελτιστοποίηση και υποστήριξη αποφάσεων. Η τεράστια τεχνολογία αισθητήρων και η δυνατότητα αποθήκευσης και χειρισμού τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων θα οδηγήσουν στη δυνατότητα διατήρησης του ψηφιακού διδύμου «ζωντανού» καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής και στη δυνατότητα ενσωμάτωσης των ροών δεδομένων από το πραγματικό περιουσιακό στοιχείο σε ψηφιακές δίδυμες αναλύσεις. Η περαιτέρω ενοποίηση των ροών δεδομένων και η ενσωμάτωση διαφόρων ψηφιακών υπομοντέλων (sub-twins) θα οδηγήσουν, επιπλέον, στη σχετικά εύκολη (αδιανόητη μέχρι τώρα) κατασκευή μοντέλων.
Τα ψηφιακά δίδυμα είναι ένα «κβαντικό άλμα» από προηγούμενες προσπάθειες για τη μοντελοποίηση πολύπλοκων συστημάτων. Μέχρι στιγμής, τα μοντέλα έχουν επικεντρωθεί σε συγκεκριμένες πτυχές ενός πλοίου και έχουν απαντήσει σε ένα συγκεκριμένο σύνολο απαιτήσεων. Ένα μεμονωμένο στοιχείο –ένα πλοίο, για παράδειγμα‒ μπορεί να έχει περισσότερα από εκατό ξεχωριστά μοντέλα για να απαντήσει σε συγκεκριμένες απαιτήσεις σχετικά με την κατάσταση ή την απόδοσή του. Ένα ψηφιακό δίδυμο συγκεντρώνει όλα αυτά τα μοντέλα και –σε συνδυασμό με τεράστια δεδομένα αισθητήρων από το πλοίο– «ωριμάζει» σε όλο τον κύκλο ζωής του στοιχείου, μαζί με το ίδιο το πλοίο.
Πρώιμα παραδείγματα ψηφιακών διδύμων υπάρχουν σήμερα, αλλά μόλις αρχίζουμε να αναπτύσσουμε αληθινά ψηφιακά δίδυμα για πολύπλοκα περιουσιακά στοιχεία και συστήματα. Υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά για τη συγκέντρωση των δομικών στοιχείων που χρειάζονται (πολλά διασυνδεδεμένα μοντέλα, καθώς και ισχυρές ροές δεδομένων από τη φάση λειτουργίας). Όταν πρόκειται για μεγάλα, πολύπλοκα πλοία/λιμάνια, μπορούμε να περιμένουμε να αρχίσουμε να βλέπουμε αληθινά ψηφιακά δίδυμα που συγκεντρώνουν και συντονίζουν τα απαραίτητα στοιχεία μεταξύ 2025 και 2030.
Εφαρμογές ψηφιακών διδύμων στη ναυτιλία
Η ψηφιακή αδελφοποίηση είναι μια αναγνωρισμένη ευκαιρία για τη βελτίωση του ναυτιλιακού τομέα. «Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το ψηφιακό δίδυμο είναι το μέλλον. Η δυνατότητα πρόβλεψης πιθανών κινδύνων και δημιουργίας της βέλτιστης σχεδίασης θα βελτιώσει σημαντικά την ασφάλεια και τη λειτουργία. Με το στοιχείο του αγνώστου σημαντικά περιορισμένο, η έννοια του ψηφιακού διδύμου μπορεί να βοηθήσει τη ναυτιλιακή βιομηχανία να κάνει καλύτερη χρήση της ψηφιοποίησης και να περάσει σε μια νέα εποχή». Με τελικό χαρακτηριστικό την τελική βελτιστοποίηση της εφοδιαστικής αλυσίδας και αύξηση της επίγνωσης της κατάστασης. Στο πλαίσιο αυτό μερικές από τις εφαρμογές είναι:
Επιχειρησιακή βελτιστοποίηση στόλου
Συνήθως, μια ναυτιλιακή εταιρεία εξυπηρετεί πολλούς πελάτες ταυτόχρονα και οι πελάτες μπορούν να χρησιμοποιούν διαφορετικές ναυτιλιακές εταιρείες ταυτόχρονα. Η χρήση των ψηφιακών διδύμων για τη βελτιστοποίηση του στόλου της όσον αφορά τα πλοία και την ικανότητα μεταφοράς φορτίου τους, που βασίζεται σε ιστορικές, συνεχείς και προβλέψεις επιχειρηματικών συναλλαγών αλλά και καιρικών συνθηκών, αποτελεί σημαντικό εργαλείο στρατηγικών αποφάσεων και μπορεί να βελτιώσει την ανταγωνιστικότητα.
Βελτιστοποίηση λιμένων και σταθμών φόρτωσης
Η αποδοτικότητα του λιμένα βασίζεται στην εξισορρόπηση της ζήτησης και της προσφοράς με ευέλικτο τρόπο και στην ενοποίηση σε ολόκληρο το σύστημα μεταφορών. Για στρατηγικό σχεδιασμό, ένα λιμάνι και οι εταίροι του πρέπει να αποτυπώσουν το ιστορικό, το συνεχές και προβλεπόμενο μελλοντικό εμπόριο σε ένα ψηφιακό δίδυμο, που ενσωματώνει διαφορετικές παραμέτρους (θέσεις ελλιμενισμού, δυνατότητες εξυπηρέτησης, αποθήκευσης και προώθησης φορτίου).
Επίγνωση της κατάστασης: βραχυπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα
Οι εμπλεκόμενες στις μεταφορές βελτιωμένη ορατότητα και προβλεπτικότητα σχετικά με την κατάσταση της μεταφοράς των εμπορευμάτων κατά τη μετακίνησή τους από την προέλευση στον προορισμό. Για να ενισχυθεί η επίγνωση της κατάστασης γι’ αυτές τις ομάδες, είναι εφικτό να εξεταστεί η παράλληλη σύνδεση των σχετικών ψηφιακών διδύμων, έτσι ώστε οι επιπτώσεις μιας καθυστέρησης σε ένα στάδιο να μπορούν να αναλυθούν διεξοδικά, να γίνουν προσαρμογές και να ενημερωθεί η επίγνωση της κατάστασης.
Βελτιστοποίηση των ροών εμπορευματοκιβωτίων στην αλυσίδα εφοδιασμού
Πρόσφατα, εισήχθησαν έξυπνα κοντέινερ, που υποστηρίζουν πρότυπα συνδεσιμότητας IoT. Οι ροές δεδομένων που δημιουργούνται από έξυπνα κοντέινερ αποτελούν πολύτιμη είσοδο για τη βελτιστοποίηση του στόλου, τη βελτιστοποίηση λιμένων και τερματικών και την επίγνωση της κατάστασης.
Η παραπάνω συνέντευξη δημοσιεύθηκε στο τεύχος Ιουνίου 2022 των Ναυτικών Χρονικών.
Αποκτήστε το τεύχος Ιουνίου των Ναυτικών Χρονικών πατώντας εδώ.
