デジタルツインは、物理的オブジェクトを正確に反映するように設計された仮想モデルです。 研究対象となるオブジェクト (風力タービンなど) には、重要な機能分野に関連するさまざまなセンサーが搭載されています。 これらのセンサーでは、エネルギー出力、温度、気象条件など、物理的オブジェクトの特性のさまざまな側面に関するデータが生成されます。 生成されたデータは処理システムに送られ、デジタル・コピーに反映されます。
データが提供されたら、仮想モデルを使用してシミュレーションを実行したり、性能の問題を調査したり、想定されるな改善を実施したりすることができます。これらは有益な洞察を得ることを目的としており、得られた洞察は元の物理的オブジェクトに適用できます。
シミュレーションとデジタルツインは、どちらもシステムのさまざまなプロセスを再現するためにデジタル・モデルを使用しますが、デジタルツインは実際ところ仮想環境であるため、研究用として多くの事例に活用できます。 デジタルツインとシミュレーションの違いは、そのスケールの規模です。 通常、シミュレーションでは1つの特定のプロセスについて調べますが、デジタルツインでは、複数のプロセスを調べるために、有用なシミュレーションをいくつでも実行できます。
違いはそれだけではありません。 例えば、シミュレーションでは、通常、リアルタイム・データがあってもそれを活かすことができません。 一方、デジタルツインでは、双方向に情報が流れるように設計されています。最初はオブジェクトのセンサーにより、システム・プロセッサーに関連データを提供するときに情報が流れ、次にプロセッサーで作成された洞察が元のソース・オブジェクトと共有されるときに、もう一度情報が流れます。
広範な領域に関連する、より適切かつ常に更新されるデータと、仮想環境に付随する追加的な計算機能力を組み合わせて使用することで、デジタルツインでは、標準的なシミュレーションよりも多くの視点から多くの問題を分析できるため、製品やプロセスを改善する非常に大きな可能性を秘めています。
デジタルツインには、製品の倍率レベルによってさまざまなタイプがあります。 それぞれのタイプの最大の違いは、適用範囲です。 1つのシステムまたはプロセスの中に異なるタイプのデジタルツインが共存するのはよくあることです。 さまざまなタイプのデジタルツインを見ていき、それぞれの違いや適用方法について説明します。
コンポーネント・ツインは、デジタルツインの基本単位であり、機能する最も小さなコンポーネントです。 パーツ・ツインもほぼ同じですが、少し重要度の低いコンポーネントに属しています。
2つ以上のコンポーネントが連動する場合、資産と呼ばれるものが形成されます。 資産ツインでは、コンポーネント間の相互作用が分析され、豊富な特性データが作成され、それらを処理して対応可能な洞察を得ることができます。
次の倍率レベルとして、システム・ツインまたはユニット・ツインがあります。異なる資産を組み合わせて、機能するシステム全体がどのように形成されていくのかを確認できます。 システム・ツインでは、資産の相互作用を可視化したり、性能の強化を示唆する場合もあります。
マクロ・レベルの倍率であるプロセス・ツインでは、どのようにシステムが連携して生産設備全体を構築しているかが明らかになります。 これらのシステムはすべて、最大効率で運用され同期されているでしょうか。それとも、システムで1つの遅延が発生することで他のシステムにも影響が及んでしまうでしょうか。 プロセス・ツインは、最終的に全体の有効性に影響する正確なタイミング・スキームを決定する際に役立ちます。
デジタルツイン・テクノロジーの概念は、1991年にデイヴィッド・ガランター氏が出版した Mirror Worldsで初めて発表されました。 しかし、2002 年に、マイケル・グリーヴス博士 (当時ミシガン大学教員) が、デジタルツインの概念を製造業に適用し、デジタルツイン・ソフトウェアの概念として正式に発表したことで高く評価されています。 最終的には、NASAのジョン・ヴィッカーズ氏が 2010 年に「デジタルツイン」という新しい用語を発表しました。
しかし、実際のところ、デジタルツインという基本的概念は、物理的な対象を研究する手段として、ずっと以前から使用されていたのです。 実際、NASAは1960年代の宇宙探査ミッションでデジタルツイン・テクノロジーを使用した先駆者だったといっても過言ではありません。当時、飛行に使用される宇宙船は、それぞれが地上で正確に複製され、NASA の乗組員が研究やシミュレーションに使用されていました。
研究開発の向上&
デジタルツインを使用することで、パフォーマンスや結果に関してデータが豊富に作成され、より効果的な製品の研究および設計が可能になります。 企業で製品改良が必要な場合でも、生産を始める前に、データから得た洞察を活用することができます。
効率性の向上
デジタルツインは、新製品の生産が開始された後も、製造プロセス全体を通して最大効率を達成し維持するために、生産システムのミラーリングとモニタリングを行うのに役立ちます。
製品寿命終了時の対応
ライフサイクルが終了してリサイクルなどの最終処理が必要になった製品に対し、製造メーカーがどのように対処すべきかを決める際にも、デジタルツインが役立ちます。 デジタルツインを使用することで、どの製品材料を回収可能か判断できます。
