デジタルツインとは？
種類や製造業などの活用事例を紹介

デジタルツインとは？

デジタルツインとは、現実世界の物理的な製品やサービス、プロセスをデジタル上で再現することです。このデジタルツインを活用することで、実際の製品を傷つけたり、壊したりすることなく、さまざまな作業環境下で評価や操作が可能になります。

デジタルツインは、現実世界と仮想世界が融合する最たる例です。つまり、実際のデータをもとにコンピューター上でシミュレーションを行い、製品やプロセスの将来の動きを予測するデジタル上の双子のような存在です。このシミュレーションは、モノのインターネット (IoT)、人工知能 (AI)、ソフトウェア分析などの技術と連携し、より良い成果を生み出すことを目指しています。

インダストリー4.0におけるデジタルツインの重要性

第4次産業革命（インダストリー4.0）は、自動化とデータ化を中心に、幅広い製造技術がビジネスの中核を担っています。

この中で、デジタルツインの概念は無限の可能性をもたらします。従来のように「何かを作ってから新しいバージョンで微調整する」というアプローチは、もはや時代遅れです。デジタルツインを活用した仮想設計システムにより、製品、プロセス、システムの機能、性能における潜在的な問題点を把握することで、最適な効率レベルを初期段階から特定し、実現することを可能にします。

デジタルツインを用いた製品開発は、複雑なプロセスをより簡素化します。設計から導入段階まで、デジタルデータとしてリアルタイムに記録・蓄積され、デジタル化された履歴を作成できます。これにより、企業は初期設計段階から実装における課題をより的確に分析・予測することが可能になります。問題を事前に修正したり、ダウンタイムを防ぐための早期警告を発することができます。

また、このプロセスは実世界のアプリケーションでのシミュレーションにより、より新しく、より改良された製品をより費用対効果高く生み出す可能性を拓きます。その結果、顧客体験の向上につながります。デジタルツインのプロセスには、ビッグデータ、人工知能、機械学習、そしてモノのインターネットが組み込まれており、エンジニアリングと製造業の未来を象徴しています。

デジタルツインの種類

デジタルツインのシミュレーターには、以下のような種類があります。

プロダクトツイン

プロダクトツインとは、個別の製品のデジタルモデルのことです。メーカーは、この仮想モデルを使って、さまざまな条件下で製品を検証できます。実際の生産ラインを立ち上げる前に、1つの製品モデル上で必要な変更をすべて行うことができ、これにより設計の効率化、製造費の削減、そして市場投入までの時間短縮を実現できます。

プロセスツイン

プロセスツインとは、製造プロセスのデジタルモデルのことです。このモデルを使用することで、企業はさまざまなシナリオにおける生産プロセスの機能を仮想的に評価することができます。これは、最も効率的な生産方法を確立するための最善の方法です。プロセスツインは個々の設備にも適用でき、より微細な調整を可能にします。これにより、企業は予知保全システムを導入することができ、コストのかかるダウンタイムの発生を減らし、安全かつ効率的に製造オペレーションを高速化することができます。

システムツイン

システムツインとは、プラントや工場のシステム全体のデジタルモデルです。既存のシステム内のさまざまなデバイスや製品から、膨大な量の運用データを収集することができます。これにより、すべてのプロセスを最適化した新しいビジネスチャンスを生み出すための洞察力を得ることができます。

将来的には、システムツインが人間に代わって、故障した機器の診断を行うようになるのではないかと考えられています。実際、一部の企業ではすでにそうなっています。仮想モデルは幅広いセンサーから情報を収集できるため、より優れた効果を発揮する傾向があります。例えば、システムツインはオンラインにあるセンサーからスペアパーツの状態を評価できます。これにより、迅速に部品を修理または交換できるようになります。

デジタルツインの応用

デジタルツインは、今まさに多くの業界で注目を集めており、今後ますます重要になっていくでしょう。デジタルツインを活用することで、物理的な資産のデジタルモデルを分析し、その現在と未来の状態を正確に予測することが可能になります。これにより、組織は製品のパフォーマンスに関するよりスマートで正確な洞察を得ることができ、顧客サービスの向上や、より適切な運用・戦略的決定を下すことが可能になります。

デジタルツインを幅広く活用している業界をいくつか紹介します。

製造業

デジタルツインは、製造業の基盤を変え、効率的な設計モデルを生み出し、メンテナンスやアップグレードを改善しています。メーカーは、生産時間を大幅に短縮することができるようになります。

自動車

デジタルツインは、コネクテッドカーの仮想モデルを作成し、走行データや機能の動作データなどを収集します。これにより、車両全体の機能や性能を分析することができ、個々のドライバーに合わせてパーソナライズされたカーライフを提供することが可能になります。

小売

顧客の仮想モデルは、服、口紅の色、アクセサリーなどを試着するために作成することができます。これはすでにオンラインショッピングで使用されています。また、デジタルツインを使用して、インテリアデザインの外観をシミュレートすることもでき、装飾や設備など、細部に至るまで再現します。これこそが顧客体験全体であり、デジタルツインは顧客が関連するシナリオでどのように見えたり感じたりするかをシミュレートすることで、小売業の顧客体験の向上において中心的な役割を果たします。デジタルツインは、店内計画だけでなくセキュリティの実装やエネルギー消費管理にも役立ちます。

