デジタルツイン：デジタルツインとは何か、何のためにあるのか、デジタルツインの利点と問題点とは？

NASAのエンジニアは、何千キロも離れた宇宙船のどの要素も制御できること、他の温度や重力の力が加わったときにどのような挙動を示すかをどうやって確認するのでしょうか。デジタルツインの作成

デジタルツインとは？

デジタルツインは、ジェットエンジンや風力発電所、ビルや都市全体など、物理的な物体、プロセス、サービスをデジタルで表現したものです。この仮想レプリカは、実際のオブジェクトに変更を加えて実装する前にシミュレーションを実行し、どのように機能するかを予測するためのデータを収集するために使用されます。

物理的な物体には多くのセンサーが搭載され、そのリアルタイムの状態や動作状況、位置などのデータが収集されることが多い。これらのデータはすべて、デジタルモデルを再現するために分析・処理されなければならない。

生成の仕組み

デジタルツインは、実世界のデータを使って、製品やプロセスがどのように機能するかを予測できるシミュレーションを再現するコンピュータープログラムで作成されます。物理的な対象物の故障を防止したり、高度な解析・監視・予測機能を実現するために使用されます。

デジタルツインを作成する責任者は、応用数学やデータサイエンスの専門家であることが多い。対象物の物理・動作データを解析し、オリジナルをシミュレートする数理モデルを開発するのです。

このデジタルツインを作成する際には、実世界のデータを収集するセンサーからのフィードバックを仮想モデルが受けられるようにする必要がある。これにより、デジタル版はオリジナル版で起こっていることをリアルタイムで模倣し、シミュレートすることができます。

この技術チュートリアルでは、自動車のデジタルツインを作成する方法を紹介します。

作成に必要なもの

デジタルツインを作るには、対象物やその周りのものなど、多くのデータを収集する必要があります。この情報をもとに、物理オブジェクトの動作や状態を表現する計算モデルを作成することができる。

このデータは、製品のライフサイクル、設計仕様、生産工程、エンジニアリング情報、生産情報（材料、部品、方法、品質管理などを含む）に関連するものでしょうか。

デジタルツインは、必要なだけ複雑にすることも、シンプルにすることもできます。また、収集したデータの量によって、デジタルモデルが物理的なバージョンをどれだけ正確にシミュレートできるかが決まります。

何に使うのですか？

すべてのデータを収集した後、そのデータを使って解析モデルを作成し、起こりうる変化に対するその物体の影響や挙動を予測する。

これらのシミュレーションは、工学、物理学、化学、統計学、機械学習、人工知能、ビジネスロジックや目的などを考慮して生成されます。これらのモデルは、3DレンダリングやAR（拡張現実）モデリングによって表示され、人間の理解を助けることができる。

デジタルツインの開発・作成は、大まかに言って、以下の3つの課題に利用されます。

• デジタルツインプロトタイピング（DTP）：最終的な物理的製品を作る前に、実際にどのような外観や動作になるかを確認するためのデジタルなものを作成すること。 

• デジタルツインインスタンス（DTI）：製品が生産されると、デジタルツインを使用して、実際の製品ではなく仮想の製品でさまざまな使用シナリオをテストすることができます。

• デジタルツインアグリゲート（DTA）：前件の情報を収集し、製品の能力を判断し、予測を実行し、運用パラメータをテストする。

これら3つの典型的なユースケースを通じて、企業は可変データに基づいてさまざまな結果を予測し、物理的に配置される前に、モノがどこに行くべきか、どのように機能するかを決定するのに役立ちます。

どのようなメリットがあるのか

デジタルツインはシミュレーションモデルを作成し、実際の物理モデルと並行して、または代わりに更新することができます。これにより、企業は設計から実装、そして廃棄に至るまで、完全にコンピュータ化された開発サイクルを評価することができます。

デジタルツインは、物理的な資産、フレームワーク、操作を模倣して継続的にデータを生成することで、ダウンタイムの予測、状況の変化への対応、設計改善のテストなど、さまざまなことを可能にします。

デジタルツインは、設計、実装、モニタリング、改善のいずれにおいても、製品やプロセスをテストする必要がある場合はいつでも、時間とコストを節約するために使用することができます。

もちろん、こうしたデジタルツインのメリットはケースバイケースですが、大規模なインフラでは、既存製品のモニタリングや分析が可能になります。そうすることで、メンテナンスや関連コストの削減、故障の予知が可能になります。

製造前のプロトタイピングにデジタルツインを使用すると、製品の不良を減らすことができ、製品計画や納期、製品品質を向上させることができます。

どのような産業で使われているのか？

デジタルツインは、すでに様々な業界で、用途や目的に応じて活用されています。例えば、工場では、生産工程の合理化やミスの低減のために使用されます。

医療分野では、臓器提供、外科手術のトレーニング、病院内の人の流れのモデル化、感染症の発生場所や接触によるリスクの追跡などの分野でデジタルツインの恩恵を受けています。

物流分野では、コンテナ船の管理、貨物のモニタリング、大規模な物流システムの設計など、さまざまな用途にデジタルツインを活用することができます。例えば、個々のコンテナに搭載されたIoTセンサーは、コンテナの位置を表示し、輸送中に発生する破損や汚染などを監視することができます。このデータはコンテナネットワークのデジタルツインに流れ、機械学習を利用して、コンテナが可能な限り効率的に実施されるように必要な改善を行います。

例えば、DHLはこの技術を採用している企業の一つです。

どんな問題があるのか

デジタルツインの構築は複雑です。さらに、そのための標準化されたプラットフォームもなく、デジタルツインを構築し実装するために必要な技術も完全に明確ではありません。

デジタルツインの商業的な提案は、いくつかの大企業からなされています。例えば、ジェットエンジンの製造工程でデジタルツイン技術を社内開発したGEは、そのノウハウを他社に提供していますし、同じく製造業に大きく関わる巨大企業であるシーメンスもそうです。

しかし、IBMやマイクロソフトなどのテクノロジー企業も、デジタルツインの提案を商業化しています。

デジタルカフスを発明した人

デジタルツインの概念は、David Gelernter氏の著書「Mirror Worlds」によるとされているが、これを製造業の概念に応用したのは、2002年にフロリダ工科大学のMichael Grieves氏であった。

しかし、2010年に初めてデジタルツインのコンセプトを採用したのはNASAで、システムの近くにいないときに保守・修理をするためでした。このアイデアは、宇宙カプセルや宇宙船のデジタルシミュレーションを作成し、テストに利用されました。現在、NASAではデジタルツインを利用して、新たな提言やロードマップ、次世代車両や航空機の開発などを行っています。