デジタルツインとは？
メリット・活用事例をご紹介

デジタルツインとは？

デジタルツインとは、物理空間（現実世界）に実在しているものを、仮想空間（バーチャル世界）でリアルに表現したものを指します。「ツイン（双子）」という言葉が表すように、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て、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を可能にします。
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物理空間の変化とリアルに連動している点に違いがあります。たとえば、機械の摩耗や破損などのリアルタイム情報は、あらかじめ想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。一方でデジタルツインは、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、AIが分析、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。
デジタルツイン上でなにかしらの問題が起きたときは、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・解決などができる点も大きな特徴です。

デジタルツインはCPS（Cyber Physical System）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とは

「サイバーフィジカルシステム（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、それを物理空間にフィードバックし、現実の世界に最適な結果を導き出すという、物理空間と仮想空間がより緊密に連携するシステムのことです。CPSはデジタルツイン同様、さまざまなデジタル技術が進展し、物理空間の情報の多くを仮想空間で処理することが可能になってきたことにより注目を集めるようになりました。
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、正しくは異なる概念です。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。ネットワーク経由収集したモノのデータを仮想空間に反映することで、物理空間と仮想空間で相互に情報交換し合い、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、表裏一体だといえるでしょう。
一方CPSは、IoTにより物理空間データを収集し、デジタルツインにより得られた知見を、物理空間でフィードバックするような一連のサイクルを指します。

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プロダクトがあるわけではなく、さまざまな技術の連携により成り立ちます。ここではデジタルツインを支える技術についてご紹介します。

• IoT：物理空間のデータを仮想空間に再現

  電化製品をはじめ、あらゆるモノがインターネットと接続して通信をおこなう技術がIoT (Internet of Things) です。デジタルツインで高精度な仮想空間を作るためには多くのデータが必要です。IoTであらゆるモノのデータを収集し、仮想空間に反映し続けることは、デジタルツインの実現に不可欠といえます。

• 5G：リアルタイムでのデータ反映

  5Gもデジタルツインを支える大きな技術です。5Gは大容量のデータを超高速、超低遅延で送受信できるようになるため、リアルタイムでの仮想空間へのデータ反映に高い効果が見込める技術です。日本では2020年春に商用化がスタートしました。今後、デジタルツインへの5Gの活用は増えていくと予想されます。

• AI：集めた膨大なデータの分析

  日本語で「人工知能」と訳されるAIは、膨大なデータを効率的に分析することができます。デジタルツインにおいては、仮想空間で再現された物理空間の高精度な分析が、AIには求められています。現在では、AI自体の情報処理能力の向上に加え、IoTの発展によるデータ量の増加でAIの自己学習機会が増え、より正確な未来の予測を実現しつつあります。高度かつ迅速な分析が必要とされるデジタルツインにAIは欠かせない技術といえます。

• 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という概念です。製造業においては早くから生まれ発展してきました。試作品を実際に作成するのに比べ、大幅なコスト低減と期間短縮が実現できるためです。デジタルツインにおいて、膨大なデータを活用して、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専用の技術が必要です。CAEはデジタルツインにとっても重要な技術となるため、注目を集めています。

• AR・VR：デジタルデータを物理空間にフィードバック

  物理空間に情報を加えて拡張する技術であるARや仮想空間を現実世界のように見せることができるVRもデジタルツインには欠かせない技術です。デジタルツインは、物理空間を再現した仮想空間の中でさまざまな将来を予測することから、仮想空間を視覚的に伝えるARやVRの技術は重要な要素です。仮想空間で起きた不具合やエラーを視覚化することで、物理空間へのよりリアルなフィードバックが得られるため、AR・VR技術の発展には期待が寄せられています。

