
産業5.0:人間中心のアプローチによる船舶設計の変革
Posted on June 11, 2024
その論文は、オランダのアムステルダムで開催された第15回国際海洋設計会議(IMDC-2024)で初めて発表されました。
序文
船舶設計プロセスは、しばしば機能性に焦点を当てた主要な工学分野として捉えられています。このプロセスを管理し、組織化するための多くの手法やアプローチがあり、そうしたトピックが議論されるフォーラムも多数存在しています。船舶建造業界に最近導入された概念の1つが産業5.0です。これは、最初にEU(欧州連合出版物、2021年)によって開発され、従来の産業4.0のアイデアをさらに進化させたものです。産業革命のレベルは、社会技術の風景と関連プロセスの根本的な変化を捉えた概念的な単純化であり、技術の利用、準備状況、またはデジタル化の進展の評価として解釈すべきではありません。これらは産業の変革段階と概念フレームワークを示すものです。
産業5.0で説明されている変化は、船舶建造業界と船舶設計プロセスの進化に反映される可能性があります。本文では、産業5.0の文脈で船舶設計に期待される変化を探求します。これには、船舶設計と船舶建造に焦点を当てた産業革命の概念の概要、影響領域の特定、各領域の詳細な検討、および人間中心の視点を考慮したフレームワークアプローチの提供が含まれます。
船舶設計の手法と人間中心性
船舶設計活動と方法論の進化の遅れは、社会と技術の発展プロセスを反映しています。図1は、産業革命によって主に引き起こされた船舶建造の主要な変化の非常に単純化されたバージョンを示しています。帆船から蒸気機関や鋼鉄船体への移行により、これらの変化は船舶の設計と目的に直接影響を与えました。これにより、より長い航海路と大きな貨物保持能力が可能になりましたが、強力な船舶の欲求が原因であったのか、より信頼性の高い船舶によるより長い航海が可能になったのか、はっきりと言えません。後に、CAE/CAD/CAM技術がより複雑な設計を可能にし、ロボット化された生産プロセスの扉を開きました。このプロセスはまだ進行中ですが、ほとんどの船舶設計はIT技術の関与なしには行われていません。現在、データ管理システム、高度なシミュレーション、およびIT技術を介した船舶建造への人間中心性の展開を目撃しています。最新の進化段階である船舶建造5.0では、知的ITの中心に人間のニーズと能力を置くことで、サイバー物理システムを次のレベルに引き上げることが期待されています。

船舶設計プロセスにおいて、これらの段階は、手動で行われた設計から人間の入力に基づく技術創造型の設計への変化として記述できます。わずか30年前には、計算やすべての文書作成を、せいぜいペンや計算機を用いて行うことが主流の実践でした。約20年前には、最初のエンジニアリング計算用アプリケーションが船舶設計に用いられました。ほぼ同時期に、最初のCADアプリケーションがデジタルモデルや3Dモデルを作成し、エンジニアリングの意思決定を評価し、準自動化された出力を生成する可能性を提供しました。設計モデルを仮想現実(VR)で表示したり、船体形状や推進システムの代替案を評価するためにシミュレーションを使用したり、世界中のどこにいる専門家を設計プロセスに関与させたりするための技術的な可能性があります。これらは、技術と社会の進化によって船舶設計プロセスに影響を与えた変化の否定できない進展です。産業4.0はデジタルモデルと物理製品の接続を強調し、産業5.0は人間-デジタル-物理の複雑さのレイヤーを追加します。最新段階である船舶建造5.0を考慮すると、すべての分野で発生している生成的AIアプリケーション、産業メタバースが産業に初めて歩を踏み出し、共同作業ロボットやロボットが多くの造船所でさまざまなタスクに使用されることに関して期待が高まっています。その独特な点は、持続可能性と強靭性への総合的な焦点です。船舶設計プロセスがこれらの変化に影響を受けることが予想され、以下のセクションではそのいくつかが概説されます。
人間中心のアプローチが変化をもたらす可能性のある船舶設計の領域
