1D CAE・MBDシンポジウム2022
2022年12月7日～9日 於: 川崎産業振興会館&オンライン
一般公演(4) 「海事デジタルエンジニアリング」

東大・海事デジタルエンジニアリング社会連携講座(MODE)設置とロードマップ
2022年12月8日

安藤英幸 (MTI)
村山英晶 (東京大学)
青山和浩(東京大学)
山中遼(日本郵船)

海事産業の抱える解決するべき課題

ゼロエミッション船の設計・建造*1

自動運航船の社会実装*2

設計・製造における生産力確保*3✓ 2050年国際海運からのGHG排出ゼロ実現のための2030年時点のゼロエミッション船の建造✓ 海運サービスの安全性向上と働き方改革のための自動運航船の社会実装✓ 設計・製造プロセスにおける圧倒的な生産力確保
解決策として，自動車産業他で導入が進むモデルベース開発(Model-Based Development: MBD)，モデルベースドシステム
ズエンジニアリング(Model Based Systems Engineering: MBSE)を活用した技術開発と人材育成が必要※ 2021年度の総合海洋政策本部参与会議「海洋産業の国際競争力強化に向けた共通基盤と人材育成検討」プロジェクトチームにおいて協議が進められ，「シミュレーション共通基盤」の構築の必要性，そのための拠点の大学への設置の提言が，2022年7月の「総合海洋政策本部参与会議意見書」に盛り込まれた．
引用)*1 NYK, NYK Super Eco Ship 2050
*2 日本財団, MEGURI 2040
*3 DNV, HIL(Hardware-in-the-Loop) Simulation test1

海洋・オフショア分野におけるMBDとSEの進展(2005頃～現在)
モデルベース開発(MBD)• 2005年頃よりオフショアリグ，作業船のDynamic Positioning
System(DPS)の認証に，シミュレーションテストの試験的な活用開始1)• 2009年頃までに，DPS，パワーマネージメントシステム(PMS)の認証にシミュレーションテスト利用が広がる3)→高度・複雑化するコンピュータ制御システムの第三者認証での活用

システムズエンジニアリング(SE)• 2012年頃にミッションクリティカルな機能にコンピューター制御システム利用する際の信頼性担保のための船級ガイドライン整備が進む．4, 5)• コンセプト・設計・開発・建造・コミッション・保守運用における関係者の役割・責任を明確にし，早期運用開始・稼働率向上に貢献
2)→オフショア分野のMBD，SEなど新たなエンジニアリング手法が，一般商船分野にも2010年代に流入．
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)

Tor A. Johansen, et.al., Hardware-in-the-loop Testing of DP systems, DYNAMIC POSITIONING CONFERENCE, Nov. 2005
Asgeir J. Sorensen, A survey of dynamic positioning control systems, Annual Reviews in Control 35(2011), p123-126
Tor A. Johansen and Asgeir J Sorensen, Experiences with HIL Simulator Testing of Power Management Systems, DYNAMIC POSITIONING CONFERENCE, Oct 2009DNVGL, Integrated software dependent systems, DNVGL-RP-D201, July 2017
ABS, INTEGRATED SOFTWARE QUALITY MANAGEMENT(ISQM), SEP 2012 (Updated Feb 2016)2海事業界におけるモデルベース開発技術の活用～DPS (Dynamic Positioning System)の開発・認証での利用• 再現性の高い船体運動シミュレーションを用いて，様々な外乱(風・波・潮)下で求められる精度でコントロールが行えるか，シミュレーション基盤上で接続してシミュレーションベーステストを実施．

DPS

シミュレーション基盤• Function Mockup Interface (FMI) に準拠したモジュール で構成されるシミュレター．
• 他のシミュレーションソフトで作ったモジュールをFMIを介して接続可能．
• 評価用のテストシナリオをスクリプトとして記述．自動テストにより効率的に試験対象の制御システムを評価できる．
* FMI https://fmi-standard.org/

引用) DNV-GL Marine Cybernetics Advisoryhttps://www.dnvgl.com/services/hil-testing-concept-explanation--83385

シミュレーション基盤ではシナリオマネージャーと標準インターフェースFMIを介したCo-Simulation機能が重要な役割担う

欧州・海事業界におけるMBDへの取り組み
NTNU AMOS Center for Autonomous Marine Operations andSystems – Center of Excellence(CoE), Norway (2013-2022)• PhD graduates … 112• Master graduates … 400 +• Budget (10 years) … 800+ MNOK4

欧州で相次いだ自動運航船プロジェクト(2012-2016)• 2012年-2015年に実施されたEU Project “MUNIN”をきっかけとして、Kongsberg, Wartsila, ABBと言った欧州の大手舶用メーカー(OEM)が2016年頃から相次いで、自律船の取り組みを表明。
YARA Project 1)