デジタルツインのメリット

物理空間ではさまざまな制限が加わる難しい作業も、仮想空間なら容易に実行できます。ここではデジタルツインのメリットをご紹介します。

物理的な制限からの脱出

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、新たな商品の開発には多大なコストがかかるほか、各工程に係る人員の確保や開発スペースが必要になります。デジタルツインであれば、仮想空間の中でシミュレーション・試行が可能になるため、これらの制限にとらわれることはありません。仮に失敗したとしてもリスクを最小限に留められるのも大きなメリットです。
また変化の激しい環境下においても、迅速なシミュレーションに基づく対応が可能となり、最小限の時間・リソースで現場での実践をおこなうことができます。
VUCA（ブーカ）と言われる時代、現状が目まぐるしく変化し、予測が難しい環境下においては、変化に対応する能力「ダイナミックケイパビリティ」が重要とされます。
デジタルツインはその特性から、まさにダイナミックケイパビリティを構築する上で必須のコンセプトと言えるでしょう。

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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れば、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変更やプロセス変更を試すことは難しいですが、デジタル上であれば容易にシミュレーションが可能です。需要に合わせて人員を再配置したり、リードタイム短縮のためにプロセスを入れ替えたりと、さまざまな方法で最適化を図れるようになります。
これにより、これまで試作品や試作ラインの構築にかかっていた物理的な時間を最小化することができ、発注から製造、出荷、納品までの製品流通に関する全工程を短縮することにつながります。
また、物理的な試行の前にデジタル上で事前検証をおこなうことや、だれもが見える形で検討が進むことで、各部門の知見・意見の集約にも期待でき、これによりリスク低減、品質向上にも効果があるといえます。

コストダウン

デジタルツインを活用することによるメリットが特に大きいと言われているのが、製造工程です。 現実世界で製品の試作をおこなう場合、多大なコストが発生します。たとえば自動車の場合、試作の車両を製作したのち、複数の人員を割いて専用コースで幾度にもわたる試走をしなくてはなりません。デジタルツインを導入すると、それらのプロセスを仮想空間で行えるため、大幅なコスト削減が実現します。
デジタルツインでは製造プロセスにおけるデータだけでなく、流通したあとのデータ取得も可能です。どれくらいのニーズがあるのか、使用状況はどうなのか、といったことも把握でき、今後のマーケティング戦略にも役立てられます。わざわざ別途リサーチを行わなくて済むため、問題点の改善やマーケティングにかかるコストも抑えられるのです。
デジタルツインを活かして仮想空間上に物理空間と連動する複数のサプライチェーンモデルを具現化・高速シミュレーションを行い、評価した上で、最適なオペレーション計画を自動立案するサービスモデルもあります。

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トラブル改善・設備保全

生産ライン全体をデジタルツインで再現しておけば、製造プロセスで起こったトラブルをすぐにデジタル上で分析し、改善できるようになります。製造業のトラブルの中には、時間が経つと原因が分からなくなるものも多いです。しかし、デジタルツインであればデータをもとにして過去の生産状況も再現できるため、原因を追求しやすくなります。
また製造ラインで問題が発生したときには、どの段階で問題が発生したのか原因を特定し、改善に向けた手立てを考えることができます。デジタルツインが導入されていれば、デジタル上でリアルタイムに工程をモニタリングし検証をおこなうため、原因特定までに時間を要さず、スピーディーに改善策を打ち出すことが可能になるのです。
すでに流通している製品に問題が発覚した場合でも、それがどのプロセスで生じたのかデータから解明できます。
さらに設備保全においても、実際に動いているロボットの動作状況を遠隔で確認する、部品の劣化などの故障の予兆を検知して故障する前にメンテナンスをおこなう、といったことがデジタルツインによって実現できます。

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はなく、出荷したあとのモデリングもリアルタイムでおこなうことが可能なため、製品のアフターサービスを充実させることにも役立ちます。
たとえば、製品に取り付けたセンサーによってユーザーの使用状況（顧客体験）を分析することで、顧客が求めているニーズや不満点を的確に察知し、最適な使用方法を提案したり、故障時期を予測してメンテナンスを実施したりする使い方が想定されています。これは、製造業が単に製品を売るビジネスモデルから、サービスを提供するビジネスモデルへ転換するきっかけになるといえるでしょう。
さらに、ニーズを深く掘り下げられることから、新たなサービスに向けたマーケティング戦略を打ち出すことも可能になります。リアルタイムに集めた使用状況のデータを活用すれば、顧客のニーズに合った新製品やサービスを開発するためにも役立てることができるでしょう。

