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デジタルツインとは?シミュレーションとの違い、製造業での活用事例などをご紹介

記事公開日:2023/08/30
最終更新日:2023/10/26
デジタルツインとは?シミュレーションとの違い、製造業での活用事例などをご紹介


製造業DXや生産性の向上における重要なキーワードの1つが「デジタルツイン」です。 「デジタルの双子」を意味するデジタルツインとは、現実空間にあるモノや環境などのデータを取得し、デジタル空間上にその3Dモデルを再現する技術で、現実空間でおこりうる将来的な予測に役立てられています

デジタルツインには、トラブルを未然防げたり、コストを削減できたりと様々なメリットがあります。生産性の向上や、DXが急がれる製造業界において今まさに注目が集まっているテクノロジーの1つです。


そこで本記事ではデジタルツインとはなにか、製造業においてデジタルツインを活用するメリットや、活用事例をご紹介します。また、弊社はBtoB製造業を中心としたマーケティング・営業支援会社でもありますので、デジタルツインと営業のデジタル化の共通点についても最後に触れました。ご興味がある方はぜひご一読ください。

 

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・デジタルツインとシミュレーションの違いを知りたい
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デジタルツインとは?

デジタルツイン(Digital Twin)とは、現実空間のモノや環境から取得したデータを、デジタル空間に再現するテクノロジーのことです現実空間を、デジタル上の仮想空間に、鏡写しのようにそっくり作り出すことから「ツイン=双子」と表現されます。グローバルインフォメーションが公開しているレポート(出典:市場調査レポート: デジタルツイン市場 )によると、デジタルツインの市場規模は、2022年の69億米ドルから2027年には735億米ドルに成長することが見込まれています。

デジタルツインを実現するには、現実空間とデジタル空間、これらの情報を連携する仕組みが必要です。IoTやAI、5G、AR・VRなどといった、最新のデジタル技術を使って、物理空間における膨大な量のデータをデジタル空間に反映させます。

AIがデジタル空間で行った分析・検証を、リアルタイムで現実世界にフィードバックすることで、未来の変化までを予測できるのがデジタルツインの特徴であり目的です。実際に使われている製品・稼働している設備や生産ラインなどの動的なデータを、リアルタイムで再現しながら予測を行うため、問題に対して即時にアプローチできます。

デジタルツインの歴史

デジタルツインの前進とされる概念は1960年代のNASAで活用されており、当時は「ペアリング・テクノロジー」と呼ばれていました。実際にはじめて活用されたのは1970年、アポロ13号の月面着陸ミッションにおいて水素タンク爆発事故が発生したときです。事故のデータをもとに、地上に設置されたアポロ13号のレプリカでシミュレーションを行い、地球への帰還方法を正確に指揮したというものです。

デジタルツインという言葉がはじめて使われたのは、1991年に米イェール大学デビッド・ゲレルンター氏が出版した著書「Mirror Worlds」 だといわれています。またデジタルツインの概念を提唱したのは、2002年当時ミシガン大学に在籍していた、現フロリダ工科大学教授マイケル・グリーブス氏。同氏がデジタルツインの基本原則や製造業への応用について述べたことで、この概念は製造技術者協会などを中心に学術的に広まりました。

2010年発行のNASAロードマップレポートで、主任技術者であるジョン・ビッカース氏がこの概念をデジタルツインと命名。さらに時を経た2017年、ガートナー社が「デジタルツインは戦略的テクノロジートレンドのひとつである」と位置付けたことで、現在多くの企業で活用されるようになりました。

デジタルツインが注目される背景

デジタルツインが広まり注目されている背景には、IoTや5G、AI、AR・VRをはじめとするデジタル技術の革新的な進歩があります製造業などにおける従来のシミュレーションは、実際にレプリカを作成する方法で行われるのが一般的でした。ただ近年、デジタル技術の進歩により再現技術が劇的に向上したことで、デジタル上でこれらのレプリカを再現しシミュレーションできる「デジタルツイン」が、ますます注目を集めるようになりました。

IoTを活用すれば、これまでは取得できなかった膨大な量のデータを、高い精度で取得できます。収集したビッグデータは、5GやLPWAなどの通信技術を使って、リアルタイムでサーバーに共有可能。これをAIが高い解像度で分析し、AR・VRを使ってまるでそこにあるかのようにモニタリングできるようになりました。従来のシミュレーションよりもさらにリアルに物理空間を再現し、リアルタイムで監視することで将来的なリスクを先回りして回避できるこの技術に、多くの期待が集まっています。

