スマート製造システムとともに、産業環境におけるモノのインターネット（IoT）の導入が製造環境で年々増加するにつれ、企業はこれらのツールを活用し、生産性と効率を向上させるだけでなく、業務方法を強化することをますます検討するようになっています。
近年増加傾向にあるトレンドのひとつが、製造環境における物理的なオブジェクトとデジタルシステムを接続し、製品の開発方法を補強・改善するデジタルツインの利用です。Deloitteによると、デジタルツイン技術への投資は2023年までに160億ドルに拡大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、製造業での採用方法、継続的改善の推進に関連するデジタル・ツインが企業にもたらすメリットについてご紹介します。
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、あるいは生産工程全体をダイナミックに仮想的に表現したモデルです。物理的なアイテムそのもの、アイテムの仮想的な表現、物理的なオブジェクトと仮想的なオブジェクトの間でデータの受け渡しを可能にする接続機能で構成されます。
インタラクティブでダイナミックな機能を持つデジタルツインは、単純なデジタルの設計図にとどまらず、実世界で物体がどのように存在し、どのように機能するかのすべての要素とダイナミクスを含んでいます。
これによって人間は、物理的な世界からのリアルタイムのデータを活用しながら、さまざまな条件や状況下で物理的な物体がどのように反応するかを、バーチャルな環境で見ることができます。
データを収集するために、デジタルツインは仮想現実と拡張現実を組み合わせてオブジェクトを視覚化し、IoT デバイスとセンサーを使用して物理環境が存在する環境からデータを収集します。これにより、デジタルツインは、工場フロアの任意の時点におけるオブジェクトまたはプロセスを正確に描写します。
このような特徴から、製造現場で使用されるデジタルツインは、1つの重要な部品や機械全体に適用することができます。さらに拡大した用途では、生産ライン全体や生産オペレーション全体をマッピングし、監視するために使用することもできます。
デジタル・ツインの歴史
デジタル・ツインという概念が最初に紹介されたのは、1991年にデビッド・ゲラーンターが著した『ミラー・ワールド』という本です。その中で彼は、「ミラー・ワールド」をハイテク・ブードゥー人形、つまりデスクトップ・コンピューターを使って操作し、相互作用することができる大規模な物理的環境（学校、病院、都市）のデジタル表現として説明しています。
ゲラーンターの著作は、遠い未来に起こりうることを予測した推測的なものでしたが、技術者たちがこのコンセプトを現実的な方法で適用し始めるのに時間はかかりませんでした。例えば、2002年、マイケル・グリーヴス博士は、デジタル・ツインの全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、この技術を製造業に実用的に適用する方法を見つけ始めました。
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『Technology Area 12: Materials, Structures, Mechanical Systems and Manufacturing Road Map』で発表した造語です。 技術領域12：材料、構造、機械システム、製造ロードマップ.それ以来、デジタル・ツインは数え切れないほどさまざまな産業に応用され、人間がシームレスなデジタル媒体を使って物理的な製品や環境と相互作用できるようになりました。
デジタルツインの例
デジタルツインの概念を説明する最も一般的な例のひとつが風力タービンです。風力タービンは、陸上でも海上でも、さまざまな気候、温度、気象条件など、さまざまな環境で使用することができます。
このことは、風車が置かれる物理的環境に大きなばらつきがあるため、ある風車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会社にとって大きな課題となります。
エネルギー会社は、タービンが置かれた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、デジタル・ツインの構築を検討するかもしれません。これにより、物理的なタービンに設置されたセンサーからリアルタイムでデータを収集し、そのデータをタービンのデジタル・レプリカに送り込み、さまざまな人工知能モデルを実行して、タービンがさらされる可能性のあるさまざまな条件をテストすることができます。
これにより、一定期間におけるタービンの機能と出力をより正確に予測することができます。
この同じコンセプトは、あらゆる物理的な製品に適用することができ、製造業者は、製品がさらされる可能性のあるさまざまな環境や条件下で、製品がどのように機能するかをより正確に予測することができます。
製造現場におけるデジタル・ツインの活用方法
製造業には、その生産プロセスに特有の多様な要件やシステムがあります。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適用することができ、その結果、その製造事業体固有のさまざまな結果を得ることができます。
ここでは、製造業がデジタル・ツイン技術を活用して業務を改善する方法をいくつか紹介します。
プロトタイプのテストと評価革新的な製造技術を使用する企業は、物理的なプロトタイプよりもデジタル・ツインを選択します。デジタルツインの方が、変更や修正が容易に行えるため、製品の設計や改良が効率的に行えます。また、他のシステムとの統合により、テストと評価のプロセスが正しく正確なデータに根ざしていることが保証されます。