例）• YARA Project, 2021年の無人自律運航 (2016-2021)• ASKO Project, 2022年の無人遠隔操船 (2018-2022)• AUTOSHIP EU Project (2019–2022)• 欧州の自動運航船への取り組みの特徴
ASKO Project 2)
1) YARA Project,https://www.yara.com/knowledge-grows/gamechanger-for-the-environment/
2) ASKO Project,https://www.kongsberg.com/maritime/support/themes/autonomous-ship-project-key-factsabout-yara-birkeland/3) EU AUTOSHIP Project,https://trimis.ec.europa.eu/project/autonomousshipping-initiative-european-waters••••

大手メーカー(OEM)主導。
荷主と大手メーカー(OEM)の連携。船会社は不在。
政府による大型補助金。域内産業（特に舶用メーカー）の保護。
大手メーカー、船級による複雑なシステム（≒アジア勢との差別化）の導入。
大手システムインテグ
レーター主導の開発

日本のシステムインテ
グレーター不在議論に

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シミュレーションを活用した産学共同のモデルケース～ノルウェー・オーレスン•

ノルウェー, オーレスン, Norwegian Maritime Competence Center•

産業がリードする，産学官の結節点．最新機器の研究開発，人材トレーニングに，シミュレーション技術を活用．

•造船，舶用，オフショアの歴史あるオーレスン地区の産学連携によるイノベーションのハブ機能を担う．

•連携母体• 大学 NTNU Alesund校• 企業 Kongsberg (以前のRolls-Royce Marine社のHQ)• シミュレーションサービス Offshore Simulation Center

Kongsberg(当時Rolls-Royce Marine社) シミュレーション施設

Norway, Alesund, Nowegian Maritime
Competence Center (Kongsberg他)

Offshore Simulation Center (OSC)6国内海事分野でのMBD・MBSEの導入(2020-2022)
DFFASプロジェクトにおける無人操船システムの開発と実証(2020.2～2022.5)①往路 2022年2月26日～27日, ②復路 2022年2月28日～3月1日

フリートオペレーションセ
ンター千葉幕張①往路97.4%②復路99.7%
無人操船システムによる自律航行を達成

東京港

伊良湖水道

Telecommunications system(Telecommunications lines,information management &control)

無人運航船の実運用を模擬した実船実証

Onboard system(Autonomousfunctions)DFFAS

MEGURI 2040
往復790km① 2022年2月26日-27日② 2022年2月28日-3月1日

輻輳する既存航路における船舶側システム(自律機能)

通信システム(通信回線・情報管理制御)

浦賀水道

津松阪港

DFFAS システム全体構成

749GT型コンテナ専用船「すざく」に無人運航システ
ムを搭載したコンテナを設置し無人操船機能を実現

陸上側システム (陸上支援機能)
Land-based system(Land-based supportfunctions)

統合表示ブロック (船陸情報収集・監視・分析)(機関異常予知含機能)
Integrated display block(Gathers, monitors, analyzes
ship information)(Includes malfunction warningfunction)

非常対応ブロック(遠隔操船機能)
Emergency response block(Remote operation function)

日本財団 無人運航船プロジェクト MEGURI2040の一環として，国内30社のコンソーシアム，海外パートナーも含めた60社によるDFFAS (Designing the Future ofFull Autonomous Ship) Projectとして実施．日本郵船グループの日本海洋科学とMTIが全体取りまとめ．DFFASプロジェクトにおいて，自動操船システムのコンセプト設計にMBSE(Model-Based Systems Engineering)採用，システムの検証にシミュレーションテストを採用したMBDにより開発を効率化．

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© 2016.
2022. NYK Group. All rights reserved.

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DFFAS PJで導入したモデルベース開発プロセス

ConOps development
Background and Objectives
Requirement

Use Case

Verification
Component
Constraints
Supports

StatesModes

Concept
DesignInterfaces
Function
Organization
Stakeholders

Concerns andRisks

Basic
DesignEnvironment

Requirement

Whole system
Tests
SubsystemTests

DetailedDesign

SystemSTPA

Unit Tests

Function

Component

Requirement

STPAFMEA

Systems development
process

SystemComponent* STPA (Systems Theoretic Process Analysis)* FMEA (Failure Mode and Effects Analysis)

SystemFunction

Implementation
Manufacturing

シミュレーション基盤による試験

Engineering/Construction
PhaseRef) Nakashima et.al, “Model-Based Design and Safety Assessment for Crewless Autonomous Vessel”, MTEC-ICMASS2022, 2022

