DX（デジタルトランスフォーメーション）の文脈で「デジタルツイン」というキーワードを目にする機会が増えています。デジタルツインはデジタル技術の発展により製造業を中心に導入が加速し、今後さらにさまざまな分野での活躍が期待できる技術です。今回はデジタルツインを支える技術やメリットを活用事例と交えてご紹介します。導入検討のきっかけになる記事となっていますのでぜひご覧ください。
デジタルツインとは？
デジタルツインとは、現実世界に存在する物理空間の要素を、仮想空間（バーチャル世界）上に双子（ツイン）のように再現するテクノロジーです。IoTやAI、AR（拡張現実）、VR（仮想現実）などの最新デジタル技術を活用し、現実世界から収集した膨大なデータをもとに、物理空間の仕組みや稼働状況などを仮想空間にそのまま再現することによって、精度の高いシミュレーションや分析が可能になります。そしてその結果を物理空間にフィードバックすることで、将来起こる変化に迅速に対応することができます。
デジタルツインが注目される背景
ここ数年、IoTやAI、ビッグデータなどのデジタル技術の活用が急速に広がり、物理的な機械や設備に関するデータ収集・分析が比較的容易になりました。
こうした背景からそれに伴い、高度な技術や大量の情報が必要とされる「デジタルツイン」が、より現実的な技術として産業界で注目されています。デジタルツインの活用は、製品開発や作業工程の最適化・効率化はもちろん、高精度かつリアルタイムのシミュレーション・分析により産業イノベーション推進につながると期待されています。デジタルツイン上でなにかしらの問題が起きた場合、オンラインを通じて物理空間にアプローチし、トラブルの回避や解決が図れる点も大きな特徴です。
デジタルツインの仕組み
デジタルツインは、IoT機器による物理空間データのリアルタイム収集と、AIによるデータ分析・処理によって成り立っています。これにより、物理空間と対になる環境を仮想空間に構築し、シミュレーションやモニタリングが可能になります。
デジタルツインはシミュレーションの一種ですが、従来のシミュレーションとは異なり、物理空間の変化とリアルタイムに連動している点が特徴です。たとえば、機械の摩耗や破損などのリアルタイム情報は、事前に設定した条件を組み合わせてバーチャルモデルを作成する従来のシミュレーションでは捉えることができませんでした。しかし、デジタルツインはIoTを活用して実際に動いている生産ラインや設備などから膨大なデータをリアルタイムで収集し、それをAIが分析しバーチャルモデルに反映することで、物理空間で起こっている事象を仮想空間上に忠実に再現することができます。
また、デジタルツインはCPS（Cyber Physical System：サイバーフィジカルシステム）と連携することで、再現した情報をもとに事前のシミュレーション・分析・最適化した結果を物理空間にフィードバックする仕組みづくりにも貢献します。
CPSとの違い
CPSとは、物理空間の情報を仮想空間に取り込み、コンピューター技術による分析をおこなったうえで、その結果を物理空間にフィードバックするシステムのことです。物理空間と仮想空間がより緊密に連携するのが特徴です。
CPSはデジタルツインやIoTと一緒に語られることもありますが、それぞれ異なる概念です。デジタルツインは、仮想空間の中で再現された物理空間のコピーに焦点が当てられています。またIoTは物理空間に存在する「モノ」を中心に考えます。ネットワーク経由で収集したモノのデータを仮想空間に反映し、物理空間と仮想空間で相互に情報交換することで、物理空間での活用を実現します。このことからIoTとデジタルツインは表裏一体の関係にあるといえるでしょう。
一方でCPSは、IoTにより物理空間データを収集し、デジタルツインから得られた知見を物理空間にフィードバックする一連のサイクルを指します。
デジタルツインの効果とメリット
デジタルツインは製造業・建設業・物流業などの産業課題解決に貢献しています。また、社会課題の解決などにも期待が寄せられています。ここではデジタルツイン主なのメリットをご紹介します。
物理的な制限からの解放
仮想空間では、コストやスペースなどの制限を気にすることなく、さまざまな試みが可能です。たとえば、新しい商品の開発には多大なコストがかかり、各工程に必要な人員の確保や開発スペースが必要になりますが、デジタルツインを活用すれば仮想空間でシミュレーションや試行が可能となり、これらの制限に縛られることがありません。
また、変化の激しい環境下でも迅速なシミュレーションが可能で、最小限の時間とリソースで現場での実践がおこなえます。現状が目まぐるしく変化し、先の予測が難しいVUCA（ブーカ）と言われる時代においては、変化に対応する能力「ダイナミックケイパビリティ」が重要です。デジタルツインは、ダイナミックケイパビリティを構築する上で欠かせないコンセプトといえるでしょう。