船舶建造の主な目標は、川、海、そして海洋の探索を含む大規模な輸送にあります。水上輸送や水中活動にはさまざまな目的があります。これらの目標は、しばしば「所有者や運営者に価値を提供する」といった導かれた必然性で船舶設計に置き換えられます。私たちは起源に戻り、最初の質問に取り組む必要があります - なぜ社会が水上輸送や川、海、海洋の探索を必要とするのでしょうか?これらの質問に対する回答は明らかかもしれませんが、この形での質問の提示は、産業5.0のコアを開き、人間の意図や関心をすべてのプロセスの中心に置くことを示しています。初期の理由の中核に焦点を当てることは、要求をどのように満たすかを評価する鍵を提供します。この方法で、議論は所有者や運営者の観点などの株主の文脈から、社会の目標、地域コミュニティの地域差、および船舶を操作し利用する人々などの利害関係者のより包括的な背景に移行します。これは、機能要件の前に実施すべき人間中心性への主要な移行です。
船舶建造業は、他の交通産業とは異なります。これには、海洋工学に必要な狭い専門知識から始まり、火力発電所など陸上生産施設とほぼ同じスケールのプロジェクトの複雑さまで、さまざまな説明があります。方法論のアプローチにも追加の違いが見られます - 製品対プロジェクト。類似の多くの産業が最終製品を製品として言及し、したがって製品設計および管理の方法論を適用するのに対し、船舶建造業はしばしば船舶をプロジェクトとして言及します。時には船舶建造プロジェクトが研究開発プロセスに類似しているとさえ言われます。しかし、ソフトウェア開発などの研究開発アプローチから船舶設計プロセスに方法論を適用することについての主流の議論はありません。船舶建造特有のニーズに主眼を置いた独立した産業として、他の産業や実践との間でほとんどクロス普及がありません。一方で、これは複雑さを大幅に促進し、一方向に向かって進むのを助ける一方で、他の産業や技術、一般的な管理プラクティスに関する経験を船舶建造から奪います。
要約すると、船舶設計には以下の特徴があります:機能的アプローチへの迅速な進化、他の産業との関連性の欠如、および設計アプローチ。次の部分では、船舶建造5.0の概念の下で進化の可能性が最も高い領域についてより詳細な議論を示します。
株主から利害関係者への焦点の変更
船舶の建造目的は、その使用意図とそれに伴う人間の意図に主に焦点を当てるべきです。したがって、設計段階で行われる決定は、設計の意図された目的に対して検証されるべきです。船舶の技術仕様書がすべてのこれらの意図や目的を概説しており、実際にこれが情報の期待される流れです—船主が将来の船舶に関する主な期待と制約を比較的詳細に説明することが期待されます。理想的には、「船を海で保つ必要がある人々」と「船を機能的にする必要がある人々」の期待を組み込むべきです。しかし、技術仕様書はしばしば以前の船舶やプロジェクトからコピーされ、要件は個人の好みや信念に大きく影響を受けます。これは非常に人間的な方法ですが、残念ながら、設計プロセスの最初の段階に配置されたこのような誤解は後の段階に大きな影響を与えます。
プロセスの早期段階で最終ユーザーのニーズを早期に特定する例として、UlsteinのツインXスターンとWärtsiläのダブルアクティングテクノロジー(DAT)が挙げられます。いずれの場合も、船舶の主要な意図と早期段階での期待される運用の特定が、全く新しい設計につながりました。ツインXスターンの場合、従来の考え方からの一歩離れて、片船尾の代わりに最大の操縦性と燃料節約を証明し、特に荒天での位置保持を要求されるオフショア作業に適しています(Ulstein、2021年)。DATの場合、新しい設計はテスト中に特定され、開放水域での船首の性能を最適化し、氷を砕くように設計された船尾を備えた全く新しい設計のクラスにつながりました(Wärtsilä、2024年)。もう1つの類似の例は、最初は内陸航行の課題や無人船舶に対する保険要件に対処するために作成されたバージとプッシャーまたはプーラーの組み合わせです。有人船舶を持つ代わりに、無人のバージとプッシャー牽引船を併用する方が経済的に優れた解決策です。