ConOps，リスクアセス，シミュレーションによる検証がモデルベース開発の主要な要素．プロジェクトに必要なVプロセスを定め，メンバーと共有し，プロジェクト管理を行う．
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DFFASシステム開発におけるシミュレーションベーステストの活用• DFFAS自動操船システムの開発にあたってMBD手法であるシミュレーションテストを活用• MIL (Model in the Loop)• HIL (Hardware in the Loop)• 複雑な統合システムの動作，風・波など様々な条件下でのシステムの振る舞いを，陸上で事前検証し，PJ全体の生産性を大幅に向上．

シミュレーションテスト基盤
CyberSea (ノルウェー・DNV)

引用) DNV, https://www.dnv.com/services/hil-testing-concept-explanation--83385
千葉・幕張に設置したFOCにおける統合テスト(2021年6月～8月)

10低炭素・脱炭素実現において船舶推進機関の高度化・複雑化は必須
低炭素・脱炭素船における推進機関の構成要素• 代替燃料（LNG，アンモニア，メタノール，水素）• 発電機，燃料電池，バッテリー• PTI/PTO• 電源系統• パワーマネージメントシステム• 推進器（エンジン，モーター）• プロペラ (CPP, FPP)
• 廃熱回収• エネルギ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

船舶の抵抗，推進性能，エンジン，機関プラント，廃熱回収，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，最適設計や統合制御システムの開発を行うことが一層必要になる．
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船舶で進む脱炭素に向けた代替燃料への移行• LNG燃料船 の燃料供給システム(fuel supply system)のシミュレーションモデル
• 実運航データによるシミュレーションモデルの再現性向上• 船員トレーニング，設計，制御システムの開発・コミッショニング，運用時の異常検知などへの応用が期待される．

LNG燃料ガス供給システムのシミュレーションモデル
燃料供給系統のプロセスシミュレーションにより，現場を熟知するユーザーの知見と運航データを設計フェーズで活用→シミュレーションモデルと運用データの活用で，設計，開発，保守・運用の競争力を向上する

12海事業界として共有するべきVプロセスの構築• 脱炭素や自動運航など，新しいコンセプトを採用する船舶の設計へのモデルベース開発(MBD)，モデルベースドシステムズエンジニアリング(MBSE)の活用により，一番船からユーザーや建造工程の意見を十分に取り入れた設計，最適化が可能になる．
• ミッションクリティカルな制御システムの機能開発・検証に，シミュレーション共通基盤を活用したテスト(MIL/SIL/HIL)を活用することで，システム信頼性向上，コミッショニングなど建造工程の工数削減に繋がる．
→ 海事産業におけるモデルベース開発(MBD)，モデルベースシステムズエンジニアリング(MBSE)の研究を行い，日本の海事産業として共有するべきVプロセスを構築し，MBD・MBSEを活用した技術開発と人材育成に取り組む．

ステークホルダのコンセプト設計への参加（Digital ワイガヤ）

Model in the loop(MIL) テストでの検証

安全性・信頼性に関わる事象をリス
ク評価・シミュレーションで特定し解決

Soft/Hardware in the loop
(SIL/HIL) テストでの検証

シミュレーション，データを活用した機能開発
コンセプト 基本設計 詳細設計

データ・シミュレーションを活用した高度システムの保守・運用

全体統合システムのコミッショニ
ング，海上試験の工数削減

高度船舶システムの船級承認

開発・建造

コミッショニング 試運転 承認

運用・保守

13我が国海事産業において高度なシステムインテグレーションを進める産業政策上の課題• 日本の海事産業が，脱炭素，自動運航船と言った高度なシステムに取り組む上で，システムインテグレーションが不可欠な一方で，システムインテグレーションは，シミュレーション基盤の活用が不可欠．
• 一方で，各社がシミュレーション基盤を単独で構築することは難しく，システムインテグレーションに関わる民間各社が共同し，大学と連携してシミュレーション基盤を整備し，技術開発，人材育成に取り組む必要がある．

海運

造船

Tier 1
舶用
機器

エンジニアリング
サービス
提供者

大学・研究所
方法論，ツール，プロトタイプ

競争領域

関連パートナー

協調領域

他の関連PJ，標準化団体，コンピタンス・センター

14「海事デジタルエンジニアリング」 社会連携講座
1. 名称：「海事デジタルエンジニアリング講座」(英語名称：Maritime and Ocean Digital Engineering Laboratory (MODE) )2. 設置機関・講座種別：東京大学大学院新領域創成科学研究科社会連携講座