DX(デジタルトランスフォーメーション)におけるデジタルツインの重要性

デジタル技術が急激に進歩する中、あらゆる業界や企業がDXに取り組んでいます。電通デジタル発表の調査によると、2021年にDXに着手している企業は81%、そのうちDX完了済みと回答したのは11%にのぼり、この数は年々増加傾向にあります。

出展

>日本における企業のデジタルトランスフォーメーション調査(2021年度)

ただDXを推進する上ではデータ収集に留まっている企業も多く、データを有効活用できているのは一部の企業・業界に限られているのも現状です。IoTなどで独自にデータを取得しているものの扱いきれていない、というケースは非常に多くあります。

このような理由で放置されているデータや、個別の目的において収集されたばらつきのあるデータでも、デジタルツイン上に集めることで設計からサービスまでを一つなぎに利活用できるでしょう。DX化を推進・完了させていく上では、大量データの活用における新たなフェーズとして、デジタルツインの考え方がますます重要視されています。

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デジタルツインとシミュレーションの違い

シミュレーションとは、実物と同じまたは近い条件の環境や設備・製品などによって実証試験を行うことで、デジタルツインもシミュレーションの一種といえるでしょう。

デジタルツインとシミュレーションの違いはいくつかあり、大きな違いはその再現方法です。デジタルツインは、デジタル空間に現実の要素を再現しますが、シミュレーションでは模型・レプリカなどデジタル手法に限りません

またデジタルツインは、現実から得たデータをデジタルに反映⇄デジタル上でAIが分析して現実へフィードバック、といった双方向性をもつ技術です。インターネットを活用して常に現実とデジタルがリアルタイムで連動するリアルタイム性も、従来のシミレーションにはなかった特徴のひとつです。

シミュレーションが現実のレプリカであるのに対し、デジタルツインは現実そのものがモデルとなっているため、より多くの視点から問題を監視・分析し、実際の設備や製品の改善により役立てやすいといえます。

  デジタルツイン シミュレーション
再現方法 デジタル空間 デジタル空間とは限らない(例:模型・レプリカ)
双方向性 双方向性がある 双方向性はない(連動していない)
リアルタイム性 IoT機器などをつかってリアルタイムで情報を取得するため、現実世界の変化とリアルタイムで連動する リアルタイムで反映されない
モデル構築方法 現実そのものをモデルとしている 現実のレプリカとして製作される

デジタルツインのメリット

デジタルツインは製造業だけでなく、建設業・輸送業・小売業や医療現場など幅広い業界で活用されはじめており、近年は社会問題解決の糸口としても注目されています。ここではデジタルツインを活用するメリット5つについて解説します。

レプリカ製作時間・コストの削減

デジタルツインを活用することで、レプリカ(複製品)の製作期間やこれにかかるコストを削減できます。製造業や建設業などにおいては、企画設計やデータ管理にデジタルツインを導入することで、実体のあるプロトタイプを作らなくても実証試験ができ、試作段階でモノづくりにかかっていた時間やコストを大幅に短縮できるでしょう。

たとえば製品や製造ラインの一部を変更する際、デジタルツイン上で事前テストをすることで、開発期間やコストを削減できます。再設計や再試験もデジタル上で実施できるため、開発のリードタイムを短縮でき、業務効率化にもつながります。

品質・安全性の向上

デジタルツインは、デジタル空間で完結する仕組みのため、製品や製造ラインを試作する場合も費用がかかりません。これまでスケジュールやコストの関係で難しかった実証試験を何度でも惜しみなく行えるようになり、また並行して複数のシミュレーションを実施できることからも、製品・設備の品質向上に大きく貢献すると考えられます。

また現場での事故や怪我につながりかねない危険なシミュレーションも、デジタルツインであればデジタル空間で行えるため、製造工程における安全性の向上も期待できます。産業においてリスクを低減しながらよりよい品質を追求できるメリットは大きいでしょう。

トラブルを監視・未然に防ぐ

デジタルツインは、設備や製品の将来的におこりうる故障についても予測でき、高い安全性の担保に役立っています。

たとえば製品・設備などでトラブルが発生した場合、内臓または設置されたセンサーによって現状データを取得し、デジタルツインに即時に反映します。AIは蓄積された膨大な情報から、将来的なトラブルの予測も含めて現状を分析し、すばやく判断を下します。またこのようなデータが蓄積されれば、トラブルを未然に防ぐアラート通知も可能に。故障の予兆に気づかずに見過ごしてしまうといったリスクも最小限に抑えられるようになるでしょう。

