統合造船データ管理

この論文は初めて統合された船舶データ管理が取り上げられた年次コンファレンスである、2023年5月23日から25日にドリューベック、ドイツで開催された「海事産業におけるコンピュータアプリケーションと情報技術に関する会議（COMPIT）」で発表されました。

著者: Ludmila Seppälä

1. 導入

船舶の設計と建造には、海洋建築、エンジニアリング、技術の知識が必要です。これらの分野は、将来の浮遊する構造物の機能を定義するために不可欠であり、最も学術的な関心と計算的な注目を集めています。典型的な商業船舶建設プロジェクトでは、詳細なエンジニアリングには最大500万の構成要素の管理が必要です。海洋構造物の造船プロジェクトは通常1年から5年にわたり、広範なプロセス管理データが要求されます。これには、下流および上流の造船データ、材料、人員の管理、さらにはエンジニアリングと製造プロセス全体のデータ管理が含まれます。残念ながら、これらの側面は研究ではしばしば軽視されていますが、船舶建造業者に競争優位性をもたらし、デジタル変革から恩恵を得る機会を提供しています。

この論文は、船舶の設計と建設プロセス全体にわたる統合データ管理に焦点を当てています。これには変更管理の徹底的な実施や、3Dおよび2Dの設計、文書、材料の請求書など、すべての関連データの総合的な管理が含まれます。このトピックは、デジタルソリューションを船舶設計とデータ管理に関連付け、典型的な造船プロジェクトの概念設計から納品、さらには運用に至るまでの船舶ビジネスプロセスに関連しています。

2. 三つのレイヤー：意図駆動型設計、データ管理、およびプロセス管理

通常、研究者は設計スパイラルを使用して、造船プロセスを示します。これは、設計の進化を段階ごとに循環的に説明するための古典的な方法です。これはまた、機能から詳細な製造段階までの直線的な製品ライフサイクルの観点からも考えることができます。これらのプロセスは、一意の複雑さを持つ意図駆動型設計のレイヤーを構成し、通常は複数の専門分野や機能固有のアプリケーションで構成されています。他の2つのレイヤーは、データ管理とプロセス管理から成ります。データの観点からは、設計プロセスは3Dモデル、計算、図面、仕様など、さまざまなデータタイプを含む膨大な量のデータと関連付けられます。この情報を管理・制御するために、製品データ管理（PDM）システムが一般的に使用されます。このようなシステムは、他の産業では一般的ですが、造船業界では最近になって導入されています。最後のレイヤーはプロセス管理であり、造船所または設計事務所が活動を組織・管理する方法を反映しています。組織やワークフロー、プロジェクト管理などのデザインを対象とした組織のデザインです。これら3つのレイヤーの相互接続が、デジタルツールが全体のプロジェクトの時間とコストを大幅に最適化できる場所です。長い間、造船業界は設計プロセスとツールに焦点を当てており、他の側面は軽視されていました。データの保存と管理は意図駆動型設計ツールの範囲に部分的に含まれ、プロセス管理は純粋なビジネスまたは組織の管理学科としてしばしば見過ごされています。

この論文は、議論された3つのレイヤーについての一般的な考慮を提供し、各造船所や船舶設計組織が個別に取り組むことを謙虚に認識しています。この作業の方法は、競争上の優位性や商業秘密を包含することが多いです。この論文の主な目標は、全体のプロセスを説明し、既存のツールを適応させる可能性、他の産業から学ぶこと、またはソフトウェアツールを改善するための基盤となるモデルを見つけることです。

図1: 造船ライフサイクルに沿った整列したプロセス：設計、プロジェクト管理、およびデータ管理 – 各機能ごとに個別のアプリケーションとインターフェース

3. 意図駆動型設計

造船業では通常、機能設計と計算のための専門ソフトウェアアプリケーション、詳細設計のためのモデリングソフトウェア、および生産管理のためのさまざまなアプリケーションが使用されます。