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リードタイム短縮・品質向上
デジタルツインを活用することで、生産管理の最適化や業務効率化が期待できます。現実の生産ラインで人員やプロセスを変更して試すのは困難ですが、デジタル上であれば簡単にシミュレーションが可能です。これにより、現実の試作や実験を繰り返す負担を軽減し、さまざまな方法で最適化が進み、品質向上につながります。また、試作品や試作ライン構築にかかっていた時間を大幅に削減でき、発注から製造、出荷、納品までの全工程を短縮することが可能です。
コストダウン
デジタルツインの仮想空間でシミュレーションをおこなうことで、物理空間と比べて短期間かつ低コストで試作や実験が可能です。これにより、開発・製造のコスト削減や効率化が進み、工数も削減されます。さらに、SCM（サプライチェーン・マネジメント）も最適化が進み、製造のリードタイムが短縮されることで、企業としての競争優位性を高めることができます。
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設備保全・トラブル改善
デジタルツインを活用することで、物理空間の製品や設備の状態をリアルタイムで把握できます。現場で異常や不具合が発生した場合には、AIを用いた分析やシミュレーションにより、迅速に原因を特定することが可能です。さらに、機械の故障原因や発生時期を予測し、事前にメンテナンスや部品交換を実施することで予知保全が実現します。これにより、ダウンタイムや修繕コストを削減できます。また、トラブル発生時も、デジタルツインを活用した迅速なシミュレーションにより、最適な解決方法を見つけることが可能です。
アフターサービスの充実
企業価値と顧客満足度を高めるためには、丁寧なアフターサービスが欠かせません。デジタルツインは製造段階だけでなく、出荷後もリアルタイムでモデリングをおこなえるため、製品のアフターサービスを充実させることが可能です。
たとえば、販売後の製品について、デジタルツインを活用してパーツやバッテリーの消耗具合、使用状況をシミュレーションできます。また、仮想センサーを利用して製品データを取得し、状況の把握や寿命の予測を行うことも可能です。これにより、よりきめ細やかなアフターフォローが実現します。
さらに、デジタルツインの活用は、製造業が単に製品を販売するモデルから、サービスを提供するビジネスモデルへ転換する契機となります。
デジタルツインで活用される技術
デジタルツインは、特定のIT製品ではなく、複数の技術が連携することで成り立っています。ここでは、デジタルツインを支える主要な技術をご紹介します。
IoT：物理空間のデータを仮想空間に再現
IoT (Internet of Things)は、電化製品をはじめとするあらゆるモノがインターネットを介して通信する技術です。デジタルツインで高精度な仮想空間を構築するには、大量のデータが必要です。IoTはこのデータを収集し、仮想空間へ継続的に反映する役割を果たします。IoTはデジタルツインを実現するうえで、欠かせない基盤技術といえるでしょう。5G：リアルタイムでのデータ反映
5Gは「第5世代移動通信システム」と呼ばれる最新の通信技術です。大容量のデータを超高速かつ超低遅延で送受信できるため、仮想空間へのデータ反映をリアルタイムで実現します。日本では2020年春に商用化が始まりました。今後、デジタルツインにおける5Gの活用はさらに広がると予想されます。AI：集めた膨大なデータの分析
AI（Artificial General Intelligence、人工知能」は、膨大なデータを効率的に分析することができます。デジタルツインでは、仮想空間で再現された物理空間の高精度な分析をAIが可能にします。また、IoTの進化によるデータ量の増加と、AIの自己学習能力の向上により、未来の予測精度がますます高まっています。高度で迅速な分析が求められるデジタルツインにとって、AIは不可欠な技術です。CAE：シミュレーション・エンジニアリング
CAE（Computer Aided Engineering）は、仮想空間でシミュレーションを実行する技術を指します。試作品を実際に作成する場合に比べ、大幅なコスト低減と期間短縮が可能であるため、製造業では以前から広く活用されてきました。デジタルツインにおいて、膨大なデータを活用し、実態に即したリアルタイムでの高度なシミュレーションを実現するためにはCAEのような専用の技術が必要です。そのため、CAEはデジタルツインにおいても重要な技術となります。AR・VR：デジタルデータを物理空間にフィードバック