デジタルツインの事例

デジタルツインの活用事例を知れば、よりイメージしやすくなるかもしれません。現在では、製造業をはじめさまざまな業界で積極的に活用されています。参考になる事例が数多くありますので、そのなかの一部をご紹介します。

都市計画：バーチャル・シンガポール、PLATEAU

シンガポールでは、BIMをベースに国家全土を丸ごと3Dバーチャルツイン化し、リアルタイムで都市情報を可視化する「バーチャル・シンガポール（Virtual Singapore）」が展開されています。これは、国立研究財団（NRF）、シンガポール首相官邸、シンガポール土地局（SLA）、シンガポール政府技術庁（GovTech）によるプロジェクトで、地形情報・建物・交通機関・水位・人間の位置などのリアルタイムデータを統合し、3Dモデル化するというものです。
シンガポールでは縦割りの組織構造で重複した工事計画が乱立するなど、都市計画における無駄が発生していました。こうした課題を解決するため、デジタルツイン化によって都市情報を可視化し、各インフラを整備する計画の最適化が図られています。
工事計画におけるデジタルツインの活用で、各省庁横断で建設後の人や車の流れの変化をシミュレーションできるほか、工事状況や交通情報をリアルタイムで共有できるため、渋滞緩和策や工事効率化のための検討もおこなわれました。
そのほか、国家全体でのエネルギー効率最大化、インフラオペレーションのリアルタイムでのモニタリング、物流や人の移動の最適化、渋滞の解消や公共交通機関の最適化・改善といった効果が生まれています。

日本においても国交省が中心となり全国約50都市の3D デジタルツインを整備するプロジェクトプラトー（PLATEAU）が進んでいます。PLATEAUは、国土交通省が進める3D都市モデル整備・活用・オープンデータ化のリーディングプロジェクトです。3D都市モデルの整備とユースケースの開発、利用促進を図ることで、全体最適・市⺠参加型・機動的なまちづくりの実現を目指しています。

PLATEAU [プラトー]

1. 3D都市モデルにより、都市空間を立体的に認識することができ、視覚性が上がることによる説明視力や説得力の向上
2. 立体情報を持った都市空間をサイバー上に再現することで、幅広く精密なシミュレーションが可能
3. 物理空間と仮想空間が相互に情報を交換し作用しあうためのプラットフォームの提供

これらの価値提供により、都市のデジタルツインと新たなソリューションの実現を目指しています。

実際にPLATEAUを活用した事例として、東京海上日動火災保険と応用地質が、台風や集中豪雨などによる浸水被害を可視化する防災サービスを共同で開始することを発表しました。2021年6月以降、両者は戦略パートナーとしてスーパーシティに向けた防災サービスの開発に取り組み、第1弾として、人工衛星データや浸水深解析に基づく「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「実測データ」を組み合わせた「リアルタイム浸水情報」を開発しました。防災・減災活動支援サービスでは、このリアルタイム浸水情報や人工衛星などからのデータをもとにアラートを発出し、企業や自治体に防災・減災行動を促せるようにすることを目的としています。

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建築業：鹿島建設事例

建築業では「設計」→「施工」→「維持管理」の各工程のデジタルツイン化により、効率的な工程設計や、現場の安全性向上・生産性向上が図られています。建築業のPLM（※1）にあたるBIM（※2）を活用した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。
たとえば、鹿島建設は建築現場の遠隔監視のために、建設現場デジタルツインである「3D K-Field」を開発し、現場に設置されたさまざまなIoTセンサで取得したヒト・モノ・クルマのデータを仮想空間に表示することで、リアルタイムに建設現場の状態を可視化しています。