これらの例は、設計の非常に初期段階で人間中心性に取り組むことが、設計プロセスの進行を変え、標準のプラクティスや以前のプロジェクトの実践を再利用する意図に挑戦することができることを示しています。船主の株主の視点から将来の船舶の利害関係者、つまり新造船プロジェクトの主な目的、目標、期待などへの焦点を変更することは、設計結果と後の設計段階に大きな影響を与える可能性があります。
船舶の将来の使用と未知の要素への対処方法
商業船舶の典型的な寿命は約20年であり、海軍艦隊は30年以上に延長される場合があります。これは、将来の設計の主な特性を定義する際に多くの未知で予測不可能な要素が存在することを意味します。こうした懸念は、方法論研究で繰り返し取り上げられ、IMDC 2022(Erikstad、2022年)で包括的な概要が提示されています。議論に持ち込まれた問題は、将来の設計を行う際の不確実性と、この不確実性に対応するために必要な柔軟性です。一部の業界設計会社も同様の懸念を抱えており、これらの設計要素に取り組む方法論を探しています(Yrjänäinen、2023年)。提案されているアプローチは、典型的なエンジニアリングアプローチに基づいており、技術、規制、環境の変化などの要因を考慮し、これらを設計に計上された運用シナリオに統合することを目指しています。このアプローチは、運用のシミュレーションにも展開されていますが、複雑な設計問題に対する線形アプローチを取るものです。類似の問題は、典型的なPLMアプローチの変種管理や一般的な戦略管理のシナリオ構築技術でも取り組まれていると主張できます。
この領域に取り組むための可能なアプローチは、他の研究分野や産業から1つ以上のアプローチを採用することです。船舶建造業はしばしば、他の分野からの経験を自己とは異なるものとして無視します。しかし、複雑なプロジェクトや高い不確実性レベル、そして複数の利害関係者を対象としたプロジェクトにアプローチするための適切な方法論が存在するかもしれません。このアプローチは、一般的なプロジェクト管理から取り入れることができます。ここでは、類似またはさらに複雑な組織、プロセス、および方法論の問題が産業設定で積極的に研究およびテストされています。より具体的な方法論としては、アジャイル開発原則(Rigby、2016年)などが採用され、設計のスパイラルアプローチが増分的な開発の反復的性質で複雑さと不確実性を扱います。典型的な研究開発の視点から船舶設計プロジェクトを考えると、プロジェクトの進行に伴ってプロセスの成果が変化し、外部要因がスコープと成果に大きな影響を与える可能性があります。
システム思考(フォレスター、1961年)(フォード、2009年)は、船舶設計方法論を見る別の方法を提供します。現在、これは船舶の機能システムとシステムアーキテクチャの範囲を制限する方法としてしばしば適用されています。より広い視野を持つことで、将来の船舶を所有者、運営者、輸送、または研究システムの一部として、造船所、サプライヤーネットワーク、技術プロバイダーなどのシステムの一部として見ることができます。これにより、設計のより包括的な視点が提供され、広範囲のコンテキストで人間中心性が考慮され、革新が生まれ、持続可能な要素が早期に考慮され、標準的なアプローチと比較して非常に早期に機能設計の具体的な点に入ることなく、より大きな柔軟性が得られます。
不確実性に取り組むための追加の方法として、未来研究の方法論を採用することが考えられます。未来研究は、未来の不確実性と複雑さを研究する科学の一分野です。この方法論の代表的な例は、シナリオ構築であり、未知の要素を構造化し、予期しない要因を含める方法を提供します。未来研究の主要な原則の1つは、利害関係者を議論に参加させ、この議論を通じて可能な、確実な、および現実的な進路を特定することです。このアプローチは、未来における船舶設計に関する意思決定のための長期的な未来を形作る創造性の影響を、先見の方法を用いて調査した研究(Jokinen、2022年)で提示されました。船舶設計の問題を、将来に役立つ設計を作成する課題として見ることは、船舶設計方法論に対する新しい視点です。
設計プロセス要素の変更:労働力、期待、ツール、および専門知識
