デジタルツインとは？製造業をはじめとした活用事例とIoT技術の役割

2024年12月19日

デジタルツインとは

デジタルツインとは、物理的なオブジェクトやシステムのリアルタイムのデジタルコピーを指します。この仮想モデルは、センサーやデータ収集技術によって即時に収集された情報を基に作成され、物理空間での動作や状態を仮想空間で正確に再現します。

デジタルツインは、物理的な対象物のシミュレーションや予測分析、状況監視、最適化などを行うための強力なツールであり、設備のパフォーマンス向上、保守の効率化など、多岐にわたる分野で活用されています。

IoTやAIとの関連性

デジタルツインの運用において重要な技術の一つが「IoT（Internet of Things）」です。IoTは、センサーやデバイスを使って物理的な対象物からデータを収集し、そのデータをネットワーク経由でクラウドや他のシステムに送信する技術です。

デジタルツインでは、物理的な対象物に取り付けたセンサーや機器が即時にデータを収集し、その情報を基に仮想的なモデルが更新されます。これにより、デジタルツインは物理的な対象物の正確な状態を常に反映し、リアルタイムの監視が可能になります。

さらに、AIもデジタルツインの運用において重要な役割を果たします。AIは、収集した大量のデータを解析し、パターン認識や予測を行うことができます。よって、AIを活用することで、デジタルツインは監視ツールにとどまらず、未来の状況を予測したり、最適な対応策を提案したりすることができます。

デジタルツインとシミュレーションの違い

シミュレーションは、特定の条件下での物理的な挙動を仮想環境で模倣する技術です。シミュレーションは一般的に過去や未来の特定のシナリオに対する予測を行うものであり、リアルタイムでデータを反映することはありません。

一方、デジタルツインは、リアルタイムで物理的な対象物の状態を追跡し、仮想モデルを常に更新します。デジタルツインは実際の運用状態を常に反映しているため、現実世界とのデータ連携が重要な要素となります。

シミュレーションとは異なり、デジタルツインは実際の運用に直結しているため、リアルタイム性や継続的なデータ更新が大きな特徴です。これにより、問題の早期発見や、効率的な運用のための改善策を迅速に提供できるのです。

デジタルツインを構成する技術

デジタルツインの技術的基盤は、さまざまな先進技術の組み合わせによって支えられています。これらの技術がどのように連携し、デジタルツインの実現をサポートしているかを、以下で詳しく説明します。

IoT

デジタルツインの最も基本的な要素のひとつは、実際の物理的対象物からのデータの収集です。このデータは、対象物やシステムに取り付けられたセンサーを通じて集められ、IoT技術によってリアルタイムで仮想モデルに反映されます。このデータは、デジタルツインにおける「リアルタイム更新」を実現するための基盤となります。

AI

AIは、膨大な量のデータを解析し、パターンを見つけ出したり、未来の状況を予測したりすることができます。たとえば、デジタルツインのAIは、製造業の生産ラインのデータを分析して、機械の故障を予測したり、最適な稼働スケジュールを提案することが可能です。

このように、AIはデジタルツインにおいてデータから価値を引き出すための重要な役割を果たします。

5G

デジタルツインは、物理的な対象物の状態をリアルタイムで反映することが求められます。そのためには、通信速度と遅延の最小化が欠かせません。

5Gは、センサーからのデータを遅れることなく迅速にクラウドやデジタルツインシステムに送信し、リアルタイムで仮想空間に反映します。これにより、デジタルツインの精度と即応性が大幅に向上します。

AR/VR

AR（拡張現実）とVR（仮想現実）は、デジタルツインの視覚化において重要な役割を担います。デジタルツインが提供する仮想モデルは、複雑で膨大な情報を含んでいるため、直感的に理解できる形で表現することが重要です。

ARは、現実世界にデジタル情報を重ねて表示する技術で、現場での状況確認や指示の表示に役立ちます。VRは、仮想の環境を提供し、ユーザーがデジタルツイン内で仮想的な体験をすることを可能にします。これらの技術により、デジタルツインは視覚的に操作しやすく、理解しやすくなります。

CAE（Computer Aided Engineering）

CAEは、製品設計や工程のシミュレーションを行うための技術で、デジタルツインにおいても欠かせない役割を果たします。CAEを利用することで、物理的な試験を行うことなく、仮想空間でさまざまな条件下での挙動をシミュレーションできます。

例えば、製品の耐久性や性能を仮想環境で評価することができ、これによって設計段階での無駄なコストや時間を削減できます。デジタルツインとCAEの連携により、設計から運用に至るまでのさまざまな工程で効率的な評価と改善が可能になります。

クラウドコンピューティング

デジタルツインは、多くのデータをリアルタイムで処理する必要があります。そのため、大規模なデータを迅速に処理するための強力なコンピュータ資源が求められます。

クラウドコンピューティングは、分散型のコンピュータ資源をインターネット経由で提供するサービスで、デジタルツインに必要な計算能力とストレージを提供します。

これにより、企業は自社で高性能のサーバーを保有せずとも、膨大なデータを扱い、デジタルツインの運用をスムーズに行うことができます。

デジタルツインのメリット

現実世界の設備やシステムを仮想空間に再現する新しい技術により、製造業や物流などさまざまな分野で効率化やコスト削減が可能になります。デジタルツインがもたらすメリットについて解説します。

