デジタルツインをわかりやすく解説：基本概要と事例、導入の進め方
- 2024年9月6日
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更新日：2月5日
近年、製造業の間で話題となっている最先端の技術が「デジタルツイン」です。IoTやAI、AR、VR、MRなどの技術が急速に進歩してきたことで、デジタルツインを活用する事業が増えてきました。
しかし、何となく聞いたことはあるけれども具体的には何を指しているのか、何に使えるのかわからないという人も多いのではないでしょうか。
本記事では、デジタルツインの概要や歴史、メリットなどを詳しく解説しています。また、具体的な導入事例も紹介しているので、実際に活用した際のイメージも捉えやすいでしょう。
デジタルツインの導入はリードタイムの短縮や品質向上につながることは間違いありません。ぜひ自社のビジネスに活用してみてください。
＜目次＞
デジタルツインの基本概要｜定義や仕組みを詳しく解説
デジタルツインの定義と歴史、ビジネスにおける役割などを解説します。
また、「メタバース」と「デジタルツイン」や「シミュレーション」はよく似た内容のため、混同されがちです。そこで、それぞれの違いについても詳しく解説します。
デジタルツインの定義
デジタルツインを簡単に説明すると、実物とデジタルの双子です。総務省の定義では、以下のように記されています。
現実世界と対になる双子（ツイン）をデジタル空間上に構築し、モニタリングやシミュレーションを可能にする仕組み。 （引用元：令和3年版 情報通信白書「第1部 特集 デジタルで支える暮らしと経済｜総務省）
インターネットに接続した機器などを活用して現実空間の情報を取得し、サイバー空間内に現実空間の環境を再現すること。 （参考：「デジタルツインって何？」｜総務省「情報通信白書」）
つまり、物理空間（フィジカル空間）に存在する仕組みを、デジタルのサイバー空間（仮想空間）に再現する仕組みです。これにより物理空間のシミュレーションをリアルタイムで再現できます。
デジタルツインの歴史
デジタルツインがどのような歴史を歩んできたのかを年表形式で見ていきましょう。
1960年代：NASAで前身となる「ペアリング・テクノロジー」が開発される
1970年：アポロ13号の月面着陸ミッションの水素タンク爆発事故をシミュレーション
1991年：米イェール大学デビッド・ゲレルンター氏が出版した著書「Mirror Worlds」で「デジタルツイン」について言及される
2002年：米ミシガン大学のマイケル・グリーブスがデジタルツインの基本原則や製造業への応用について述べた
2010年：NASA主任技術者であるジョン・ビッカース氏がこの概念を「デジタルツイン」と命名
2017年：ガートナー社が「デジタルツインは戦略的テクノロジートレンドのひとつ」と位置付けた
現在多くの企業で活用されるようになったのは、2017年以降のことです。
デジタルツインの技術的な仕組み｜最新技術の組合せ
デジタルツインはさまざまな最新技術を組み合わせて構成されています。主に使用されている技術は以下の4つです。
名称 | 内容 |
|---|---|
IoT（Internet of Things） | ・あらゆるモノがインターネットと接続して通信を行う技術 ・現実空間の情報やデータを基に仮想空間を構築する |
AI（Artificial Intelligence、人工知能） | ・膨大なデータを効率的に分析し、仮想空間で再現された物理空間の高精度に分析する |
XR（AR/VR/MR） | ・AR（拡張現実）：現実世界に情報を加えて拡張する技術 ・VR（仮想現実）：仮想空間を現実世界のように見せることができる技術 ・MR（複合現実）：ARをさらに拡張し現実世界と仮想世界を重ね合わせて表示する技術 |
5G（5th Generation） | ・大容量のデータを超高速、超低遅延で送受信できる ・リアルタイムで仮想空間へのデータ反映が可能 |
上記のどれか一つの技術だけではデジタルツインが成り立ちません。すべての技術レベルが向上したことで、デジタルツインが実現できるようになったといえるでしょう。
デジタルツインでできること
