Application of Digital Twin in Maritime Transport
賴威伸
【關鍵字】數位分身、海運、物聯網
【keywords】Digital Twin; Maritime Transport; IoT
數位分身是一項受矚目的新興技術，它已應用到各產業領域，在海運方面也有相關的研發和應用。為瞭解數位分身在海運領域的應用和發展，本文透過資料的蒐集進行研析，提出數位分身在海運領域發展的優勢及我國可應用的面向。
一、緒論
電影「阿凡達」中科學家們培養了納美人與人類混血的「阿凡達」，他們可以通過心靈連接而受基因匹配的人類控制，「阿凡達」就像是人類的另一分身。世界知名國際研究暨顧問機構Gartner【1】在「2018十大策略性科技趨勢」曾提出的科技趨勢有：以人工智慧為基礎、智慧app與分析技術、智慧物件、數位分身、從雲端到邊緣計算、對話式平台、沉浸式體驗、區塊鏈、事件驅動、持續性的適應風險與信任，其中數位分身即包含在內。而在Gartner【2】提出的「2019企業組織必須暸解的十大策略性科技趨勢」則是有：自動化物件、增強分析（Augumented Analytics）、由人工智慧驅動開發、數位分身、更強大的邊緣計算、沉浸式體驗、區塊鏈、智慧空間、數位倫理和隱私、量子運算，其中再一次的提到數位分身，足見其在未來科技發展的重要性。
事實上在未來數年間，數位分身的技術將會擴展到各種造價高、安全需求高的產品上，例如：工廠內的重要機台、關鍵機具，都可以搭配一套獨立的動態軟體，用來主動設計生產流程，預測設備故障、提升營運效率、輔助產品開發，利用虛擬空間來發想永續創新，透過虛擬世界改善真實世界。目前數位分身多為工業4.0技術應用，是虛實融合系統（Cyber Physical System, CPS）的一環，透過物聯網技術收集即時的數據資料，將物理空間內的所有實體狀態，透過虛擬空間得到即時的對應，並反饋到實體空間中，進而讓系統運作效率達到即時的最佳化，輔助決策提升效率。
二、數位分身的內涵與應用
數位分身（Digital Twin）或稱數位雙胞胎、數位孿生，是指某種實體物品或系統的動態軟體模型，藉由感測器蒐集的資料來偵測狀態、回應變化、改善操作及增加價值。它的虛擬服務，能優化控制完整的資訊流程與製造流程，以達最優化的生產力。虛擬連接是經由不同的感測器和其他設備從各機台間收集數據與資訊，並將其與數位分身系統整合而成，從而預測並防止不易察覺的製程與品質不良問題，以及可能發生的任何異常【3】。
數位分身提供了模擬實物資產行為的可能性，在運營期間監控並不斷改進。規劃和開發的資料和模型構成了操作資料可以正確解讀的背景，把它們從現有的豐富資訊中匯集在一起是使用數位分身應用的必要前提。數位分身已應用在許多領域。在汽車製造領域，數位分身模型可以使產品原型的物理和虛擬版本，車廠間和實際道路上的車輛之間的現有差距得以融合。企業可透過識別公司運營中的偏差和異常情況，將其用於預測性維護。數位分身還可以幫助開發人員準確地瞭解客戶如何交互和體驗公司為他們提供的產品和服務，以及解決任何瓶頸問題。
在建築行業中，數位分身可以解釋建築中涉及的行為和過程，直至單個材料和組件。這使建築公司可以根據4D BIM模型中列出的時間表持續跟踪進度。此外，它還提供了自動資源分配監視和廢棄物跟踪功能，允許對資源管理採用預測性和精益方法，並可以對任何差異進行定性檢測。在智慧都市應用方面，新加坡近年來以智慧國為國家發展目標，該政策目標下的計畫「虛擬新加坡」作為新加坡的3D數位分身，也是全球第一個數位分身城市，建立在地形、即時和動態的數據上，是一套動態的3D城市模型和數據合作平台。該計畫由新加坡國家研究基金會、新加坡總理辦公室新加坡土地管理局、新加坡政府科技局共同支持【4】。