歴史的に信頼性のあるCADベースの造船技術は、3Dモデルデータと自動生産出力を利用し、Seppala（2021）によると、造船エンジニアリング、設計、並行協力の複雑さを効果的に対処する確立された技術です。大規模なプロジェクトでは、多数のエンジニアやデザイナーが多様な設計データにアクセスする必要があるため、オンライン協力とセキュリティのレイヤーを確保することが求められます。

詳細なエンジニアリングでは、船舶設計に多くの時間が費やされることが一般的で、通常は意図駆動型のCADソフトウェアが使用されます（SieranskiとZerbst、2019）。通常、装置や各種用途のユニットなどの一部は、専門のサブコントラクタによって開発・供給されます。他の部品は、鋼材やアーマチュアから工場の床または船内で製造されます。このような部品の設計は複雑であり、主に部品間の高いトポロジカルな接続の数から複雑性が発生します。さらに、作業が通常同時に実行され、特定の設計分野に特化した複数のサブコントラクタや現代の船舶で使用されるさまざまな技術を提供するプロバイダが関与する場合、複雑性のレベルは増加します。複雑性を管理する必要性から、意図駆動型設計アプリケーションの活用が正当化されます。マルチ編集と保持されたトポロジカルな接続を使用することで、各部品を個別の3Dオブジェクトとして保存せずに、類似の構造部品を反映させて再利用することができます。

この方法論により、3Dジオメトリ、メタデータ、トポロジカル関係、製品および作業の分解構造など、さまざまなデータタイプが生成されます。現代の造船業では、このデータを製造実行システム（MES）、調達および資材管理、エンタープライズリソースプランニング（ERP）と統合することは、課題となりパラダイムの転換をもたらします。自動車や航空宇宙など他の産業で使用される既存の大規模なソフトウェアソリューションは、造船プロジェクトの規模やトポロジカルな接続の特性を処理できません。そのため、設計と製造プロセスを整理するために既存のCADベースのソリューションにデータ管理システムと協力ツールを組み込むことが実現可能であると考えられます。

設計プロセスが進行するにつれて、部品の数は着実に増加し、データベースのサイズも増大します。現代のCADソリューションは最新の3Dデータや関連データを維持するのを容易にしますが、変更履歴を全て保存することは課題であり、必要な情報の構造化と識別の問題を提起します。

4. データ管理

述べたように、船舶設計と造船には膨大な量のデータが関与し、特定の形式と構成で届き、同時に複数の専門アプリケーションで処理されます。

技術とソフトウェアソリューションの観点から、造船プロセスを考えると、専門システムの構成は作業範囲によって大きく異なります。海洋建築の局が主にエンジニアリング、シミュレーション、および設計のソリューションを優先する一方で、彼らの仕事はエンジニアリングや設計の文書で構成されることが多いです。設計情報の管理だけでなく、造船所は設計、材料、施工、人員も管理する必要があります。造船業においては、大量のデータを管理し、データの一貫性と正確性を確保し、チームワークを促進することができる中央集中型のデータ管理システムが不可欠です。

業界におけるシームレスなデータ転送の役割については多くの議論が存在し、最も頻繁に引用される取り組みにはISO15926、STEP、OCXフォーマットの使用、またはベンダー固有の形式間でのネイティブデータの変換などが含まれます（Sieranski＆Zerbst、2019）。建設および機械工業とは異なり、普遍的なデータフォーマットと交換プロトコルはまだ確立されていません。

これらすべての要因が、造船技術の要件を必要とし、データ管理の複雑さを増加させています。これらのデータを一般的なPDMソリューションにすべて格納するというアイデアは解決策のように聞こえるかもしれませんが、データのボリュームと相互接続性は懸念を引き起こします。透明なデータ構造モデルは状況を改善する可能性がありますが、そのようなモデルがどのようなものであるべきかについては合意がありません。頻繁に参照されるSFI分類は価値のある基盤を提供しますが、各造船所ごとに頻繁に修正されます。

理想的な状況は、大量のデータを管理し、船舶の異なるタイプやプロジェクトに適した普遍的なデータモデルを使用し、データの一貫性と正確性を確保し、広範なチームワークを促進する中央集中型のデータ管理システムが存在する状態です。データのセキュリティ、整合性、相互運用性は克服しなければならない困難な障壁です。最後に、ビッグデータ分析は、効率の向上、コストの削減、および造船における安全性の向上の機会を提供しますが、さまざまなソースから生成される大量のデータを管理することは大きな課題です。