変革の第3の領域は、視点の変化に影響を受けるプロセス要素です。これらの要素には労働力、期待、ツール、専門知識が含まれます。最初の要素は労働力の変化であり、産業界と学術界が既に目撃しており、これらの変化は将来加速すると予想されています - 設計プロセスに関与する労働力の変化です。XYZ世代のエンジニアたちは、過去の定型的なイメージを経験豊富なエンジニアが課題を解決し、最良の成果を目指すエンジニアと徐々に置き換えています。新世代のエンジニアたちは、技術が彼らのニーズを満たし、業界のベストプラクティスや暗黙の知識がツールに組み込まれて設計プロセスの大部分を容易にすることを期待しています。この変化の一つの側面は、技術ツールの相互作用のアクセシビリティとユーザーエクスペリエンスです - 2D図面を作成する煩雑なプロセスではなく、インタラクティブなAI支援のMixed Reality(MR)ヘッドセットを使用してエンジニアリングの出力を自動生成します。ソフトウェアプロバイダーは、このパラダイムプロセスのシフトを持続的に促進し、この領域での期待はしばしば現実を超え、時には技術があり得るすべての問題を解決するという非現実的な期待さえ生み出していますが、これらの問題は現在未解決のままです。
期待は、人間の視点を取り入れることで影響を受ける可能性がある別の領域です。人間の視点に基づいて、マーケティングの約束や時にはサイエンスフィクションの出版物はしばしば期待を高め、限りない可能性からイメージを創造します。期待を十分に管理することで、現実的なアプローチを許容し、イノベーションのためのスペースを残すことができます。これには、それ自体が対処されると考えるのではなく、意識的かつ体系的な取り組みが必要です。
ツールは、設計の中でおそらく最も速く進化している要素です。ツールとは、モデリング、シミュレーションなどのためのさまざまな船舶設計パッケージを指します。過去10年間で、ハードウェアとソフトウェアの進歩だけでも、デザイナーを2Dの現実からペーパードローイングで混在現実の3D体験に持ち込むまで進展してきました。デジタルツインの概念は、大規模でますます複雑なデータと接続性を扱う可能性によって実現されています。最初の統一されたデジタルツインのビジョンは、より具体的な目的のためのより実用的なデジタルツインに徐々に置き換えられ、現在はデジタルモデルとツインの保存と使用を可能にするデジタルスレッドやバックボーンの方向にゆっくりと移行しています。ソフトウェア開発者は、ソフトウェア開発プロセスの中心にユーザーエクスペリエンス(UX)を置き、機能だけに焦点を当てるのではなく、テクノロジーの適応の重要性を認識しています。
前の進化の波であるIndustry 4.0では、デジタルモデルと物理世界の接続性に主眼が置かれ、製造と自動化を可能にしました。デジタルと物理世界の境界が曖昧になることで、船舶設計データを直接生産や機械に送るための多数のアプリケーションが提供されました。3Dデータに基づいて自動的に一般的な切断や溶接プログラムを使用することが主流となり、産業界ではロボット組立のための多くの自動化されたインタフェースやアプリケーションが作成されました。現在、ソフトウェア開発チームの関心は、データ、ツール、インタフェース、およびユーザーエクスペリエンスの使いやすさに集中しています。したがって、焦点はもはやツールの機能に置かれておらず、人間中心の視点が徐々に取り入れられ、以前に説明した課題である労働力と期待が解決されています。完全にロボット化された生産ラインは造船業のビジョンのままですが、共同作業ロボットの使用やAIによる計画とスケジュールは、先進的な船舶設計技術によって実現された現実です。
専門知識またはスキルは、変化プロセスの最後の要素です。これは、船舶設計に必要な専門知識や知識管理システムが組織の知識管理を促進するための専門知識を指します。現代の造船業の複雑さは、すべての側面や学問を1人で処理する能力を超えており、専門知識の管理、異なるチームの関与、および暗黙の知識の促進が必要とされています。新しい世代の造船業者は、以前の世代が数年かかった専門知識、スキル、専門技術を蓄積し提供する技術を期待しています。ここでは、技術が知識の蓄積と促進のためのより重要な役割を果たしています。
