Digital twinning for ports : from characterization to operations’ modelling

Ports are actively pursuing greater operational efficiency to effectively handle the increasing global flow of goods, while striving to improve the energy efficiency of their operations to comply with new environmental regulations. As a result, innovation-leading ports have begun to recognize the potential of digital twins to overview, coordinate and optimize port processes, resulting in energy savings, and reductions of costs and of CO2 emissions. While digital twins have gained momentum in other domains such as smart manufacturing and aerospace, their adoption in ports has been comparatively slow. This can be explained, among other things, by the multi-stakeholder nature of the port and the high complexity of the often interconnected port processes. Thus, this thesis, grounded in the context of ports, discusses what constitutes a digital twin, proposes characteristics to assess the maturity of existing digital twins, and introduces and evaluates mathematical models to support a key port process, which can be used as components of a digital twin for the port. The thesis is composed of three papers: Paper 1 is based on an extensive literature review, through which digital twins among different domains are studied in depth in order to transfer insights from these to the port domain. The resulting discussion of what constitutes a port’s digital twin and the requirements that a port’s digital twin must fulfil, together with a discussion of use cases of how port digital twins can contribute to energy savings, form the basis of Paper 1. Paper 2 discusses how digital twins’ maturity can be assessed within six maturity levels and presents milestones for their implementation. Notably, Interoperability is identified as the highest maturity level, as the numerous stakeholders and their respective digital twins must work together to reach a coordinated system of systems performance. Using this assessment demonstrates that only a few innovation-leading ports have developed so
Hamnar strävar aktivt efter ökad operativ effektivitet för att hantera den ökande globala varuflödet, samtidigt som de strävar efter att förbättra energieffektiviteten. Som ett resultat har ledande hamnar börjat se potentialen hos digitala tvillingar för att skapa överblick samt koordinera och optimera processer i hamnen. Målet med användningen av digitala tvillingar är energibesparingar samt minskning av kostnader och CO2-utsläpp. Medan digitala tvillingar har använts inom andra områden såsom tillverknings-, flyg- och rymdindustrin, har införandet i hamnar varit jämförelsevist långsamt. Detta kan förklaras, bland annat, av hamnens många olika involverade aktörer och den höga komplexiteten i de ofta sammanlänkade hamnprocesserna. Därför fokuserar denna avhandling, med utgångspunkt i hamnkontexten, vad som utgör en digital tvilling, presenterar egenskaper för olika mognadsnivåer hos befintliga digitala tvillingar, och introducerar samt utvärderar matematiska modeller som kan bli delkomponenter i en digital tvilling för hamnen. Avhandlingen består av tre artiklar: Artikel 1 bygger på en omfattande litteraturöversikt, inom vilken digitala tvillingar för olika områden studeras ingående för att överföra insikter från dessa till hamndomänen. Detta resulterar i en presentation av vad som utgör en hamns digitala tvilling och de krav som en hamns digitala tvilling måste uppfylla, tillsammans med en diskussion om möjliga sett på vilka hur hamnens digitala tvillingar kan bidra till energibesparingar. Artikel 2 presenterar ett ramverk för hur mognaden hos digitala tvillingar kan bedömas baserat på sex mognadsnivåer och presenterar milstolpar för deras implementering. Noterbart är att interoperabilitet identifieras som den högsta mognadsnivån, eftersom de många intressenterna och deras respektive digitala tvillingar måste koordineras för att nå en fungerande system-av-systemnviå. Genom att använda denna bedömning visar det sig att endast några få innovationsledande hamnar hittil