5. プロセス管理

ITと統合アーキテクチャの課題に加えて、成功する造船プロジェクト管理には、協力プロセスを最適化する必要があります。プロジェクトの期間を短縮したいという願望や、リモートオフィスを持つサブコントラクタや関連会社の参加により、設計チーム、専門分野、段階、物理的な場所を超えた並行設計プロセスが一般的になっています。これには、頑強なデザインデータの制御と管理、およびプロセス管理ツールが必要です。

これらの領域を異なる視点から探求するいくつかの研究イニシアティブが存在しますが、しばしば単一のプロジェクトや単一の造船所の状況に焦点を当て、基本的な一般モデルの議論を省略しています。

造船生産にLeanの原則を適用することは、これらの障害に対処するための戦略の一つです。SongとZhou（2022）の研究では、廃棄物の排除とワークフローの最適化を優先するLeanベースの造船生産プロセスが提案されました。この研究では、Leanの原則を造船プロジェクトに適用することで効率が向上し、リードタイムが短縮されることがわかりました。

同様の戦略を使用して、AhnとKim（2022）は、メガブロックの生産とドックの設備使用のスケジュールを整列させる方法を提案しました。彼らは、生産スケジュールにLeanの原則を適用することで、生産性が大幅に向上し、プロジェクトのリードタイムが短縮されることを示しました。

また、頑健なデザインデータの制御が必要な海洋造船生産も検討されました。Seminiら（2022）は、海洋生産造船プロジェクトにおけるデザインデータの管理の難しさを検討しました。研究は、データ交換プロトコル、セキュリティ対策、および検証手続きから成るデザインデータの管理フレームワークを提案しました。

製造戦略に焦点を当てることは重要ですが、デザインプロセス、イノベーション、意思決定の側面もデジタルサポートが必要であり、考慮される必要があります。Garcia Agis（2020）は、船舶設計プロセスにデジタルツールを組み込んで創造性と意思決定を促進する方法について議論しました。これには、仮想現実、シミュレーション、デジタルプロトタイピングツールを使用して、協力と意思決定を強化することが含まれます。

最後に、全体の造船管理の文脈において造船所のビジネス管理を考慮することは重要です。Bruceは、2021年の書籍で、造船所の管理をビジネス戦略に合わせる重要性について説明しています。これには、造船プロジェクトをビジネス目標に統合し、明確なガバナンス構造を確立し、持続的改善の文化を育成することが含まれます。

6.ライフサイクルアプローチと切断された造船関係者

造船におけるライフサイクルアプローチは、船舶の初期設計から最終的な廃棄までの船舶のライフサイクル全体を統合的かつ体系的に管理する方法です。このアプローチにより、設計、建設、運用、保守、廃棄などの各段階が効果的に管理されます。

ライフサイクルアプローチは、製品のライフサイクルのすべての段階を管理する統合戦略である総合ライフサイクル管理に基づいています。造船においては、この戦略には船舶設計者、造船業者、船主、規制当局など、すべてのプロジェクト関係者の協力が必要であり、今日までにはある種の理論的なコンセプトのままです。

ライフサイクルアプローチは、船の設計段階から始まります。この段階では、船の設計者が機能的で後に詳細な船のモデルを作成します。このモデルは、さまざまな条件下で船の性能をシミュレートするために使用されます。環境と安全規制、船の意図される使用、運用要件も設計段階で考慮されます。建設段階では、設計に従って船が建造されます。この段階では、品質管理と安全対策が実施され、船が設計仕様に従って建造されることが保証されます。建設後、船は運用段階に入り、その目的に従って運用されます。この段階では、船の性能と保守が監視され、安全で効率的な運用が継続されることが確認されます。保守中には定期的な点検と修理が行われ、船が良好な状態で効果的に運用され続けることが保証されます。この段階では、使用価値を失った部品やシステムの交換も行われます。廃棄段階では、船の安全で環境に配慮した退役と廃棄が行われます。この段階では、有害な材料の除去やすべての廃棄物の適切な処理が行われます。