在航空領域方面，未來當航空公司收到一架新飛機時，將同時收到一套數位飛機模型，這套數位模型從機身材料、機電系統設計、內部陳設、尾號到飛行里程等等，都和實體相同且能夠同步更新，唯一不同的是，它只存在於虛擬世界。由於飛機要求安全性高、造價高、交期長，所有零件設計、製造環節高度複雜，皆須通過國際適航標準的檢驗。在2017年6月的巴黎航空展上，波音公司公開表示，歷經787多次延遲交付的慘痛教訓後，未來在打造新的中型客機時，將會採用數位分身技術，並且根據客戶反饋的大量資訊，進一步分析新飛機的設計、生產和試驗等環節，目標是要打造出一架兼具單通道飛機的經濟性，以及雙通道飛機舒適性的新機型。其規劃利用感測器和飛機真實狀態同步完全擬真，在每次飛行後將採集到的各種數據，透過物聯網傳送到飛機的數位分身中，即時分析評估是否需要維修或調整，也可以進一步優化飛機性能、改善設計並減少故障率【5】。隨著物聯網，雲計算和人工智能的發展，數位分身的範圍將在未來持續擴大。
三、數位分身在海運領域之應用
數位分身目前應用在海運領域上包括了實際船舶或港口的虛擬化，用於模擬和探索船舶及港口運作之各種行為。數位分身基本上將實體世界和數字世界聯繫起來。智慧組件使用感測器來收集即時狀態、工作條件及位置的數據。這些組件連接到雲基礎（Cloud-based）的系統，該系統接收和分析感測器監控的所有數據。而後該技術提供學習經驗，同時在虛擬環境中進行，然後應用於實體世界。數位分身是資產的虛擬呈現，從早期設計、構建和營運都可使用，也就是整個生命週期中的概念。
在實際船舶或港口的虛擬化方面，數位分身可模擬和探索船舶及港口運作之各種行為。船舶的數位分身係利用感測器於實體船舶生命週期中取得之資料進行儲存並分享，有助規劃維修、優化燃料消耗，以及為藍圖修改方案進行模擬測試。導入實體船舶之數位分身技術有助業者大幅改善營運效率，透過數位分身及持續性資料蒐集，船舶於服役期間運作可得到顯著改善。
目前積極研發中的自駕船的數位分身及其嵌入交通和環境模擬的感測器套件也被提議做為克服自動化應用的重大開發、測試和驗證挑戰的一種手段，特別是當相關人工智慧的演算法需要大量的訓練數據和驗證數據集。所謂的智能船舶必須是安裝了大量感測器收集有關船舶狀態、各種指標及所有可能資訊的船舶。從船舶收集的所有資訊都是匯總在一處，如：岸上的辦公室或船長的駕駛台上，並根據當前讀數做出決定，無需額外模擬情況。除了航運及船舶，數位分身在港埠週邊設施方面也有深入的應用，以下以鹿特丹港和安特衛普港為例，說明如下。
（一）鹿特丹港
荷蘭鹿特丹港一直是歐洲貨物海運的中心，也是亞洲貨物到達歐洲最重要的轉運港鹿特丹港佔地超過41平方英里，它擁有近400,000名員工，每年為近30,000艘遠洋船舶提供服務。這是一個歷史悠久的港口，始建於公元1360年，為荷蘭、英國和德國之間的海上交通服務。儘管其歷史悠久，但在2017年，世界經濟論壇仍將其評為擁有世界上最好的基礎設施。
憑藉創新的領導力和追求卓越的願望，鹿特丹港幾個世紀以來不斷進化，為了實現使鹿特丹港成為世界上最好的港口的目標，港口領導人採取了富有遠見的協作方式。過去大多仰賴傳統的無線電和雷達來引導船隻入港，但已經趕不上日益增長的需求，因此，鹿特丹港需要數位轉型。該港的目標是在2025年實現「港內航運連網」（Connected shipping），並在2030年成為一個數位港口和世界上最智慧的港口。其目標是讓進入港口船隻可以自動航行在港內水道，就像無人車一樣，不需像過去那樣需要領航船和引水人的指揮才能入港，停泊船隻可以彼此能連網溝通，來避免碰撞。