船舶設計プロセス方法論への影響
前の部分の議論に基づいて、システムベースの船舶設計プロセス方法論に以下の追加が提案されます。概念的に、これらの追加はLevanderの図(Levander、2006年)の発展として図2に示されています。
人間中心の側面を追加することで、「設計スパイラル」に追加のポイントが必要となります。これらのポイントは、ステークホルダーの分析、機能設計のシナリオの構築(代替案の表現として)、およびプロジェクトの経済的実現可能性のためのスペースを設計プロセスに割り当てます。これらは設計プロセスの他の段階で既に考慮されているかもしれませんが、これらのステップを明示的に可視化することで、方法論のより包括的な視点が提供されます。これは、人間中心のアプローチが最も大きな影響を与え、設計プロセス全体の進路を変える可能性が最も高い3つのポイントを強調しています。図2は、これらの追加を示しています:ステークホルダー分析、機能設計のシナリオ分析、および経済的設計のシナリオ分析。

ステークホルダー分析は、設計活動の最初のステップとして提案されています。ミッションパラメーターを定義する前に、最初の問いは、将来の船舶をどのようにして誰が利益を得るかです。このようにして、焦点は利害関係者から利害関係者に移ります。利害関係者の分析は、関係するグループ間の違いやこれらのグループ間の利害の衝突について洞察を提供することができます。潜在的に相反する期待をマッピングし、持続可能性の特性を特定するのに役立ちます。上記の例で使用されたように、これは革新的な設計や、困難なステレオタイプや過去の設計が設計に対して根本的に新しいアプローチを提供する可能性があるような、より特注の解決策につながる可能性があります。このような分析は、できるだけ幅広い利害関係者を含む1つまたは複数のワークショップとして開催される可能性があります。理想的には、船舶所有者、造船技師、造船所代表、および新造船の潜在的な利益を得る地方自治体や地域社会など、他の潜在的な利害関係者を含めるべきです。
機能設計のシナリオ分析(Ramírez、2016)は、2つ前のステップである利害関係者分析とミッションの特定後に行われる別のステップです。これは機能設計段階の前に行われるべきであり、いくつかの代替設計バリアントを開発するための基盤として機能します。シナリオ構築と分析を行うための多くの可能な技術があります。これは、いくつかのワークショップ、ステップ、および代替案の徹底的な研究を伴う詳細なプロセスであるか、あるいは異なる中心軸や主要な異なるシナリオを特定するための簡単なプロセスであるかもしれません。たとえば、1つの軸はGHG排出量(極端な場合は従来の重油エンジンとメタノールエンジン)であり、もう1つの軸は貨物容量や安定性に影響を与える船首の形状です。ここでの自然な異議は、通常、設計には2つまたは3つの極端を大幅に超えるパラメーターと変化が多数存在するため、シナリオの数が指数関数的に増加することになるということです。これに対処するために、利害関係者分析とミッションの明確化からの前のステップが、設計のための最も有益な基準を特定し、これに焦点を当てるのに役立ちます。この活動の結果として、議論およびさらなる開発のための1〜2つの選択肢を選択するための明確に異なるシナリオのセットが得られます。これは、イノベーションを管理し、意見に影響された意思決定を避けるための構造化された方法を提供することができます。
経済設計のシナリオ分析は、機能分析のシナリオと同様に、プロジェクトの財務的実現可能性を評価するために経済的シナリオを構築することができます。これは、1つの機能設計または複数の設計のために実行することができ、既知の経済的特性や将来を含めることができます。