造船業において、ライフサイクルアプローチは、船舶のライフサイクル全体を包括的かつ体系的に管理するための方法です。このアプローチにより、船の初期設計から最終的な廃棄までの各段階が効果的に管理され、すべてのプロジェクト関係者の協力が調整されます。

ライフサイクル全体を通じて関係者が変わることは、この戦略の顕著な複雑性です。最初の段階では主に船の機能的な設計に焦点を当て、2番目の段階では船の詳細な設計と建造に焦点を当て、3番目の段階は造船所の運用とはまったく独立しています。この段階では、船主は船のデジタルアセットやデジタルツインを活用することで利益を得ることができますが、これはまれなケースです。

もう一つの阻害要因は、プロジェクトの比較的短いリードタイムです。これは自動車や航空宇宙など他の産業とは対照的であり、多様性の研究を広範に行うことを妨げます。自動車の試作品の設計に数年かかることがある一方、その後何百万台もの車が生産されるため、造船では注文に応じて1つの独特な船舶が建造され、最大でいくつかの改良された姉妹船プロジェクトが存在します。

これらすべての要因により、造船でのPLMの使用は論争の的となっています。ライフサイクル段階は暗黙的であるが、関係者の変化と造船所の低い利益率が概念を効果的に使用することを妨げています。

7. 船舶建造データの統合管理

統合された造船データ管理は、船舶のライフサイクル全体（または船の建造プロセス）にわたる船舶建造プロジェクトデータの効率的な収集、保存、処理、分析を指します。造船業はデジタル変革の重要性を認識しており、統合データ管理プラットフォームやシステムに関する研究は近年拡大しています。

Lee（2020）は、造船プロセスの管理のための統合情報システムの開発について議論しています。このシステムは、設計、エンジニアリング、製造プロセスを統合することで生産性を向上させるために作成されました。著者はまた、情報を効果的に各部門や関係者間で交換するための標準データ形式の重要性にも言及しています。

Zhangら（2021）は、船舶業界内でのデータ駆動型のインテリジェントな意思決定技術を検討しています。著者は、ビッグデータ、機械学習、その他のデータ分析技術を使用して、船舶建造の意思決定を改善する方法を分析しています。また、効果的な意思決定のためのデータ品質と統合の重要性にも言及しています。

Choiら（2021）は、造船統合データ管理プラットフォームの設計を提案しています。著者は、プラットフォームがリアルタイムで複数のソースからデータを収集、処理、保存、共有できるようにする必要があり、これにより意思決定と全体的な造船プロセスが改善されると主張しています。

Kimら（2022）は、デジタルツインを基にした統合された造船プロセス管理システムを提案しています。デジタルツインは物理システムの仮想モデルであり、データのリアルタイムモニタリングと分析が可能です。著者は、デジタルツインの概念を造船に取り入れることで効率が向上し、コストが削減され、最終製品の品質が向上すると主張しています。

結論として、船舶建造業は、船のライフサイクル全体にわたるデータの効率的な収集、処理、保存、データ分析を促進する統合データ管理プラットフォームやシステムから大きな利益を得ることができます。デジタルツインの概念、ビッグデータ分析、機械学習を統合することで、意思決定と全体的な効率が向上するでしょう。

8. 結論

提案された造船プロセスのレイヤーは、造船業者が競争上の優位性を得てデジタル変革の恩恵を受ける機会を示しています。本論文では、効果的な造船に不可欠な3つのレイヤー、つまり意図駆動型設計、データ管理、およびプロセス管理に焦点を当てました。さらに、意図駆動型設計は、船の部品の設計と製造の複雑さを管理するために重要です。船の設計、エンジニアリング、製造、保守データを同時に管理することは、データ管理に大いに依存しています。中央集中型のデータ管理システムは、データの一貫性と正確性を保証し、大量のデータを管理し、チームの協力を促進することができます。結論として、データとプロセスを管理する際に全体的な効率と効果を向上させるためには、総合的なアプローチが必要です。

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