ここ数年、製造現場においてスマート製造システムと並行してモノのインターネット（IoT）の導入が進むにつれ、企業は業務の在り方を改善し、生産性や効率性を高めるために、こうしたツールを活用する動きを強めている。
近年、製造環境における物理的な対象とデジタルシステムを結びつけ、製品開発の方法を強化・改善するためにデジタルツインを活用する動きが拡大しています。デロイトによると、デジタルツイン技術への投資額は2023年までに160億ドルに達すると予測されています。
この記事では、デジタルツインの歴史、製造業における導入状況、そして継続的な改善の推進という観点から、デジタルツインが企業にもたらすメリットについて探っていきます。
デジタルツインとは何ですか？
デジタルツインとは、部品、物体、機械、さらには生産プロセス全体を動的に仮想的に表現したモデルです。これは、実物そのもの、その実物の仮想的な表現、そして実物と仮想オブジェクトの間でデータをやり取りするための接続機能から構成されています。
デジタルツインは、そのインタラクティブで動的な機能性により、単なるデジタル設計図の枠を超え、実世界において対象物がどのように存在し、機能するかに関するあらゆる要素や動態を包含しています。
これにより、人間は、現実世界からのリアルタイムデータを活用しつつ、仮想環境において、物理的な物体がさまざまな条件や状況下でどのように反応するかを把握することができるようになります。
データを収集するために、デジタルツインは仮想現実（VR）と拡張現実（AR）を組み合わせて対象物を可視化するほか、IoT センサーを用いて、物理的な環境が存在する周囲からデータを収集します。これにより、デジタルツインは工場現場における対象物やプロセスを、どの時点においても正確に再現することが可能になります。
こうした特徴により、製造現場で活用されるデジタルツインは、単一の重要部品から機械全体に至るまで適用可能です。さらに用途を広げれば、この技術を用いて生産ライン全体、さらには生産業務全体を可視化し、状況を把握することも可能です。
デジタルツインの簡単な歴史
デジタルツインという概念は、1991年に出版されたデビッド・ゲレルンター著の『ミラー・ワールド』で初めて提唱された。同書の中で、彼は「ミラー・ワールド」を、ハイテクなブードゥー人形のようなもの、すなわち大規模な物理的環境（学校、病院、都市など）をデジタルで再現したものであり、デスクトップコンピュータを使って操作したり、対話したりできるものだと説明している。
ゲレルンターの著作は、主に遠い将来に起こりうることを予測した推測的な内容であったが、技術者たちがその概念を極めて現実的な形で応用し始めるまで、それほど時間はかからなかった。例えば、2002年、マイケル・グリーブス博士は、製造業においてこの技術を実用的に応用する方法を模索し始め、デジタルツインのあらゆる要素を製品ライフサイクル管理のユースケースに適用したモデルを開発した。
「デジタルツイン」という名称は、2010年にジョン・ヴィッカーズが、NASAの報告書『 「技術分野12：材料、構造、機械システム、および製造ロードマップ」」と題されたNASAの報告書の中でジョン・ヴィッカーズによって造語されました。それ以来、この概念は数え切れないほどの様々な産業に適用され、人間がシームレスなデジタル媒体を通じて物理的な製品や環境と相互作用することを可能にしています。
デジタルツインの事例
デジタルツインの概念を説明する際によく挙げられる例の一つが、風力発電機です。風力発電機は、陸上・洋上を問わず、さまざまな環境下で、多様な気候、気温、気象条件などの中で運用されることがあります。
これは、風力タービンが設置される物理的環境には大きな変動があるため、特定の風力タービンがどれだけのエネルギーを生産できるかを予測しようとするエネルギー企業にとって、大きな課題となっています。
エネルギー企業が、タービンが設置される環境下でどのように機能するかをより正確に予測するためには、デジタルツインの構築を検討することがある。これにより、実物のタービンに設置されたセンサーからリアルタイムのデータを収集し、そのデータをタービンのデジタルレプリカに取り込み、さまざまな人工知能モデルを実行して、タービンが直面しうる様々な条件を検証することが可能になる。
これにより、一定期間におけるタービンの機能や出力を、はるかに正確に予測できるようになります。
この同じ概念は、あらゆる種類の物理的な製品に適用することができ、メーカーは、製品がさらされる可能性のあるさまざまな環境や条件の下で、その製品がどのように機能するかをより正確に予測できるようになります。
製造現場におけるデジタルツインの活用方法
製造業務ごとに、その生産プロセスに特有の多様な要件やシステムが存在します。このため、製造業者はデジタルツイン技術をさまざまな方法で活用することができ、その結果、その生産拠点に固有の異なる成果がもたらされます。
ここでは、メーカーがデジタルツイン技術を活用して業務を改善しているいくつかの事例を紹介します。
プロトタイプの試験・評価：革新的な製造技術を採用する企業は、物理的なプロトタイプよりもデジタルツインを採用しています。デジタルツインは変更や修正を容易に反映できるため、製品の設計や改良をより効率的に進めることができます。また、他のシステムとの連携により、試験・評価プロセスが正確かつ信頼性の高いデータに基づいて行われることが保証されます。
生産システムの設計改善：デジタルツインの応用範囲は、単一の製品にとどまりません。むしろ、生産システム全体にも及んでいます。