數位化戰略是一個為期多年的項目，它使用了一些世界上的最新技術和服務，包括：IBM、思科、Axians和其他公司。為了實現目標，鹿特丹必須先完成多項數位轉型計畫，其中一項建立數位分身為連網航運做準備。港方借助IBM的物聯網技術來建立鹿特丹港的數位分身，希望能準確地涵蓋鹿特丹港的所有資料來源，包括:港口船隻動態、基礎設施、天氣、地理和水深資料等。數位分身的資料也可用來模擬各種可能的情境，讓相關人員瞭解如何更有效率地安排船務。因為鹿特丹港每年有十幾萬艘船隻進出，數位分身能讓港務人員同時檢視各方資訊來考慮船隻的停泊，每天可以減少8萬美元維運費用，亦可以減少船舶等待時間【6】。
鹿特丹港建構數位分身主要投入和產出包括以下：
1、以明確、安全和可及的方式將多種多樣的動態數據存儲在雲平台中。透過物聯網，港務局可以在雲中收集即時數據對其進行處理，並讓所有相關利害關係人方都可以取得這些數據。
2、使用由 IBM 和其他合作夥伴設計的IoT感測器、人工智慧和智能天氣數據來衡量泊位的可用性和其他重要統計數據。
3、新的數字儀表板使操作100％準確可見，他們將能夠同時查看各方的操作，並提高通過港口的運輸貨物的數量和效率。
4、該港口甚至擁有數位海豚（Digital Dolphins）、智能碼頭和配備感測器的浮標，支援船對船（Ship-to-Ship）的貨物轉運並產生有關其狀態和環境的時間數據。
至於預期收益則包括：
1、透過使用新的數字儀表板，航運公司和港口最多可以節省1小時的靠泊時間，這可以為航商節省大量成本，並使港口每天可以停靠更多的船舶。
2、使用人工智能分析收集到的所有數據，通過識別最有利的條件，可以更準確地預測停泊和離開的最佳時間，減少了等待時間和成本。
3、數位海豚提供靠泊碼頭的狀況和利用率以及周圍水域和天氣狀況，使港口運營商能夠確定船舶停靠的最佳時間，以及何地可以靠泊。
4、除了控制自駕船舶外，物聯網數據還可用於其他應用，例如預測性維護。
（二）安特衛普港
安特衛普港位於比利時，是歐洲中心的一個海港，位於斯海爾德河潮汐河口的上端。超過100,000總噸的船舶可通航至內陸80公里的河口。與大多數北海港口相比，安特衛普港的內陸位置在歐洲提供了更中心的位置。安特衛普的碼頭通過鐵路、公路、河流和運河水道與腹地相連。
安特衛普港是比利時最大的經濟動能來源，除了每年運送2億3,500萬噸的貨物、提供143,058個工作機會、支撐900家公司，此外還貢獻了4.8％的 GDP、每年創造約203億歐元的附加價值。然而，對於安特衛普港來說，追求的目標不僅止於經濟成長，如何更進一步提升服務品質、追求創新發展、並確保永續經營，都是其肩負的願景與使命。管理當局認為區塊鏈、擴增實境、人工智能和機器學習等新興科技已經融入我們社會的經緯之中。事實上，這些未來的技術也可能在港口展示它們的價值。這就是為什麼該港正在接受測試並儘可能地投入使用。例如正在進行完成港口的數位工作，並帶有即時信息，同時也在研究如何使用區塊鏈技術更好地保護貨櫃含其他貨物，而數位分身只是其中一項應用技術。
安特衛普港正致力於港口區的數位化，安特衛普港口資訊與控制助手（Antwerp Port Information & Control Assistant, APICA）構成應用程序的大腦，而帶有即時信息的3D介面則是其面孔。該戰略項目是安特衛普港數位化和創新政策的一部分。安特衛普港以數位分身在虛擬環境呈現整體港口區域，即真實港口的虛擬版本。港口的全部數據儲存在數位分身，並可即時呈現如水位、閘門、風力渦輪等資訊，扮演協助決策的功能機制，以找出最有效率的解決方案【7】。