デジタルツインでは、物理空間において収集したデータを活用し、サイバー空間でシミュレーションを行います。これにより高精度のシミュレーションが可能です。
さらにサイバー空間でシミュレーションした結果を、物理空間へフィードバックすることで、下記のようなさまざまな応用ができます。
現実では実行しにくい事象のシミュレーション
仮想モデルを使用したシミュレーション
オペレーションの最適化
性能の問題調査
故障予測
想定可能な改善の実施
デジタルツインはあらゆるビジネスへの展開が可能な技術です。
デジタルツインとシミュレーション3つの違い
デジタルツインとシミュレーションはよく似ているため、混同しがちです。どちらもシミュレーションを行う点においては同じですが、主に次のような3つの違いがあります。
現実空間と仮想空間の連動
リアルタイム性が高い
具体的かつ共有可能なアプローチ
一般的なシミュレーションは、特定の条件下で特定の出来事が発生した際に、どのような結果がもたらされるかを予測するためのものです。
一方、デジタルツインは、現実空間と同じ環境をデジタル上に再現し、IoTを通じてリアルタイムで取得したデータを反映させます。これにより、現状に即した高精度な予測を瞬時に得ることが可能です。
例えば、ショッピングモールの防災計画を立てる場合、一般的なシミュレーションでは、繁忙期のクリスマスシーズンに、来店客数が最も多い週末の夕方に震度8の地震が発生した際の被害予測や避難誘導モデルを作成します。
しかし、デジタルツインを使用すると、現在の施設の来店客数や各エリアの混雑状況、改修工事で使用できないルートなど、リアルタイムの情報を基にして、震度8の地震が発生した場合の最適な避難ルートを瞬時に把握し、実行することができます。
さらに、実際に地震が発生した場合も、IoTセンサーが稼働していれば、リアルタイムで情報を取得し続け、予測と実際の被害状況のズレを修正することが可能です。これにより、最適な避難ルートの誘導や、火災などの二次災害を予測し、迅速な対応で火災の未然防止が期待できます。
デジタルツインのビジネスにおける役割と必要性
物理空間と仮想空間によってリアルタイムのシミュレーションができるデジタルツインは、さまざまなビジネスの分野での応用が可能です。今後は設計からサービスまでをつなぐデジタルツインの実現が必要不可欠となるでしょう。
たとえば、工場の見える化や生産スケジュールの最適化、物流の最適化などです。シミュレーションによって、オペレーションの効率化や最適化、リードタイムの短縮が期待されます。
また、出荷後の製品においてもシミュレーションできるため、アフターサービスの充実も可能です。
ただし、デジタルツインでは膨大なデータを扱うため、効果的にデータを活用しなければなりません。デジタルツインは今後のDXにおいて、大きな役割を担うことになるでしょう。
メタバースとデジタルツインの違い
メタバースとデジタルツインはどちらも仮想空間を利用するため、よく似た概念と認識されますが、メタバースとデジタルツインは異なる概念です。
メタバースとデジタルツインの相違点を下表にまとめました。
デジタルツイン | メタバース | |
|---|---|---|
存在する空間 | 仮想空間 | 仮想空間 |
構築しているもの | 現実空間に実在するものを再現 | 現実空間に実在するかは問わない |
現状のユースケース | 都市や生産ライン、製品などで利用される | 人々のアバターを介した交流や経済活動で利用される |
最も大きな違いは、現実空間に実在するか否かです。また、主目的も異なります。メタバースは主にエンタメ業界での利用が多いのに対し、デジタルツインは製造業での導入が進んでいます。
デジタルツイン導入事例5選
デジタルツインを導入している製造業は多く、成功事例も報告されています。ここでは、厳選した以下5社の導入事例を紹介しましょう。
トヨタ自動車
日立
三菱電機
鹿島建設
コニカミノルタ
それぞれ詳しく解説します。
リードタイムを短縮したトヨタ自動車の導入事例
トヨタ自動車ではデジタルツインを導入し、さまざまな改善活動を行っています。なかでも興味深い取り組みを行っているのが、愛知県豊田市貞宝町にある貞宝（ていほう）工場です。