3. 設置期間：2022年10月1日～2027年9月30日まで(5年間)
4. 代表教員：村山英晶(東京大学大学院新領域創成科学研究科海洋技術環境学専攻教授)
5. 活動内容：海事産業におけるモデルベース開発手法およびシミュレーション共通基盤，脱炭素・自動運航船に関する技術及び国際ルールについての研究，国際連携，人材育成

6. 研究内容：
1. 海事産業におけるモデルベース設計手法の研究
2. 海事産業におけるモベルベース開発手法の研究
3. 脱炭素船や自動運航船に関する具体的な技術課題の実施
4. シミュレーションプラットフォームの研究
5. V&Vプロセスの研究
6. 国際ルール(制度，法律，基準)の研究
7. 海事産業として共有するべきV&Vプロセスの研究
8. モデルベース設計・開発に関する人材育成
7. 参加企業：株式会社MTI(日本郵船グループ)，ジャパン マリンユナイテッド株式会社，三菱造船株式会社(三菱重工グループ)，古野電気株式会社，日本無線株式会社，BEMAC株式会社，一般財団法人日本海事協会(および子会社 NAPA Ltd)の7者
15海事デジタルエンジニアリング設置記念シンポジウム(2022年10月4日開催)• 日時：2022年10月4日 13:00～17:00• 場所：東京大学

本郷キャンパス伊藤謝恩ホール• 参加者：約500名• https://mode.k.u-tokyo.ac.jp/event/

出典：NAPAホームページ

出典：海運経済新聞社

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Mission実現の5本の柱
基盤研究

個別研究

1

MBD/MBSE手法・シミュレーション共通基盤の開発2脱炭素船/自動運航船の開発，社会実装

3

設計・建造プロセスの生産性向上

4 海洋利活用や物流効率化の促進
教育・活動

5

デジタルエンジニアリング人材育成 & ネットワーキング17

2022.10

2023

2024

2025

2026

Goals of2027【基盤研究】 MBD/MBSE手法・シミュレーション共通基盤の開発• MBD・MBSEの手法論の研究：モデルベース設計，検証• フラッグシップ開発を通じたMBD・MBSEの実践• シミュレーション共通基盤開発；モデルライブラリの拡充，プラットフォームの活用・錬成，最適なツールの模索

脱炭素船・自動運航船用ライブラリ群の構築
船舶のMBD/MBSEに関する規格策定【個別研究】脱炭素船・自動運航船の開発＆社会実装• 脱炭素船の設計；風力推進，ハイブリッド制御など• 自動運航船の設計；センサ，自律操船制御，陸上支援システムなど• 脱炭素船・自律船のシミュレーションベース承認，制度・産業のデザイン
個別基盤
活動

脱炭素船・高度自動運航船の開発実現
船・機器のシミュレーションベース認証の拡張【個別研究】設計・建造プロセスの生産性向上• 造船フロントローディングの推進• シミュレーション活用によるコミッショニング業務の合理化 ・工場シミュレーター構築

シミュレーションによる建造工程最適化（生産計画改善の実証）【個別研究】海洋利活用や物流効率化の促進• 海洋構造物の設計・評価・認証シミュレーターの構築• サプライチェーン管理・街づくりへの応用

海洋分野におけるシミュレーター開発の実現
シミュレーションによる物流の最適化

デジタルエンジニアリング人材育成＆ネットワーキング• デジタルエンジニアリング教育（MBD/MBSE講義・モノづくりプロジェクト）• 海外連携（海外大学との交流・交換留学，海外研究機関等との協働）• 産学連携（勉強会，現場見学，Job型インターンシップ，リカレント教育）• 産業間連携（自動車，航空宇宙，情報通信産業等との協業）• 情報共有（シンポジウム・セミナーの主催，国内外イベントへの出展）

教員5名・研究員20名の体制
博士（社会人含む）5～10名/年輩出
海事DE教育プログラムの確立・展開
価値創出メカニズム実現（ベンチャー輩出）

まとめ• 海事業界におけるMBD，Systems Engineeringの活用は，海外のオフショア分野で2005年以降進展した．
• 日本国内への本格的な導入は，2020年から約2年間に実施された自動運航船DFFASプロジェクトが最初の事例となった．
• 複雑なコンピュータ制御システムの開発におけるMBDやMBSEの重要性を学び，今後の脱炭素，自動運航船の社会実装に不可欠な手法と認識し，更なる技術の習得，それに基づく技術開発，人材育成を進めるため，東京大学に「海事デジタルエンジニアリング」社会連携講座を，海事業界7者と東京大学の共同で，本年10月1日に設置した．
• 設置シンポジウムで対外発表したロードマップに沿って今後の活動を進めていく．

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