※1　製品の企画から生産、販売、廃棄まで、製品のライフサイクル全体を通して相互に関連付けながら管理し、情報共有によって業務効率の向上や体制強化を目指す取り組みのこと。
※2　Building Information Modelingの略称で、コンピューター上に作成した3Dのデジタルモデルに、コストや仕上げ、管理情報などの属性データを追加したデータベースを、建築の設計、施工から維持管理までのあらゆる工程で活用するためのソリューションやそれにより変化する建築の新しいワークフローのこと。

製造業：富士通による中国の上海儀電（INESA）支援事例

製造業では製造工程において、デジタルツインを活用することによるメリットが特に大きいと言われています。中国では、政府が打ち出した「中国製造2025」という戦略構想のもと、製品を大量生産する製造大国から、製造品質を重視した「製造強国」への転換を目指しています。そんななか富士通は、パートナーである上海儀電の競争力を強化する「スマート製造プロジェクト」を支援しています。
上海儀電では、設備や機器だけではなく建屋まですべてをデータ化しデジタルツイン工場として再現しています。現場スタッフは富士通が提供する「COLMINA」の機能を活用して、一元的に可視化したデジタルツイン工場を俯瞰し、各機器の電力消費量やコンディションを遠隔から監視します。グラフのみの監視を行っていたときと比較すると、危機に異常が発生しても、デジタルツインにより直感的に異常箇所の検知ができるため、迅速な対処や改善検討が可能になりました。
また、専門性の高い技術を保有する熟練工の視点をデジタルツインによって記録することで「技術継承」にも役立てています。

災害課題解決：東京海上日動火災保険、東京海上ディーアール、NTTコミュニケーションズ協業事例

東京海上日動火災保険は、東京海上ディーアール、NTTコミュニケーションズと協業し、予測に基づく安全対策や補償などを検討することを目的に、地震や水災など複数種の大規模災害を予測するため、デジタルツインの活用に向けた研究を開始しました。
仮想空間上で、東京海上日動および東京海上ディーアールが保有するリスクデータやデータ解析のノウハウと、NTTコミュニケーションズが保有する人流・空間などのデータに、防災科学技術研究所の協力のもと、災害予測技術や災害研究データなどを組み合わせます。これにより、リアルタイム性の高い被害予測モデルを構築するほか、その予測結果に基づき、災害の種類や規模に応じた災害初期の対応方針を複数パターン策定するという、災害発生時におけるデジタルとリアルのシームレスな連携について研究を進めています。
将来的には、地震や水災などさまざまな災害に対応できる予測型「マルチハザードソリューション」を災害に強いまちづくりを目指す各地の自治体や、それを支援する企業を対象に提供することを検討しています。加えて、災害発生時の個人の避難誘導や災害情報の一元管理、インフラシステムの安定稼働などに向けた防災アプリケーションやクラウド型の防災マネジメントシステムについても研究を進めています。

まとめ

仮想空間でのシミュレーションにより、リアルでのトラブルや変化などが予測可能になります。製造業を中心にすでにさまざまな企業がデジタルツインの導入を始めており、今後も導入を考える企業がさらに増えることでしょう。デジタルツインの活用によって、開発プロセスだけではなく、アフターサービスの領域において高い効果が見込めます。また今回は製造業や都市開発に注目して事例をご紹介しましたが、医療現場などでもデジタルツインの活用は進んでいます。
DXでもそうですが、デジタル技術そのものではなく、それを活用し自社のビジネスモデルをどう構築したいのか、どのようなオペレーションを実現したいのかといった経営戦略・オペレーション戦略を検討することが重要です。みなさまの企業における変革でデジタルツインを活用できる場面がないか、この機会にぜひご検討ください。

また、PLATEAUの事例として紹介しました応用地質様では、生産性の革新的向上に向けたDXの第一歩として「SmartDB」を導入されています。業務革新の際には既存業務の最適化も重要なミッションです。こちらの資料では「SmartDB」について紹介しています。記事と合わせて参考になれば幸いです。

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