前述の両方の手法は、デザインの異なるバリアントや仕様を考慮する枠組みを提供するだけでなく、将来の不確実性に対処するためのツールとして、最も重要です。シナリオ構築は、潜在的な展開の合理的かつ一貫した物語を構築することによって、代替の未来を探求することを容易にする戦略的管理と未来研究の手法です(Schwartz、1991)。これにより、不確実性について体系的に考え、仮定を検証し、異なる将来の状況の影響を考慮することができます。これらすべてがデザインの意思決定を強化し、複雑なプロジェクトでの評価の構造化された方法を提供することで、デザインのミスを回避するのに役立ちます。シナリオ手法に加えて、システム思考や未来予測技術など、他の多くのツールが利用できます。これらは、船舶設計プロジェクトの複雑さの増大、将来の要件や規制の変更の不確実性に対処し、海事産業に持続可能性の焦点を提供するための総合的な設定を提供することができます。
人間中心性に基づく視点の全体的な変化は、全体の設計プロセスに影響を与えます。上記で議論されたステップは、方法論に影響を与える明確な行動です。方法論以外にも、全体的なプロセスおよびその部分が徐々に変化しています。社会的および技術的な変化がこれらに大きな影響を与えます。組織内の階層的な管理スタイルからのゆっくりとした変化は、より柔軟な働き方に移行し、意思決定の方法やイノベーションの促進方法に影響を与え、新しい設計の創造と人間の想像力と創造力を解放します。社会の目標は、持続可能性と環境目標への持続的な成長から変わり、すべての活動に優先的な要請を与えます。設計者の世代が変わり、仕事の進め方やどの部分が最も重要と見なされるかに違いをもたらします。技術は急速に発展し、デジタルツインの利用や、シミュレーションでの仮想の可能性の活用、運用データの収集、視覚化での没入型体験を可能にします。機械学習(ML)や人工知能(AI)の船舶設計およびデジタルツインデータ管理への応用といった、別個の開発の可能性全体の領域もあります。上記のステップに加えて、設計プロセス自体も進化しています。船舶設計をプロジェクトとして管理するプロセス、ツールのユーザーエクスペリエンス(UX)への影響や専門知識の管理、組織内での人事の側面や知識管理システム—これらすべての変化が将来的に徐々に起こり、更新された方法論をもたらし、そして、より良い設計を可能にするでしょう。
上述のように、人間中心性が設計プロセス管理に与える影響は、研究と応用の興味深い領域を提供しています。船舶設計方法論は、プロジェクト管理から選択されたプラクティスを取り入れることで恩恵を受けることができます。アジャイル方法論、利害関係者および影響分析、システム思考、予測技術などが含まれます。他の分野からの方法論の交差利用は、人間中心性と利害関係者の意図の広い解釈を船舶設計プロセスに取り入れ、将来の変化の不確実性に対処します。このようなアプローチの代替可能性として、サービスデザイン方法論があります。その適用の最初の研究が発表されました(Kim、2024年)。
結論
この記事では、船舶設計プロセスと方法論の進化のいくつかの側面を、造船または産業5.0概念の枠組みに基づいて検討しました。網羅的ではないものの、人間中心性の主要なパラダイムシフトが船舶設計に与える影響の要因として提示され、そのようなシフトの可能な結果が議論されました。変化が予想される主要な領域は、株主から利害関係者への焦点の変更、将来の不確実性要素の設計決定への組み込み、およびプロセスのいくつかの側面の変更であり、それには労働力、期待、ツール、専門知識管理が含まれます。船舶設計方法論への影響として、設計スパイラルに基づく一般的な方法論に3つの追加ステップが特定されています - 利害関係者分析、機能設計のためのシナリオ分析、および経済評価のためのシナリオ分析。期待される影響は、不確実性、イノベーション、期待管理に対する構造的アプローチとして特定されています。潜在的な利点には、利害関係者や社会の目標とのより高い一致度、新しい設計の期待、および海運産業での水上輸送の応用が含まれます。
将来は確定されたものではありません。人間中心性の影響のいくつかは最もありそうですが、一部はまったく異なる方向に進むか、予期しない方向に進むかもしれません。予測はこの記事の意図された結果ではありませんでしたが、造船5.0に関する議論とその船舶設計プロセスへの影響は、業界全体にポジティブな影響を与えるはずです。
References
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