生産システム設計の改善デジタルツインのアプリケーションは、製品単体だけではありません。その代わりに、生産システム全体も含まれます。
メーカーはデジタルツインを使用して、提案された生産ラインシステムやレイアウトを分析し、設置開始前に主要な担当者がより洞察力のあるイメージを得ることができます。例えば、メーカーはデジタルツインから抽出したデータを使用して生産ラインシミュレーションを実行し、システムの潜在的なねじれを特定して修正することができます。
さらに、製造業者はデジタル・システムを利用して、サプライ・チェーンやデリバリー・チェーンなど、工場外のプロセスの概要を最適化しています。
設備の監視と予防保全：この技術は、工場フロアの設備に広く適用されています。機械のデジタル・ツインは、正確なリアルタイムの仮想等価物を提供し、メンテナンス担当者に機器の健全性と性能の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と機械学習機能により、デジタルツインは差し迫った不具合を指摘することができ、メーカーは不具合に先手を打つことができます。
メンテナンス担当者は、拡張現実ゴーグルを使用して、床に置かれた実際の機械の上に置か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、技術者が作業の基礎とすることができる正確な形状と仕様が提供されます。
製造業におけるデジタルツインのメリット
第4次産業革命が推進される中、スマート工場は生産業務をより収益性の高いものにするため、さらに多くのテクノロジーを導入しています。デジタル・ツイン・テクノロジーは、そのような製造企業に多くのメリットをもたらすアプローチのひとつです。
これらの利点には以下が含まれます：
生産効率の向上：デジタルツインで実行される生産ラインシミュレーションにより、オペレーションで発生する可能性のあるボトルネックが特定され、メーカーは生産性と生産効率を向上させるためにシステムを最適化することができます。
設備全体の有効性の向上メーカー各社は、資産のライフサイクル管理にデジタル・ツインを使用しています。常時リアルタイムの監視アプローチにより、予知保全が容易になり、機器の故障を未然に防ぐことができます。
製品品質の向上：デジタルツインは、製品設計やプロトタイピングにおいて重要な役割を果たします。このテクノロジーは、製造業者が顧客のために理想的な製品を作り、品質管理の実践を改善することを可能にする詳細な洞察を提供します。
より効率的な物流管理デジタル・ツインを使用してオペレーション全体を計画・監視することで、企業の包括的な生産プロセスに対する有益な洞察が得られます。これにより、メーカーはサプライチェーンとデリバリーチェーンをより効率的に管理することができます。
全体的な事業収益性の改善これらのメリットは、製造業の収益性改善に集約されます。同社は、修理や改造作業に費やす費用を削減し、また、より良い製品と注文処理で顧客を満足させます。
デジタル・ツインの作り方
デジタルツインのコンセプトは難しく複雑に見えますが、この技術はさまざまなユースケースに適用でき、メーカーにとって実に大きなメリットがあります。また、この技術は最近になって業界全体で広く採用されるようになったばかりですが、2025年までにデジタルツイン機能が IoT プラットフォームの約88％で標準機能になると予測されています。
デジタル・ツイン技術が普及するにつれて、企業はデジタル・ツインの構築方法を理解し、業務をサポートすることが重要になります。ここでは、業界の専門家による推奨事項をご紹介します：
プロジェクトの目的と範囲を明確に定義する - デジタル・ツインで何を映し出すつもりですか？そのテクノロジーは現在のビジネスにどのような影響を与えますか？どのようなテクノロジーを導入するにしても、その目的を理解し、主要なステークホルダーと期待することを明確にコミュニケーションすることは、大規模なプロジェクトにおいて重要なプラクティスです。
プロジェクトに必要なツールを理解する - デジタルツインを構築するには、対話可能な正確なリアルタイムモデルを作成するために、さまざまなソフトウェアとハードウェアが必要です。機器にはIoT デバイス、センサー、モニターが含まれ、ソフトウェアにはモデルを設計する3D CADソリューションや実際のツイン自体を表示するIoT プラットフォームが含まれます。デジタルツインの実際の用途を理解することで、プロジェクトを完了するために必要なさまざまな機器やソリューションを知ることができます。
その方法は以下の通りです：
コンピュータ支援設計（CAD）デジタルソリューションを使用して、他の製造オペレーションデジタルツールに接続可能なバーチャル3Dツインレプリカを作成します。
デジタル・マニュファクチャリング・ツールは、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引き出し、リアルタイムでデジタル・ツイン・ソフトウェアに入力します。
ゲームエンジンとして知られるこのソフトウェアは、データをレンダリングし、高度な物理学を適用して、IoT 入力をリアルタイムで反映する理解しやすいデジタルツインを提供します。
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必要です。これにより、すべてのデジタルツインの変更が同期され、クリアされた担当者が同じ最新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、製造業は常に、業務の継続的改善を推進する新たな機会を模索しています。
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