設備保全

デジタルツインは、実際の設備や機器の状態をリアルタイムで追跡し、データを解析することで、故障やトラブルの兆候を早期に検出できます。

予知保全を実施することで急な故障を防ぐことができ、設備の稼働率が向上し、メンテナンス作業を効率化できます。予測分析を活用すれば、どのタイミングでメンテナンスを実施すべきかが分かり、無駄なダウンタイムを削減できます。

品質向上とリスク削減

デジタルツインは、製造プロセスや生産ラインの仮想モデルを使用して、品質管理の改善に役立ちます。製品の生産データや稼働データをリアルタイムでモニタリングすることで、不良品や異常の発生原因を早期に特定し、改善策を講じることができます。

さらに、シミュレーションを用いて異常が発生する前に問題を予測し、リスクを事前に回避できるため、品質の向上と共にリスク削減が実現します。

コスト削減

デジタルツインは、製品設計や生産プロセスのシミュレーションを通じて、試作やテストの回数を減らすことができます。実際に物理的なプロトタイプを作成する前に、仮想空間でさまざまなシナリオを検討できるため、時間とコストを大幅に削減できます。

これにより、開発プロセスが効率化され、試作や実験にかかる経費や時間が削減されるだけでなく、製品の最適化も迅速に進めることが可能になります。

遠隔操作・技能伝承

デジタルツインは、遠隔地から設備や機器を操作・監視することを可能にします。これにより、現場にいなくても設備の状態や操作状況を把握し、必要な調整や修正を加えることができます。

また、技能伝承においても、熟練工の知識や操作方法をデジタルツインに組み込み、後継者や新入社員に対して教育を行うことができます。シミュレーションを通じて実際の作業を体験できるため、現場での経験を積むことなく、技能の習得がスムーズに行えるようになります。

デジタルツインの活用事例

デジタルツインは、製造業、物流業、建設業などでの効率化や品質向上を実現する技術として注目されています。リアルタイムデータを活用して仮想空間で再現し、運用の最適化や予測分析を行います。この記事では、デジタルツインの具体的な活用事例を紹介します。

製造業での活用

デジタルツインは、製造業において生産プロセスの効率化と品質管理の向上に役立っています。稼働状況や品質データを継続的に監視し、問題を未然に防ぐことができるため、より高い生産性と安定した品質が求められる現代の製造業において、デジタルツインの活用が欠かせません。

生産ラインの最適化、稼働状況の可視化

ある自動車部品メーカーでは、工場内の生産ライン全体をデジタルツインで再現しています。各機器や装置にセンサーを取り付け、リアルタイムでデータを収集することによって、工場の稼働状況をデジタル上で可視化しています。

例えばライン上で発生するボトルネックを即座に検出し、最適な生産スケジュールを提案したり、設備の状態をリアルタイムで監視して、効率的なメンテナンスを行ったりしています。

これにより、生産ラインのダウンタイムを最小化し、全体の稼働率を向上させ、製造スピードを改善することができました。また、製造プロセスの最適化が進んだ結果、コスト削減にも繋がり、品質向上と生産性向上を同時に実現しています。

製品不良の予測と品質向上の実現

デジタルツインは、製品の品質管理にも活用されています。製造過程で得られる大量のデータを解析し、不良が発生する兆候を早期に検知することができます。

例えば、電子機器の製造工程で、温度や湿度、圧力などの環境データをデジタルツインでモニタリングし、これらの条件が正常範囲を外れた場合に製品不良が発生するリスクを予測します。これにより、製品の品質向上と不良品の削減が実現されました。

物流業での活用

物流業界では、輸送や倉庫管理における複雑なプロセスをリアルタイムで把握し、適切な判断をすることが求められます。デジタルツインは、物理的な倉庫や輸送経路をデジタル上で再現し、運行状況や在庫の変動をリアルタイムで追跡できます。

倉庫管理の効率化、輸送経路の最適化

通販企業では、リアルタイムで在庫データを収集し、商品の位置や数量をデジタル空間で管理することにより、倉庫内の動線や作業効率をシミュレーションしています。これにより、商品をピックアップする際のルートや作業順序を最適化し、ピッキング作業時間を短縮しました。

また、リアルタイムの交通情報や天候情報を取り入れ、最適な輸送ルートをシミュレーションしています。これにより、配送時間の短縮と輸送コストの削減が実現しました。

温度管理やトラッキングのリアルタイム監視

物流において、品質維持のためには温度や湿度の厳密な管理が欠かせません。デジタルツイン技術を導入することで、輸送プロセス全体を仮想空間上で再現し、リアルタイムで監視・管理を行う仕組みが構築されています。

輸送中の温度や湿度センサーから取得されたデータがデジタルツインに反映され、貨物の状態を常時確認することができます。異常値が検出された場合には即座にアラートが発せられ、迅速に対応することが可能です。また、これらのデータはデジタルツイン上でシミュレーションにも活用され、異常の予測や予防策の検討が進められています。

さらに、輸送車両や貨物の位置情報もデジタルツインに統合されており、運行状況の可視化が実現されています。輸送経路の最適化により、全体的な物流効率が向上しています。