AR（Augmented Reality）やVR（Virtual Reality）は、デジタルツインを支える技術として欠かせません。ＡＲは物理空間に情報を重ね合わせて拡張する技術、VRは仮想空間を現実のように体験できる技術を指します。
デジタルツインは、物理空間を再現した仮想空間を活用して未来を予測します。この仮想空間を視覚的に伝えるために、ARやVRの技術が重要な役割を果たします。さらに、仮想空間で発生した不具合やエラーを視覚化することで、物理空間へのリアルなフィードバックが可能になります。これにより、AR・VR技術の発展はデジタルツインのさらなる新規にも寄与すると期待されています。
デジタルツインの事例
現在では、製造業をはじめ、さまざまな業界でデジタルツインが積極的に活用されています。ここでは、その一部をご紹介します。
製造業：トヨタ自動車
トヨタ自動車は、生産設備の効率化を目的に貞宝工場でデジタルツイン技術を導入しています。顧客に必要な商品をタイムリーに提供するため、生産設備の迅速な立ち上げが重要でしたが、図面上では予期できない不具合が発生し、リードタイムが長期化する課題がありました。この課題に対し、3Dモデルを作成し、設備設計担当者・製造担当者・実際の作業者が事前に不具合を洗い出せる仕組みを構築しました。その結果、設計段階から現場の知見が反映され、完成度の高い設備を初期段階で導入できるようになりました。これにより、設計から生産開始までのリードタイムは半分に短縮されました。
さらに、この取り組みを社内外に広げることで、リードタイムのさらなる短縮と生産性向上が期待されています。
建築業：鹿島建設
建築業界では「設計」→「施工」→「維持管理」の各工程のデジタルツイン化することで、効率的な工程設計や現場の安全性向上、生産性向上が進められています。この分野では、建築業のPLM（※1）にあたるBIM（※2）が活用されており、3Dでの設計や施工シミュレーション、維持管理の最適化が進んでいます。
鹿島建設は、建築現場の遠隔監視を目的に建設現場デジタルツイン「3D K-Field」を開発しました。現場に設置されたさまざまなIoTセンサーで取得したヒト・モノ・クルマのデータを仮想空間に表示し、建設現場の状態をリアルタイムで可視化しています。
※1 製品の企画から設計、開発、製造、販売、保守、廃棄に至るまでの全ての工程を一貫して管理するための手法やシステム
※2 建物の設計、施工、維持管理に関する情報を3Dモデルを使って一元管理する技術
国土交通省： PLATEAU
国土交通省は2020年4月、全国約50都市の3D デジタルツインを整備するプロジェクト「PLATEAU（プラトー）」を公開しました。PLATEAUは、国土交通省が進める3D都市モデル整備、活用、オープンデータ化を目的としたリーディングプロジェクトです。
仮想空間での街歩き体験を提供する「バーチャル新宿」や、渋谷区のさまざまなデータを可視化しスマートな街作りを目指す「デジタルツイン渋谷プロジェクト」などを通じて、3D都市モデルの整備、ユースケース開発、利用促進を進めています。この取り組みにより、全体最適化、市⺠参加型、機動的な街づくりの実現を目指しています。
また、PLATEAUの一環として、東京海上日動火災保険と応用地質は台風や集中豪雨による浸水被害を可視化する防災サービスを開始しました。第一弾として、人工衛星データと浸水深解析を活用した「浸水エリア予測」と、冠水を検知する防災IoTセンサーによる「リアルタイム浸水情報」を開発。リアルタイムのデータを基にアラートを発出し、企業や自治体に防災・減災行動を促すことを目的としています。
まとめ
デジタルツインは仮想空間でのシミュレーションを通じ、現実世界でのトラブルや変化の予測を可能にします。すでに製造業を中心に多くの企業が導入を進めており、今後さらに広がっていくことでしょう。今回は製造業、建設業、都市開発の事例をご紹介しましたが、医療現場をはじめ、さまざまな分野での活用が進んでいます。 みなさまの企業におけるDX推進やビジネスモデル構築のなかで、デジタルツインが役立つ場面がないか、ぜひこの機会にぜひご検討ください！
また、PLATEAUの事例で紹介した応用地質では、生産性向上を目的に「SmartDB」を導入しています。これは「DXを核としたイノベーション戦略」の一環であり、既存の業務プロセスを「SmartDB」でデジタル化し、業務効率の最適化を目指されています。「SmartDB」の詳細については、ぜひ以下の資料をご覧ください！
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この記事の執筆者：斉藤（マーケティング本部）
通信サービス・コンタクトセンター運営などの経験を経て、2021年ドリーム・アーツに中途入社。マーケティング本部の一員として日々勉強中です。たくさんの経験をしてきたことを活かし、誰が読んでも楽しめるコンテンツを目指して、今後もたくさんの情報をお届けします！
