安全・脱炭素への取り組みとシミュレーション技術～ユーザーとメーカーの連携による高度システム開発を目指して～

MTIシミュレーションチーム

角田領

安全運航、脱炭素化の追求とシステムの高度化• 安全運航、脱炭素化の実現に向けて船の高度化・複雑化が進む

LNG DF Battery Hybrid PCTC

MEGURI2040 無人運航船

Super Ecoship 2050

• 従来の船の設計・開発方法では対応できない• 複数のメーカーのシステムを統合する必要がある• 設計、実船搭載前に様々な評価、検証が求められる• 従来の船級規則、リスク評価手法では十分では無い• では、どのように対応するか？
• 自動車業界の「バーチャル・エンジニアリング」を取り入れる

バーチャル・エンジニアリングとは• 自動車業界におけるバーチャル・エンジニアリング• 試作車を作ることなく製品仕様を決定するために、モデルやシミュレーションを活用して開発を進めていくこと• バーチャル・エンジニアリングの利点• 目的や制約、想定される活用シーンやユースケース(CONOPS)を踏まえ、ゴールベースの自由度の高い設計が可能になる• 実機を構築・運用する前に、シミュレータ上でトータルの性能や安全性を担保できる• 運用開始後も、実機や環境のデータを最大限活用することで、運用環境の変化にも柔軟に対応できる• 自動車業界では「製品品質」だけではなく「プロセス品質」が求められ、その担保のためモデルやシミュレーションの活用が必要条件になりつつある（ISO26262, ISO21448等）

引用 https://www.yomiuri.co.jp/local/chubu/feature/CO037451/20211013-OYTAT50037/

国内自動車業界では、MBD推進センターが2021年7月に活動開始。国内10社が連携して自動車開発の効率化を推進。バーチャルでのすり合わせ「SURIAWASE 2.0」の実現を目指す。
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3海事産業の動向①• Open Simulation Platform JIP• 2018年6月に開始した2年間のJoint Industry Project• MBD(Model-Based Design)の海事分野での普及と活用が狙い• 開発したシミュレーションプラットフォームは、オープンソースプログ
ラムとして公開された• FMU(Functional Mockup Unit)という形式であればこのプラットフォームに接続可能• 自動車業界でも利用されている標準形式

https://opensimulationplatform.com/

FMU

FMU

FMU

FMU

FMU

FMU

FMU

海事産業の動向②• Simulation Trust Center• クラウド上で企業間でFMUモデルを共有する仕組み• Open Simulation Platformをベースとした仕組み• FMUの接続、シミュレーション実行が可能• 2022年1月より商用利用開始

https://store.veracity.com/simulation-trust-center

欧州では海事産業でもバーチャル・エンジニアリング普及に向けた取り組みが進行中

DFFAS PJの振り返り• モデルベースドアプローチの採用• 全ての関係者が共通のデザインモデルにアクセス、更新を行う• 全ての関係者が最新のモデルを使用して、システムを開発• CONOPS(Concept of Operations)の定義• ユーザが上位レベルの要件定義を行う• シミュレーションの活用• システム統合試験、単体試験• HILS(Hardware in the loop simulation)• バーチャル・エンジニアリングの実践

DFFASに適用した統合シミュレーション技術
シミュレータ概要

シナリオマネージャ

他船の位置、方位など

信号変換

他船

船モデル
環境条件

Sensor
風向風速計

DFFAS

風、波、潮流
地図情報

Motion

シナリオ設定• 風、波、潮流• 他船の動き• センサエラーの模擬システム

Sensorジャイロコンパス/GPS
Motion

船体モデル
Motion

自船の情報

舵力
スラスト

推進、操舵システム（プロペラ、舵)

回転数、舵角• 統合シミュレーション技術の２つのKey Points• 1. 船を様々なサブシステムから構成されるシステムとしてモデル化できる• 船体モデル、プロペラ、舵、航海計器(センサ等)• 2. 気象条件を含めて様々な試験シナリオを設定、記述できる• 風、波、潮流、他船、センサエラー

船モデルの作成• シミュレータ上での対象船のモデル作成方法• 必要なサブシステム、要素をモデル化しFMUとして出力• FMUの入出力を正しく接続し、１つのシステムとして動くようにする• 実験等によってモデルのFidelityを高める

FMUの追加FMUモデル一覧

FMUの接続Fidelityの向上

1D simulation
ツールでのモデル開発とFMU作成

試験シナリオ設定• 試験で利用するシナリオをスクリプトとして記述• 効率的に試験を実施できる• シナリオの自動実行も可能

Imazu H (1987) Research on collision avoidance manoeuvre.
Ph.D. thesis, The University of Tokyo (In Japanese)統合シミュレーションの有用性
シミュレータDFFASシステム
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制御

各社（古野電気、BEMAC、東京計器、ナブテスコ、日本海洋科学）のシステムを設置・接続制御性能の確認

課題の抽出(すり合わせ)• 自律航行システムの実機とシミュレータを統合・接続し、対象船を制御• 実船搭載前にバーチャル試運転を繰り返し実施• システム開発の効率化、信頼性の向上に非常に有用