製造業者はデジタルツインを活用して、提案された生産ラインのシステムやレイアウトを分析し、設置作業が始まる前に主要な担当者に、より洞察に富んだ全体像を提供しています。例えば、製造業者はデジタルツインから抽出したデータを用いて生産ラインのシミュレーションを行い、システムに潜む潜在的な問題点を特定し、是正することができます。
さらに、メーカー各社は、サプライチェーンやデリバリーチェーンなど、工場外のプロセスを最適に把握するためにデジタルシステムを活用しています。
設備の監視と予防保全：この技術は、工場現場の設備に広く活用されています。機械のデジタルツインは、正確なリアルタイムの仮想モデルを提供し、保守担当者に設備の状態や性能に関する詳細なパラメータを提供します。
インダストリー4.0のAIや機械学習機能を活用することで、デジタルツインは発生しうる故障を事前に指摘し、製造業者が先手を打って対応できるようにします。
これにより、保守担当者は拡張現実（AR）ゴーグルを使用して、現場にある実際の機械の上に重ねられた正確なモデルを視覚化することができます。これにより、技術者は作業の指針となる正確な形状や仕様を把握することができます。
製造業におけるデジタルツインのメリット
第4次産業革命が進展する中、スマートファクトリーでは、生産業務をより収益性の高いものにするため、さらに多くの技術が導入されています。デジタルツイン技術は、こうした製造企業に数多くのメリットをもたらすアプローチの一つです。
これらのメリットには、次のようなものがあります：
生産効率の向上：デジタルツインを活用した生産ラインのシミュレーションにより、操業上のボトルネックとなり得る箇所を特定し、メーカーはシステムを最適化することで、生産性と生産効率を向上させることができます。
設備総合効率の向上：製造業者は、資産のライフサイクル管理にデジタルツインを活用しています。継続的なリアルタイム監視により、予知保全が促進され、設備の故障を未然に防ぐことが可能になります。
製品品質の向上：デジタルツインは、製品設計や試作において重要な役割を果たしています。この技術により得られる詳細な知見を活用することで、メーカーは顧客にとって理想的な製品を開発し、品質管理の取り組みを改善することができます。
より効率的な物流管理：デジタルツインを活用して業務全体を計画・監視することで、企業の生産プロセス全体に関する有益な知見が得られます。これにより、製造業者は供給チェーンや配送チェーンをより適切かつ効率的に管理できるようになります。
事業全体の収益性の向上：これらのメリットは、製造事業の収益性向上に集約されます。同社は修理や改修作業にかかる費用を削減できるだけでなく、より優れた製品と確実な受注対応を通じて顧客満足度を高めることができます。
デジタルツインの構築方法
デジタルツインという概念は難解で複雑に思えるかもしれませんが、この技術はさまざまなユースケースに応用可能であり、製造業者にとって極めて大きなメリットをもたらします。また、この技術が業界全体で広く採用され始めたのはごく最近のことですが、2025年までに、IoT 約88％において、デジタルツイン機能が標準機能となる見込みです。
この技術がより広く普及するにつれ、企業にとっては、業務を支援するためのデジタルツインをどのように構築すべきかを理解しておくことが重要になります。ここでは、業界の専門家によるいくつかの提言を紹介します：
プロジェクトの目的と範囲を明確に定義する――デジタルツインで何を再現しようとしているのか？その技術は、現在のビジネス運営にどのような影響を与えるのか？どのような技術を導入するにせよ、その目的を理解し、主要なステークホルダーと期待事項を明確に共有することは、あらゆる大規模プロジェクトにおいて重要な取り組みである。
プロジェクトに必要なツールを理解する - デジタルツインの構築には、操作可能な正確なリアルタイムモデルを作成するために、多種多様なソフトウェアやハードウェアが必要となります。機器としては、IoT 、センサー、モニターなどが挙げられ、ソフトウェアとしては、モデルを設計するための3D CADソリューションや、IoT ツイン自体IoT などが含まれます。 デジタルツインの具体的な活用方法を理解することで、プロジェクトを完了するために必要な機器やソリューションを判断する上で役立ちます。
その手順は以下の通りです：
コンピュータ支援設計（CAD）のデジタルソリューションを活用し、他の製造工程のデジタルツールと連携可能な仮想3Dツインレプリカを作成します。
これらのデジタル製造ツールは、IoT（モノのインターネット）を活用して、現場の設備からデータを取得し、それをリアルタイムでデジタルツインソフトウェアに反映させます。
「ゲームエンジン」と呼ばれるこのソフトウェアは、データをレンダリングし、高度な物理演算を適用することで、IoT リアルタイムに反映した、理解しやすいデジタルツインを実現します。
導入するデジタルツインソフトウェアには、バージョン管理機能が備わっている必要があります。これにより、デジタルツインへのすべての変更が同期され、アクセス権限を持つ担当者が常に最新のファイルにアクセスできるようになります。
デジタルツインに加え、製造業各社は、自社の業務において継続的な改善を推進するための新たな機会を常に模索しています。
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