デジタルツインがもたらす価値は高く評価されていますが、必ずしも、すべての製造メーカーやすべての製品に対して、デジタルツインを使用できるわけではありません。 すべてのオブジェクトが、デジタルツインで必要となる大量かつ定期的なセンサー・データの流れを必要とするほど複雑というわけではありません。 また、デジタルツインの作成には多額の資金を投入する必要があり、財務的な観点からも必ずしも有益とは限りません。 (デジタルツインは物理的オブジェクトの正確な複製であるため、作成コストが高くなる可能性があることに留意が必要です。)
一方で、多くのタイプのプロジェクトが、デジタル・モデルを使用することで明確な恩恵を受けられます。
- 大規模な物理的プロジェクト 工学技術の厳しい規制に従う必要のある建物や橋、その他の複雑な構造物。
- 複雑な機械のプロジェクト ジェットタービン、自動車、航空機。 デジタルツインは、複雑な機械や巨大なエンジンの効率性向上に役立ちます。
- 電力設備 発電と送電の両方の機構に役立ちます。
- 製造プロジェクト デジタルツインは、機械システムを連動させる産業環境など、プロセス効率の合理化に優れています。
このように、大規模な製品やプロジェクトに関わる業種は、デジタルツインを活用することにより、最も大きな恩恵を受けることができます。
- エンジニアリング (システム)
- 自動車製造
- 航空機製造
- 鉄道車両設計
- 建設
- 製造
- 電力 / ガス
デジタルツイン市場：成長が見込まれる市場
デジタルツイン市場は、急速に拡大しています。デジタルツインはすでに多くの業界で利用されているものの、しばらくの間、その需要は続くことになるでしょう。 2020年には、デジタルツイン市場の価値は 31億米ドルと評価されました。 一部の業界アナリストは、少なくとも2026年までは急速な拡大が続き、その市場価値は推定482億米ドルに達すると考えています1。
エンドツーエンドのデジタルツインを使用することで、オーナー / オペレーターは、機器のダウンタイムを短縮し、生産性を向上させることができます。 IBMとSiemens社が開発したサービス・ライフサイクル管理ソリューションをご紹介します。
デジタルツインは、すでに以下の用途に広く使用されています。
ジェットエンジン、機関車エンジン、発電タービンなどの大型エンジンは、特に定期的に必要な保守期間を設定する際に、デジタルツインを使用することで非常に大きなメリットがあります。
大型ビルや海洋掘削プラットフォームなどの大きな物理的構造物でデジタルツインを利用することで、特に設計中であっても、その案を改善することができます。 また、HVAC システムなど、構造物内で稼働するシステムの設計にも役立ちます。
デジタルツインは、製品のライフサイクル全体を反映するように作られています。デジタルツインが製造業のすべての段階に普及し、設計から完成品まで、すべての段階で製品の指針となっていることも当然だと言えるでしょう。
デジタルツインで製品の特性をとらえるのと同じように、医療サービスを受ける患者の特性をとらえることも可能です。 センサーが生成したデータを使用する同じタイプのシステムを使用して、さまざまな健康指標を追跡し、重要な洞察が得られます。
自動車は、種類が多く、複雑かつ共同で機能するシステムの代表と言えます。デジタルツインは、自動車の性能と生産にまつわる効率の両方を向上させるために活用されています。
都市計画に携わる土木技術者にとって、3D や 4D の空間データをリアルタイムで表示したり、建築済みの環境に拡張現実システムを組み込むことができるデジタルツインは、非常に有用です。
既存の運用モデルに、明らかに根本的な変化が起こっています。 資産集中型の業界では、資産、機器、施設、プロセスを物理的な視点とデジタル的な視点から総合的に把握する必要があり、それによって運用モデルにも劇的な変化が起き、デジタル・リインベンションが起こっています。 その再編成により、デジタルツインは非常に重要なものになっています。
さまざまな用途に向けて、増え続ける多くの認識力が常につぎ込まれているため、デジタルツインの未来は、ほとんど無限に広がっていると言えるでしょう。 デジタルツインは、常に新しいスキルや機能を学習しています。それはつまり、製品の改善やプロセスの効率化に必要な洞察を継続的に生み出すことが可能であるということです。
この記事では、変化が業界にどのような影響を与えるのか、デジタルツインにより資産運用がどのように変化するのかを、ご紹介しています。
資産の可用性を高め、コストを削減し、機器の障害リスクを低減することで、資産を最大限に活用します。
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この概要は、デジタルツインをすぐに理解できるように簡略にまとめられており、非常に有用です。用語の簡潔な定義、可能なユースケース、デジタルツインの価値、そして、絶えず変化する技術が次にどこに向かうかについての予測が記載されています。
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脚注
1 “デジタルツイン市場は、2026 年までに 482億米ドル規模に (リンクはibm.comのサイト外)、Markets and Markets 社、アシシ・メラ