脱炭素化に向けて-高度化・複雑化する船舶システムとシミュレーション

ハイブリッド船• 燃料（A重油、LNG、アンモニア）• 発電機、燃料電池、バッテリー• 推進器（エンジン、モーター）• PTI/PTO• 電源系統• プロペラ (CPP, FPP)
• パワーマネージメントシステム
引用) Simulation X, Ship Energy System
https://doc.simulationx.com/4.2/1033/Content/Modules/Module291.htm

今後は船舶の抵抗、推進性能、エンジン、機関プラント、燃料供給システム、電力マネージメントと言った、複数の物理シミュレーションを統合して最適設計や制御システムの開発を行うことが求められる

11具体的な取り組み
新造船コンセプト評価へのシミュレーションの活用• シミュレーションを活用し、GHG削減に向けた新造船コンセプトや新技術の適用を検討する• ユーザーとメーカーが連携し、船舶を構成する様々な要素(モデル)を組み合わせて、高度システムを含む新しいコンセプト船をモデル化• 企業間でのFMUを共有し、シミュレーションプラットフォーム上で評価
多様なGHG削減、脱炭素化オプション

最適化ターゲット
GHG排出量最小化
制約条件
運航スケジュール
運航シナリオ

パラメータ
主機サイズ
補機サイズ
and etc.

+

コンセプト評価事例

自動車船へのCPPの適用• EEDI規制による主機サイズの低下により、風浪に弱い自動車船では従来よりも荒天中の航行に制限がかかる懸念がある• 荒天回避による距離増、運航スケジュール維持への懸念• 可変ピッチプロペラ(CPP)を適用することによって、荒天時の翼角調整によりトルクリミットを回避し、船速を維持できる• 運航の幅が広がる• 既存の自動車船の船体、プロペラ、舵等のFMUモデルを作成、Open
Simulation Platform上で統合し、荒天中のシミュレーションを実施

固定ピッチプロペラ(FPP) 可変ピッチプロペラ(CPP)

自動車船モデルの要素と関係

コンセプト評価事例

自動車船へのCPPの適用• 平穏海象下で18knotで航行中に、BF7正面向い風に遭遇• FPPではトルクリミットに達するため回転数を下げる必要あり• CPPでは回転数を落とさず、翼角を2.5度変えることで対応可能

CPPの方が荒天中にFPPよりも1knot以上速い船速を維持できることが分かった
実船搭載なしで効果を見積もれる=> CPPメーカーとの連携によりCPPモデルのFidelityを高める

GHG削減技術検討事例
バッテリーハイブリッド船のシミュレーション• バッテリーハイブリッドシステム搭載によるGHG削減• バッテリーシステム、軸発電機、DC-link• 主機負荷の変動をシステムが吸収• NYK/MTIで作成した船体、プロペラのFMUとWINGDの機関プラント、バッテリーシステムのFMUの統合シミュレーションを実施• バッテリーハイブリッドシステムの導入によるGHG削減効果の評価、最適バッテリーサイズの検討、効果の最大化に取り組む

バッテリーハイブリッドシステムと推進システムの統合シミュレーション

風、波負荷変動
実海域性能
・波浪中抵抗増加
・風圧抵抗
・斜航抵抗
・舵抵抗

パワーマネジメント
・荒天時の軸発負荷の低減
・主機燃費率向上

https://www.wingd.com/en/documents/general/brochures/wingd-low-speed-engines-booklet-2021/© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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GHG削減技術検討事例
風力推進装置の効果予測シミュレーション• オランダの海事研究機関MARINが主催するJoint Industry ProjectであるWiSP2(Wind assisted Ship Propulsion)に参加• 2021年8月から2年間のJIP• 最新の風力推進装置とその効果予測技術について知見を獲得する• 装置の種類、制御方法、航路、オペレーションによって効果が異なる• 風力推進装置の効果予測シミュレーションを実施できるようにする• NYK運航船のモデルと風力推進装置モデルの統合シミュレーション• 実態に即したオペレーションシナリオでの評価

https://www.marin.nl/en/jips/wisp-2

まとめ• さらなる安全運航、脱炭素化を目指すために、高度で複雑なシステムを導入していくことが求められる• 自律運航システム• 新燃料プラント、バッテリーハイブリッドシステムなど• 今後、海事産業においてもプロセス品質が求められるようになり、モデルやシミュレーションの活用が必須となるのではないか• ユーザーとメーカーが連携し、開発の段階からプラットフォーム上での統合シミュレーションを行うことで、多様な関係者の視点を早期に取り入れることが可能となる• より信頼性の高いシステムが、効率的に開発できる• 新しいワイガヤ、創造を生む手段となる• シミュレーションを中心としたユーザーとメーカーのコラボレーションが安全運航、脱炭素化の早期実現に向けたカギご清聴どうもありがとうございました。

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