遠隔でも高い精度で正しい状況判断ができるため、車両や航空機のエンジンの損傷予測などに用いられ、予知保全はもちろん、メンテナンスコストの適正化にも寄与しています。

物理的条件のブレイクスルー

デジタルツインは、スペースや距離といった物理的制限を超えた活用可能性を秘めています。たとえば熟練のスキルをもつベテラン人員の技術やノウハウを、遠隔の指導員として複数の現場に共有できたり、このスキルをデータとして蓄積し活用できたりと、物理的な障壁を超えて業務改善に役立てられるようになります。

また新しい製品を開発する上で、物理的に必要となる人員やスペースを、デジタル空間で完結できるのもデジタルツインの大きなメリットです。開発中に失敗して廃棄になるといったロスも減らすことができ、さまざまな点において実証実験へのハードルが下がるため、物理的な制限から解放されるでしょう。

社会課題解決のカギ

デジタルツインは個々の企業・業界の課題はもちろん、SDGsに掲げられるような世界規模の社会課題を解決する可能性をはらんでいることから、実用化への期待が高まっています。以下は社会的課題に対するデジタルツイン活用の一例です。

  • CO2削減:エネルギー機器の開発期間を縮めるための技術開発
  • 自然災害:実際の都市における災害をリアルに再現して避難訓練を行い、被害を最小限におさえる計画
  • 少子高齢化:労働現場におけるデータを可視化し、だれもがある一定以上の水準で業務遂行できるよう人員を最適化
  • 食糧問題:デジタル上に農場のシミュレーションモデルを構築、土壌の状態をリアルタイムに把握することで、農作物の収量をコントロール

デジタルツインに活用されるおもなテクノロジー

デジタルツインにおいて活用される主要な5つのテクノロジーについてご紹介します。

IoT(モノのデータを収集)

IoT(Internet of Things=モノのインターネット)は、現実空間のデータを収集するのに必要な技術で、デジタルツインの実現には欠かせません。IoTによって現実空間の膨大な量のデータを正確に取得することで、より高い精度でデジタル空間に再現できます。

IoTは近年注目を集めるデジタル技術のひとつで、現実空間に存在するありとあらゆるモノのデータが取得できるようになってきました。IoTには種類があり、カメラやセンサーを設置したり、ドローンや衛生データによって監視したりと、さまざまな方法でモノの情報を取得します。取得できる情報はたとえば、環境(温度・騒音など)、モノの動きや位置、ドアの開閉、植物の水やりなど。これらの情報情報をインターネット経由で取得できるため、離れた位置からでもモノの状態を正確に把握できます。

5G(高速通信によるリアルタイム性)

5G(5th Generation=第5世代移動通信システム)は次世代の高速通信システムで、日本国内では2020年から提供が開始されています。従来の通信よりも高速であることはもちろん、低遅延・多接続を強みに掲げており、大容量データを扱うデジタルツインを実現するには欠かせない要素といえるでしょう。

デジタルツインを実現する上では、IoTの取得頻度や解像度、またセンサーの数によって、全体で必要な通信データ総量は増えていきます。5Gは、現実空間とデジタル空間のデータを、相互に高速通信することで成立するデジタルツインの実現を支える重要な要素です。

AI(データの高精度分析)

収集した複雑なデータを正確に解析して、未来的な予測につなげるのは、AI(Artificial Intelligence=人工知能)の仕事です。バラつきのある大量のデータも、AIにいくつかのパターンを把握させて学習させることで高精度な分析ができるようになり、製造業などではプロセス管理を効率化することにも役立っています。

古くから注目されてきたAIですが、近年の進化はとくにめざましく、AIのできることの幅は格段に広がってきました。とくに深層学習(ディープラーニング)技術などの躍進によって、膨大なデータの中から適切な情報を判別できるようになり、さらにリアルで複雑な再現・シミュレーションが可能になっています。

AR・VR(3Dモデルを可視化)

デジタルツインにおいて、膨大なデジタル情報を、視覚的にわかりやすく表示するために使われる技術としてAR・VRがあります。

AR(Augmented Reality=拡張現実)は現実に対してデジタル情報を重ねて表示できる技術、VR(Virtual Reality=仮想現実)は仮想空間をまるで本物のように体験できる技術です。実空間を拡張できるARを活用することで、将来的におこりうるリアルなシミュレーションを再現し、さらにVRによってこのデジタル空間に入り込み本物さながらに体験できるようになります。デジタルツインにおいては作業支援などの用途で取り入れられることが多いです。

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CAE(シミュレーション実行)