トヨタ自動車 貞宝工場ではデジタルツインを導入し、図面上では予期しなかった不具合や作業しづらい部分を事前に発見できるようになりました。デジタルツインを導入した結果、リードタイムを大幅に短縮できたといいます。
具体的には、生産設備を設計段階から3Dモデルで作成し、仮想空間上で作業のシミュレーションを繰り返すという方法です。
デジタルツインを導入してリードタイムを短縮した事例は、トヨタらしい「モノづくりチャレンジ」のよい例といえるでしょう。
「日立」はヒトとモノの流れを把握してリードタイムを短縮
日立 大みか事業所は、電力、上下水道、交通など、社会インフラを制御するコンピューターシステム専用の機器を生産する工場です。生産品が量産型ではないため、人が関わる作業が多く、不確実性が高い作業が多いのが特徴でした。
そこで日立 大みか事業所では、生産ラインだけでなく作業者の動態も可視化し、「ヒト」と「モノ」の動きを俯瞰できる進捗・稼働監視システムを構築し、人員配置や作業投入の適正化を可能にしました。
その結果、これまで管理者の経験に基づく判断で生じていた生産性のムラが均質化され、代表製品の生産リードタイムを約50％も短縮できたという実績があります。
「三菱電機」独自のツールで設計から立ち上げを効率化
三菱電機では独自開発の3Dシミュレータツールを活用し、設計の効率化に成功しました。
独自開発の3Dシミュレータツールは、デジタルツインの導入を可能としたMELSOFT Geminiです。ラインシミュレーションと装置シミュレーションの両方を効率的に行います。
デジタルツインの導入により機器や装置の事前検証が可能となり、3D上でメカ干渉などを事前に確認することで、工程別作業の最適化や不具合の検証が行われています。
三菱電機では人やロボット、AGV（自動搬送車）の導線シミュレーションを通じて、生産工程の最適化や潜在的な問題点の特定を行っています。
「鹿島建設」は建築の全フェーズをデジタルツインに
建設業界を牽引する鹿島建設は、業界の中でいち早くデジタルツインを導入しました。現在はプロジェクトの全フェーズにおいてBIM（Building Information Modeling）によるデジタルツインを活用しています。
モデルプロジェクトとなったのは、2020年のオービック御堂筋ビル新築工事です。建物の企画から竣工後の維持管理までのすべてをデジタルツインでシミュレーションしています。
今後は建物のライフサイクルコスト低減に向けたトータルソリューションへとつなげる予定です。
内視鏡手術のシミュレーション「コニカミノルタ」
カメラや写真フィルムメーカーとして有名なコニカミノルタは、医療分野においてデジタルツインの導入に尽力しています。
コニカミノルタが提供する「Plissimo XV」は、デジタルツインのアプリケーションで、仮想空間で内視鏡を用いた脊椎手術をシミュレーションできます。
内視鏡を用いた脊椎手術は、技術の習熟に時間を要するだけでなく患者ごとに状況が異なるため、非常に難度の高い手術です。
Plissimo XVでは、患者ごとに脊椎と内視鏡視点の画像やドリルなどの器具を仮想空間に再現できます。
デジタルツインでは装置だけでなく人体までも再現が可能になっており、今後の医療分野での導入に期待が持てます。
デジタルツイン導入の流れ
デジタルツインを導入するには、以下の手順が必要となります。
現状分析とニーズの確認
デジタルツイン導入の計画立案
パイロットプロジェクトの実施
本格導入と展開
それぞれ詳しく解説します。
ステップ1: 現状分析とニーズの確認
デジタルツインの導入に際し、最初に行わなければならないのが、目標設定と現状分析です。
現状分析は市場における商品やサービスのニーズを知り、そのうえで課題を確認する必要があります。
また、デジタルツインを導入する目標を明確にし、課題に対するゴールを設定しなければなりません。
ステップ2: デジタルツイン導入の計画立案
デジタルツイン導入の目標を設定が出来たら、実際にデジタルツインを導入する計画を立てます。
計画の立案に際し、必要な技術要件を確認しなければなりません。下記のように、具体的な技術リソースをリストアップします。
センサー
IoTデバイス
データ収集・分析のためのソフトウェア
クラウドインフラなど
また、デジタルツインの計画時にはパートナーやベンダーの選定も必要です。