APICA相當於大腦中樞，將原本四散於個別系統中之資訊加以收集整合，能夠將數位分身的3D圖資，與其他不同系統的即時資訊結合，包括：航運動態、天氣狀況、橋梁與河閘運作狀態、CCTV 影像、空氣品質監測、水文、與地理區域有關之統計、港區人員活動等，再將原本數據型態、2D平面形式之結果，以更貼近實際情況之3D模式呈現。目前APICA這個大腦主要是以即時資訊為主，未來規劃透過大量輸入歷史資料，經過分析學習後，提供模擬與預測功能，甚至進一步主動提供決策。簡單地說，APICA不會做出自動決策，相反的，它是一種決策支持機制，使管理當局能夠更有效地管理港口，預期未來能替安特衛普港的管理營運帶來更實質更明顯的幫助。
四、數位分身的構建工具介紹
市面上已有構建數位分身使用的軟體，例如：AVEVA NET。這套軟體在海事、海上設施的建模設計中也相當知名。AVEVA NET是一個強大的資訊管理平台，可以對所有類型的資料和文檔進行安全地控制、關聯、評估分析以及交付等資訊管理。AVEVA NET 可以處理所有電子資料，AVEVA NET 支援超過 200種檔案格式：3D模型、2D 圖面、PDF 檔案、MS Office 文件、雷射掃描圖、圖片檔、影片檔等【8】。
除了AVEVA NET之外，微軟公司提供了Azure Digital Twins一項平臺即服務（Platform AS a Service, PaaS）的供應專案，可根據整個環境的數位模型建立對應項圖形。這些環境包括建築、工廠、農場、能源網路、鐵路、運輸系統等，甚至是整個城市。這些數位模型可用來進行深入解析以推動更優秀的產品、優化作業、降低成本。在Azure Digital Twins上可以建立自訂的連線解決方案，包括：建立任何環境的模型，並以可擴充且安全的方式將數位分身融入生活；連線資產，例如：IoT裝置和現有的商用系統；使用健全的事件系統來建立動態商務邏輯和資料處理；與Azure資料、分析和 AI服務整合，追蹤過去，然後預測未來【9】。
五、我國海運應用研析
數位分身提供我國海運部門一個機會，也是未來能夠預測潛在的危險並創造最佳設計，提高安全性和操作性的工具，可以幫助航運業更好地利用數位化並邁向新時代，以下提出可以應用在我國海運領域的說明。
1、船隊優化：航運公司需要保持並通過優化其船隊的船舶和載貨能力來提高競爭力，而數位分身可以基於歷史資料、持續和預測所得到的商業交易模式進行敏感性分析。透過測試形成戰略決策的基礎、貿易模式和分析船隊的各種場景。用於船隊優化的數位分身模型可以增強在不同的背景因素下進行運營決策，例如：在非典型情況的天氣條件下以及各種狀況下的方案選擇。數位分身的分析結果可以提供航商決策的參考，做出最適化的決定。
2、港口和碼頭優化：港口效率是基於平衡供需和靈活的運輸系統整合，不間斷的進出港貨物流和旅客，通過不同的交通工具到離港口。對於港口營運的戰略規劃，管理機關及其合作夥伴需要獲得資料，藉以分析正在進行中和未來可能發生的貿易機會。這樣的模型包含戰略決策所需要的參數，例如：基礎設施投資、港口設計和終端容量。通常這種模型應該解決的問題是需要有多少泊位以滿足準時目標，或需要多少空間允許不同的客戶在運輸服務之間移動時存儲他們的貨物，或者其他的運輸方式。由即時數據和歷史數據庫的多個數據流提供的數位分身也是一種用於協調和同步港口運營的規劃工具。
我國港口未來也可以朝鹿特丹港的目標建構「港內航運連網」進行港口岸邊數位化工作，不論是陸側或海側都安裝IoT感測器，範圍包括港口的碼頭駁岸、繫泊柱和道路等。這些感測器蒐集各式各樣的資料流，包括：潮汐與潮流的水氣濕度和天氣氣象資料、溫度、風速與風向、水位高度，以及泊位的可用性和能見度等，幫助船公司決定入港的最佳時間，也讓港方判定船舶是否能順利入港。數位分身的資料也可用來模擬各種可能的情境，讓相關人員瞭解如何更有效率地安排船務。數位分身能讓港務人員同時檢視各方資訊來考慮船隻的停泊，進而減少維運費用及船舶靠泊時間。
