TwinSim - Entwicklung eines Digitalen Zwillings für eine simulationsbasierte Optimierung von Transport-, Lager- und Instandhaltungsvorgängen im Containerterminal

Abstract

Digitale Zwillinge physischer Objekte werden zunehmend auch in der Logistik entwickelt. Im Forschungsprojekt TwinSim wird ein digitaler Zwilling für ein Containerterminal entwickelt. Er basiert hierbei auf der Standardisierungsinitiative "TIC 4.0" (www.tic40.org), einer Initiative, die von Marktteilnehmern (Umschlagsbetrieben, Geräte- und Softwareherstellern) entwickelt wird. Ziel ist es, den Nutzern im Containerterminal ein Entscheidungsunterstützungswerkzeug zur Verfügung zu stellen, um die Abläufe auf dem Terminal in Hinblick auf Produktivität, Effizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit optimal zu gestalten. Hierzu werden neben der Datensammlung, -synchronisation und -bereitstellung insbesondere datengetriebene Optimierungs- und Vorhersagekomponenten entwickelt, um Abläufe auf Basis von Echtzeitdaten der eingesetzten Geräte und dem Terminal Operating System (TOS) zu analysieren und Entscheidungsprozesse im Terminalbetrieb zu unterstützen. Auf diese Weise kann die Zuweisung von Fahraufträgen unter Berücksichtigung der aktuellen Gegebenheiten und der historischen Daten automatisch in Bezug auf Produktivität, Effizienz und Nachhaltigkeit optimiert werden. Dazu werden im Rahmen des Forschungsprojektes Verfahren aus dem Bereich Kombinatorische Optimierung und aus dem Bereich Maschinelles Lernen prototypisch entwickelt und miteinander kombiniert. Die automatisch generierten Planungsergebnisse werden in eine Simulation integriert, um dem Nutzer die Möglichkeit zu bieten, mit „What-If“-Simulationen die Optimierungsergebnisse und Planungsentscheidungen kritisch zu bewerten. Weiterhin wurden Verfahren zur prädiktiven Instandhaltung prototypisch entwickelt, um die Verfügbarkeit von Geräten zu erhöhen sowie Datenanalysen zur Stabilität von Fahrzeugen (speziell Staddle Carriers) durchgeführt, um die Sicherheit der Fahrer zu verbessern. Insgesamt führen die entwickelten Verfahren zu einer Verbesserung der Produktivität, Effizienz, Sicherheit und Nachhaltigkeit im Terminalbetrieb. Neben der Entwicklung von innovativen Verfahren zur Optimierung von Terminal- und Instandhaltungsvorgängen hat die Universität Hamburg das Projekt wissenschaftlich begleitet, u.a. bei der Durchführung von Workshops, und Ergebnisse in zahlreiche Veröffentlichungen verwertet. Digital twins of physical objects are increasingly being developed in logistics. The TwinSim research project is developing a digital twin for a container terminal. It is based on the "TIC 4.0" standardization initiative (www.tic40.org), an initiative developed by market participants (handling companies, equipment and software manufacturers). The goal is to provide container terminal users with a decision-support tool to optimize terminal processes in terms of productivity, efficiency, safety, and sustainability. In addition to data collection, synchronization, and provision, data-driven optimization and prediction components are being developed to analyze processes based on real-time data from the equipment used and the Terminal Operating System (TOS) and to support decision making processes in terminal operations. In this way, the allocation of transport orders can be automatically optimized with regard to productivity, efficiency, and sustainability, taking into account current conditions and historical data. To this end, the research project will develop and combine prototypes of methods from the fields of combinatorial optimization and machine learning. The automatically generated planning results will be integrated into a simulation to provide users with the opportunity to critically evaluate the optimization results and planning decisions using "what-if" simulations. Furthermore, prototypes of predictive maintenance methods were developed to increase equipment availability, and data analyses on vehicle stability (especially staddle carriers) were conducted to improve driver safety. Overall, the developed methods will lead to improved productivity, efficiency, safety, and sustainability in terminal operations. In addition to developing innovative methods for optimizing terminal and maintenance processes, the University of Hamburg provided scientific support for the project, including by conducting workshops, and incorporating the results into numerous publications.