医療

デジタルツインの応用は、医療業界の幅広い分野で見ることができます。IoTと組み合わせることで、患者のモニタリングから予防医療、さらにデジタルツインのシミュレーションに基づくカスタマイズされた医療成果に至るまで、あらゆる段階でスムーズな機能を作り出すことができます。

スマートシティ

デジタルツインは、スマートシティの計画に役立ちます。IoTと組み合わせることで、効率的なリソース管理による経済的発展、産業の生態系への影響を軽減し、総合的な生活の質の向上を促進することができます。複数のセンサーネットワークやインテリジェントシステムから収集したインサイトに基づいて、都市計画担当者は、拡張に対応できるように、都市の運営と維持のためにより良い政策を実施できるようになります。

産業用IoT

デジタルツインを採用する産業企業は、産業用システムの物理的側面をデジタルで監視、追跡、制御する能力を持っています。デジタルツインは、運用データだけでなく、位置、構成、財務モデルなどの詳細を含む環境データも取得できます。これらすべてが異常への対応だけでなく、オペレーションにおける将来予測にも役立ちます。

石油・ガス産業

BP（British Petroleum）社のエンジニアは、デジタルツインを活用し、アラスカの雪に埋まった数千本の地下パイプを可視化し制御しています。シーメンス社も同様に、巨大なガスタービンの監視にデジタルツインを使用しています。デジタルツインのプロセスを支援するために、何千ものテストがセンサー上で実行されています。

他の分野では、デジタルツインの使用により、オペレーターは専用のシミュレーターの構築にリソースを費やす代わりに、デジタルモックアップでトレーニングを行うことができます。機械学習やAIの重要性がますます高まる中、機械は近い将来、ほぼ自律的に動くようになるかもしれません。これらの機械は、何らかの故障が発生した場合に自己診断や自己修復ができるようになると予測されています。仮想環境でこれを修正することが、現実世界で物事を管理する最も費用対効果の高い方法になるでしょう。

ビジネスにおけるデジタルツインのメリット

デジタルツインは、主に製造業で使用されてきました。しかし、この状況は急速に変化しており、特にIoTを業務プロセスに組み込んでいる幅広いビジネスにおいて可能性を秘めています。以下に示すいくつかの産業においては、近い将来、デジタルツインがもたらすメリットを実感することになるでしょう。

不具合のない製品をコスト効率高く生産

製品を図面に起こし、市場へと送り出すまでには、多大なコストがかかります。製品開発における各イテレーションには、複数のステップと人件費も含まれます。デジタルツインを使用することで、企業は生産中に既存もしくは潜在的な欠陥を減らすことができ、エンジニアに仮想環境で製品をテストしたりシミュレートしたりする機会を提供できます。仮想環境でエラーを修正する方が、現実の環境で修正するよりもはるかに費用対効果は高くなります。メーカーは、出荷により発生するリスクをすべて排除し、発売後の製品が意図したとおりに機能することを保証することができます。

製品の迅速な市場投入

デジタルツインにより、企業は市場投入にかかる時間を短縮し、競合他社に打ち勝つことができます。製品のライフサイクル全体をデジタル環境でシミュレートし、すべての改良を迅速かつ効率的に行うことで、企業のリスクを大幅に軽減することが可能です。仮想環境であらかじめシミュレートすることで、製品が現実世界でどのように機能するかを検証でき、開発時間を短縮します。

予知保全

デジタルツインは、問題を予測し事前に解決策を提供することもできます。これは予知保全と呼ばれます。すべてのリモート・コピーは、物理的な複製を常に監視し、センサーを介してさまざまな情報を収集します。このデータはリアルタイムで分析され、ダウンタイムや故障を予測し、解決することができます。オペレーターはこの情報を用いて問題を報告し、直ちに対処できるようになります。

デジタルツイン技術の欠点

このテクノロジーのメリットは非常に大きく、採用する企業に革新をもたらすでしょう。しかし、他のテクノロジーと同様に留意すべき落とし穴もあります。

データセキュリティ

デジタルツインの概念には、データセキュリティとプライバシーという根本的な問題があります。デジタルツインのシステムでは、スマートソフトウェアが使われており、当然ながら企業に関する広範なリソースや個人情報にアクセスできるため、サイバー攻撃やデータの盗難の標的になります。デジタルツインテクノロジーのためのセキュリティシステムを実装する場合、選択肢を考え戦略を練る必要があります。

多額の投資が必要

デジタルツインのもう一つの欠点は、導入には多額の投資が必要になる、ということです。財源がひっ迫しているときは、すべての企業が投資対効果を得られるわけではありません。

機械学習やビッグデータの活用により、現代の技術革新は非常に高レベルかつ高速で変化しています。これらの仮想モデルは、革新を促進しパフォーマンスを向上させるという絶え間ない努力の中で、現代のエンジニアリングにおいて恒久的な地位を占めています。デジタルツインの概念を用いることで、あらゆるビジネスは戦略的に重要な技術的なトレンドを取り入れ受け入れ、強化することができ、製品開発における損失を未然に防ぐことができます。また、企業は高度な分析監視や予測能力のための完璧な基盤を手に入れることになるでしょう。