ステップ3: パイロットプロジェクトの実施
導入計画が立案できたら小規模なテスト導入を実施し、フィードバックの収集と分析を行います。
本来なら実際のプロジェクトを導入したいところですが、大規模なデジタルツインの導入にはリスクが伴います。したがって、まずは小規模のパイロットプロジェクトの実施が必要です。
パイロットプロジェクトでは、特定の製造ラインや設備に限定してデジタルツインを導入します。
導入後にはシステムの動作や効果を確認しますが、その際に重要なのがフィードバックの収集と分析です。パイロットプロジェクトの結果を評価し、得られたデータや従業員からのフィードバックを基に改善点を洗い出します。
改善点を洗い出せたら、必要に応じて技術的な変更を行い、導入計画を再調整し、本格導入へと進めます。
ステップ4: 本格導入と展開
パイロットプロジェクトを終え、フィードバックができたら、全社規模でのデジタルツイン導入を開始します。
しかし、製造ライン全体や複数の施設にわたってシステムを展開した後でも、リアルタイムでのデータ収集と分析が必要です。デジタルツイン導入後はPDCAを回し、デジタルツインの継続的なモニタリングと改善を行います。
デジタルツイン導入のメリットと課題
デジタルツインを導入することにより、多くのメリットが得られますが、一方で新しい技術であるため、いくつかの課題も存在します。
そこで、ここでは具体的なメリットとデジタルツインが抱える課題をそれぞれ5つずつ紹介します。
デジタルツイン導入による5つのメリット
デジタルツインを導入することで、主に下記のような5つのメリットが得られます。
予防保全 故障予測によってダウンタイムが縮小できる 機器の効率的なメンテナンスが可能
品質保証 試作や試験を仮説空間で繰り返せる ビッグデータ解析によって製品の不具合を特定しやすくなる
コスト・リスク削減 サイバー空間での試作・試験でコストを削減できる 必要なコストや人員の試算が可能
販売効果・売上アップ サイバー空間で製品やブランドの価値をより多くの消費者に訴求できる 物理的な距離がある場合や実機の移動が困難な状況でもサイバー空間上で実機を体験することが可能
アフターフォローの充実化 適切なタイミングでサポート案内を自動で送信 きめ細やかなアフターフォローを提供
デジタルツインによって現実世界のリアルタイムな監視やシミュレーションができるため、上記に示したようにさまざまな業務の効率化が可能です。
デジタルツインが抱える5つの課題
デジタルツインは、主に以下のような5つの課題を抱えています。
導入時の費用負担が高額 システムを構築するための初期投資が必要 バーチャルセンサーやIoTの導入に費用が必要
運用時の費用が必要 システムのメンテナンス、運用自体の費用、シミュレーションのデータの収集に費用がかかる
導入と管理に高度な技術力が必要 システム改修が必要になるたびに高度な技術が求められる デジタルツインに精通した人材が必要となる
プライバシーの保護 機密情報や個人データの管理が難しく、流出リスクもある
標準化の欠如 異なるベンダーやプラットフォーム間の互換性が低い データ交換が困難である
システムを導入する際に高額な費用が必要となるばかりでなく、運用する際にも費用や高度な技術が必要です。今後、これらの課題が解決され、導入のハードルが低くなることが期待されます。
まとめ〜デジタルツインで課題解決〜
本記事では、デジタルツインの概要や歴史、具体的な導入事例を紹介し、デジタルツインのメリットと課題についても言及しました。 デジタルツインを活用すると正確なシミュレーションが可能になり、今後起こる故障の予測や製造現場での不具合予測も可能になります。また、さまざまな利用方法が考えられるので、ビジネスチャンスにもつなげられるでしょう。 さらに本記事では国内の導入事例のみを紹介しましたが、最近では国土交通省が実装モデルの整備や活用に向けた動きを見せています。この流れに乗り、デジタルツインを導入して自社の業務効率化に役立ててください。 近年は海外でもデジタルツインを導入する事業が増えています。DXやIoT、AI、XRなどのさらなる進化によって、デジタルツインが当たり前の時代がやってくるのは間違いありません。