CAE(Computer Aided Engineering=工学解析・支援システム)は、製品設計・開発の際にシミュレーションを行う技術です。デジタルツインにおいては、デジタル上に再現した3Dモデルで、試作や実証実験などのシミュレーションを行う際に使われます。

実物のレプリカを用意せずともシミュレーションを行えるのは、CAEの技術があってこそ。CAE自体は以前から使われている技術ですが、IoT技術の躍進によってより複雑なデータをリアルタイムで扱えるようになったことで、CAEの活用に再び注目が集まっています。

デジタルツインの事例

シンガポールは、世界で初めて国をまるごとデジタル化するプロジェクト「バーチャル・シンガポール」を完了させました。デジタル空間に「今都市で起こっていること」を3Dモデルとして再現し、インフラ整備から犯罪、資源管理や沿岸保護計画までリアルタイムで把握・管理することに成功しています。その一例としては、近年叫ばれる再生可能エネルギーを目的とした太陽光発電ロードマップの作成にも活用されており、よりよい都市づくりのために現在進行形でデジタルツイン活用を拡大している事例です。

アメリカに本社を置くGE社は、デジタルツインを使って航空機のエンジンブレードをモデリングしていることで有名です。とくに航空機は維持コストも高額になるため、エンジンやパーツをデジタルツインで再現することで、経年による損傷・劣化などを把握し、メンテナンス頻度の最適化を図っています。また同社は鉄道などで使う製品にもデジタルツインを組み込むことで、顧客のコスト削減にも取り組んでいます。

2018年6月開催の世界初デジタルワールドカップ「2018 FIFAワールドカップロシア大会」では、デジタルツインの技術が活用されています。本大会で使われたのは、光学トラッキングによりリアルタイムで選手の動きをデータ化して記録し、デジタル空間で再現することでより詳細な分析を可能にしたもの。データ分析結果は、選手の采配や試合の展開予測に活用され、今後スポーツ界がますますデジタル化していく予感を感じさせました。

デジタルツインと営業のデジタル化

デジタルツインは生産工程に置けるデジタル化技術ですが、昨今同じように注目を集めている営業のデジタル化にも通ずるところがあります。例えばSFAやMAなどを使うことで、これまでの営業担当がアナログ(もしくはExcel等で)管理していた営業データをデジタル化し、日々の活動を可視化することが可能です。それにより、売れている営業マンの特徴を掴んだり、その行動内容で今月の目標に届くのかなどを事前に予測することができ、未達を事前に防ぐことができます。

デジタルツインはリアルタイムでのフィードバックが特徴なので、デジタル営業はどちらかというとシミュレーションに近しいものにはなりますが、売上予測を立てたり納品物の不足を事前に察知することができるメリットは共通しています。また、SFAやMAのデータを元にリアルにフィードバックし、リアルの活動データを取り込んで蓄積していく双方向性も似ています

これまでのアナログの営業では無しえなかったフィードバックのサイクルが、デジタル化によって実現できるようになります。全く別の分野にも見える営業のデジタル化ですが、デジタルツインと本質的な部分は近しくなります。製造業DXの1つの選択肢として、検討してみてはいかがでしょうか。


※参考までに、実際に弊社でも以下のようなお客様の声を頂いています。

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デジタルを活用し、使うべきところに集中する

DXを推進する上では欠かせないテクノロジーである、デジタルツインについてご説明しました。製造業において、デジタル技術で置き換えることができるところはどんどん置き換え、本来人が集中すべきところに集中することは、生産性を高めていくうえでも重要です。


また、製造業のデジタル化が求められるのは生産プロセスだけではありません。営業やマーケティングプロセスも同様に、デジタルを活用することで自動化したり、効率化したりすることで、顧客や製品に使う時間を増やしていくことができます。

製造業DXやデジタル活用は目的ではなく手段です。高い競争力を保持したり、製品やサービスを磨いて選ばれ続ける存在になるなるためにも、デジタルツインをはじめとするテクノロジーは積極的に取り入れていきましょう。

 

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  • この記事を書いた人
  • エムタメ!編集部
  • クラウドサーカス株式会社 製造業マーケティング課

    プロフィール :

    2006年よりWeb制作事業を展開し、これまでBtoB製造業を中心に2,300社以上のデジタルマーケティング支援をしてきたクラウドサーカス株式会社のメディア編集部。53,000以上のユーザーを抱える「Cloud CIRCUS」も保有し、そこから得たデータを元にマーケティング活動も行う。SEOやMAツールをはじめとするWebマーケティングのコンサルティングが得意。

    メディア概要・運営会社→https://mtame.jp/about/

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