3、市場掌握：一種新興專業技術稱為狀態意識（Situation awareness, SA）或稱為態勢感知，是指對應在時間和空間的環境性元素及事件的知覺，並包括對它們意思的理解，及對一些變數（例如：時間或預定事件）改變後的狀態預測。其專門研究環境中要素的理解對決策的影響，應用在複雜和動態的領域，包括：航空交通管制、航海導航等。狀態意識包含了意識到附近發生什麼事情，以至到明白資訊、事件及自身的行動怎樣影響目的及目標，包括了即時性和即將發生的影響，而狀態意識在資訊差劣中所做的決定可能導致嚴重後果。數位分身正可以提供相關的狀態意識整合。
實務上，貨主、託運人、運送人和最終客戶一直在尋求市場的可見性和可預測性，尤其是貨物從原產地到目的地的運輸狀態。對於這些群體，數位分身是可行的技術來考慮併行連接相關資訊，以便徹底分析某一階段延遲的影響，做出調整，並更新狀態意識。此外，利用連接的數位分身調查跨頻繁交互的港口網絡協調發展基礎設施投資，以便利害關係人也獲得長期的狀態意識。這使他們能夠共同合作做出決定，以達到海運生態系統的某些共同目標，如：最大限度地減少港口排放。理解一個複雜的交互世界越來越超出人類的認知能力，這樣的高保真模型，可以使他們能夠感知現在和未來的狀態，進而掌握市場和現實營運動態。
4、造船及驗船事業：航空產業已經在虛擬空間建立真實飛機的模型，利用感測器與飛機真實狀態同步，完全擬真，在每次飛行後，將採集到的各種數據，透過物聯網傳送到飛機的數位分身中，即時分析評估是否需要維修或調整，進一步優化飛機性能，改進設計，減少故障率。同樣的數位分身在造船方面也顯示出在降低風險和縮短造船時間方面的價值。在應用方面，數位分身3D視圖可以通過顏色來表示船舶內熱量的潛在影響來提供重要參考，瞭解在何處添加絕緣材料，亦可瞭解船上的熱化程度如何影響船員的健康和安全。數位分身在船舶建造的設計階段提供實質幫助。就像增強實境和虛擬實境等其他功能一樣，我國的造船產業原有一定的實力，若引進數位分身的技術，不但可以降低生產成本，亦可以提供客戶更好的服務。
驗船中心可以利用數位化和現代化的檢驗技術來進一步提升其服務，運用數位分身來幫助客戶確定最佳的時間和地點預定和進行檢測。這也意謂驗船師未來可以在距離船舶數千里之外的辦公室工作，同時提供相同的服務。展望未来，未來驗船中心必須掌握2個趨勢，第一個是基於模型的設計（Model-Based Design, MBD），利用數位化模型来描述船舶及其系统，並建立一個協作平台，將數位分身應用於驗船的核心業務。第二個掌握狀況，基於從船舶及其系统持續採集的數據來調整在籍船舶的檢驗週期。藉以提升對入籍船舶狀態的掌控能力。
六、結論
數位分身不是一個偉大的概念，它已經是真實並且提供了降低顯著成本的能力。以港埠營運為例，若在碼頭設施、港口水域大幅度佈署感測器、感測浮標、IoT智慧貨櫃、數位海豚等設施，就可持續偵測潮差、濕度、海流和運輸狀況等即時數據，透過資訊蒐集，提供給數位分身，模擬港口可能發生的各種情境，提升港區運行安全，讓港口人員能更有效率安排船務。而業者也可利用數位分身來預測市場趨勢，掌握供需狀況，進行船隊優化和最適化派遣，藉以節省成本，提升競爭力。
數位分身模型的建置已有現成的軟體可運用，在技術上不是問題。企業可以選擇適合本身發展的需要，就建置時程和項目進行規劃，因為數位分身具有彈性，提供不同的規模給企業選擇（包括建置和維運成本）。我國航港產業的公私部門應該對數位分身的科技應用進行瞭解，盤點可以執行的項目，包括：船隊優化、港口和碼頭優化、市場掌握及造船及驗船事業等面向，納入航港智慧化的架構中，以追趕上國外其他港埠和企業的腳步。
為迎接數位分身時代，聯合國貿易便利化和電子企業中心（UN/CEFACT）、非營利組織GS1、世界海關組織（WCO）和數位化貨櫃航運聯盟（DCSA）等標準化機構開發了各種支持數位分身概念的構建模組，例如：UN/CEFACT 的智慧貨櫃數據模型和DCSA 的IoT連接基礎設施。未來當然還需要額外的標準來構建和部署完整的數位分身。海事部門數位分身將做為戰略和運營決策的重要基礎，以實現海事生態可永續發展持續的海上運輸。我國公私部門應積極瞭解並適時參與相關標準化作業程序，俾與國際接軌。
因應數位轉型時代的來臨，被認為對於新興科技接受程度比較保守的海運產業應做好變革的準備，數位分身可以提供航運相關產業做為決策的評估工具，也可以做為港埠管理機關提升經營效率和安全性的平台。目前我國港口智慧科技應用情形尚屬起步階段，未來可藉由擴大智慧科技應用，以及整合航商、海關、貿易及上中下游關聯產業，加速驅動創新發展。
為擴大智慧科技應用，針對尚未臻完善或屬構想階段之海運領域應用，公部門可提供新創/科技產業與服務試驗場域，發展概念性驗證案；至現階段已屬成熟之智慧科技，可透過獎勵等方式促使業者於相關場域導入智慧科技應用，俾以提升旅客體驗與港口營運管理效能。未來海運產業於擴大智慧應用及服務後，將形成由產官學研等領域建立之海運產業生態圈，並透過公私合作資源共享模式以提供優質服務，達成驅動產業創新發展之目標。為導向推動智慧海空港產業化，尚須調和法規及培育人才進行海空智慧化核心技術研發，俾以促進產業國產化、自主化；另透過多元管道媒合出口商機，以及調和智慧科技配套法規與行政資源，期以達成智慧海空港產業出口導向化之最終目標。
參考文獻
- 數位時代Business Next，https://www.bnext.com.tw/article/46573/gartner-identifies-the-top-10-strategic-technology-trends-for-2018。
- 科技新報TechNews，http://technews.tw/2018/11/22/gartner-2019-top-10-technology-technology。
- 潘皓緒，「數位分身對生產規劃應用之文獻探討與分析」，國立虎尾科技大學碩士論文，108年。
- FINDIT, https://findit.org.tw/researchPageV2.aspx?pageId=1521。
- 數位時代，https://www.bnext.com.tw/article/46381/simulation-digital-twin。
- Chris Cappelli, ESRI, Inside Story: Europe’s Largest Port Prepares for Autonomous Ships ESRI, 2018.8.7。
- PortNews, https://en.portnews.ru/news/310665。
- 科勝科技股份有限公司，http://www.utitech.com.tw/AboutUs.html。
- 微軟公司，https://docs.microsoft.com/zh-tw/azure/digital-twins/overview。
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