デジタルツイン

シーメンスのシミュレーション
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デジタルツイン

常時最適化の誕生

今日の複雑性に富む製品やプロセスの多くは、リアル世界で実際に製造される前に、バーチャル世界で設計、テスト、調整を実施しています。 製品モデルの調整にはこれから製造する製品のソフトウェアモデルの生成とシミュレーションが必要であり、その結果「デジタルツイン」の作成へとつながります。

最先端の製造施設は、今や物理的な世界だけに存在しているのではありません。 施設を機能させるために必須のものはすべて-フライス盤や、組み立てライン用ロボット、自動化された倉庫、あるいはエアコンや照明システムなどでも、最新の情報を生成し続け、現場のコンピューターやサーバーに信号を送り、 これにより、コントロールパネルの前にいるオペレーターが施設内の現況を把握するのに役立つばかりか、 この情報を生産性向上や安全確保、新たな要件の適応にも使われるのです。 現在、この一貫した最適化プロセスを唯一無二の方法で実施するツールは1つしかありません。それが「デジタルツイン」なのです。

デジタルツインとは製品、機械、プロセス、あるいは製造施設全体のバーチャルツイン(双子)のことであり、 コピー元であるリアル世界に関連したすべてのデータとシミュレーションモデルがその中に含まれています。 デジタルツインにより、製品の着想、シミュレーション、生産のスピードアップが可能になるだけでなく、コスト効率やパフォーマンス、堅牢性、環境互換性の向上を視野に入れた製品の設計も実現します。 さらに製品のバーチャルツインは、設計から製造、オペレーション、サービスサポート、リサイクルに至るバリューチェーン全体を通してどの場面でもデジタルな影のように製品に付き添う役割も果たし、 シームレスかつ理想的に3つのP、すなわち製品(Product)、製造(Production)、パフォーマンス(Performance)を連携させます。

開発の最適化

最大の効率を着工式の前に実現

デジタルツインによって、より優れた製品の開発がより短い時間で可能となります。これは、シミュレーション技術が、試作品製造のかなり前の段階で、設計だけでなくテストも加速させるためです。 また、バーチャルツインを活用することで、開発者は、物理モデルを使用した場合よりも多くのコンフィギュレーションを試して比較することができます。そのため、設計の効率も大幅にアップします。

デジタルツインなら例えば、新設のビルのエネルギー効率を上げることが可能です。 建物のあらゆる要素の形状データすべての可視化に加え、スケジュールや予算、建物のエネルギー供給、照明、防火、オペレーションに関連したデータを含めることもできます。 その結果、建物へ将来気候が与える影響の最適化も着工前に難なく実行できるのです。

さらに、デジタルツインは建物を始めとしたあらゆる製品に関わるデータを稼働寿命終了まで収集し続けることができ、 物理的にかかる力や故障部品、あるいは対象物(フライス盤、航空機、建物などあらゆる物)の利用状況などの情報が収集されるデータとして考えられます。 このような情報はオペレーション時の最適化に役立つだけでなく、設計者、建築家、エンジニアなどが次世代製品の準備を進める際の一助となります。 「本開発の目的は、製品開発・製造計画のバーチャル世界と、製造システムや製品そのもののリアル世界でのパフォーマンスを連携させるクローズド・サイクルです」と、Siemens Corporate Technologyのデジタルツインとシミュレーションの担当部門リーダーDirk Hartmannは述べています。

インタビュー

デジタルツイン:物理ベースのモデルが推進

Karen Willcox氏は航空宇宙産業を専門とするトップレベルの研究者であり、シミュレーションに基づくエンジニアリングの専門家でもあります。 単純化シミュレーションモデルに関するWillcox氏の研究により、航空機のような複雑なシステムの開発と設計にかかる時間短縮が可能となりました。

デジタルツインのコンセプトはなぜ今、注目を浴びているのでしょうか。

 

Willcox: 強力なアルゴリズムと組み合わさった現在の非常に強力なコンピューティングパワーにより、デジタルツインの構築と利用が可能になっています 機械学習のおかげで、航空機のような複雑なシステムから収集される膨大な量のデータにおいて有意義なパターンを識別することができますが、デジタルツインを予測もできて利用価値の高いものとするには物理学ベースのモデルも必要です。 もう一つのイノベーション技術として、データを効率的に収集・分析し、デジタルツインに取り入れる新しいハードウェアアーキテクチャーが挙げられます。 その一例がニューロモーフィックチップです。軽量かつエネルギー効率が良いため、稼働中のシステム自体にオンボードで取付けてデータ分析を実施するのに適していると考えられています。

 

正しい結果を得るためには、シミュレーションで実際のプロセスをミラーリングする必要があるのでしょうか。 それとも、単に正しい結果を予測するだけで十分なのでしょうか。

 

Willcox:ブラックボックスモデルは、有効に機能するなら大丈夫ですが、問題はそれが本当にちゃんと機能しているのかがわからないことです。 重要なのは、そのモデルを信頼できるか否かであり、何が起きているのかを理解できれば信頼度は増します。 だからこそ、物理学ベースのモデルが不可欠なのです。

 

この分野において、シーメンスはどのような役割を果たしていますか。

 

Willcox: ワークショップや会議でシーメンスの専門担当者とお会いして意見交換する機会がありましたが、 シーメンスはモデリング技術の進歩に欠かせない存在であり、リアルシステムに対するデジタルツインの開発と実装を牽引しています。

デジタルツインは日々の暮らしの一部となっていくでしょうか。

 

Willcox: コンピューターモデリングとデジタルツインはますます重要になっており、 システムのパフォーマンス改善や寿命延長、またコスト削減に役立っています。 現在は高価で複雑な機械向けの利用が主ですが、 将来的にはデジタルツインの利用が日々の生活に溶け込み、例えば自宅のエネルギーマネジメントの最適化に使われるかもしれません。 また、産業におけるデジタルツインの活用も更に広がると考えています。 ただし、そのためには、エンジニアリングに関する研修カリキュラムを変えていく必要があります。 次世代のエンジニアや技術者には、新たな機器を使う力を身につけるだけでなく、そこに秘められた潜在力や制限を把握することも必要です。

シーメンス – テクノロジーリーダー

Industrie 4.0の先駆者

もちろん、シーメンスは自社製品にもデジタルツインを活用しており、ガスタービンの設計、ドイツ・アンベルクの電子機器製造工場を始めとする工場施設、スイス・ツークの Siemens Building Technologies本社社屋などのビル建築など、活用例は様々です。

デジタルツイン技術の主要ユーザーの1つが、シーメンスの事業会社デジタルインダストリーズ(DI)です。 DIの技術が、カナダのスタートアップ企業Electra Meccanica社が新たに開発した電気自動車「Solo」の製造に貢献しました。 先日、北米市場で販売を開始した「Solo」の設計、シミュレーション、製造を、シーメンスのデジタルツインソフトウェアがサポート致しました。 デジタルツインを用いることでElectra Meccanica社は、機械、電気、ソフトウェア、システムパフォーマンスなど、自動車のあらゆる要素の試験および最適化を実際に製造する以前に実行することができました。 Electra Meccanicaだけでなく 例えば、アメリカ・カリフォルニアの企業Hackrod社のレーシングカー試作車の近未来軽量形状シャシーにも、シーメンスのデジタルツインが用いられています。

しかし、バーチャルツインは製品だけではなく、工場やプロセス全体も対象としています。 例えば、ドイツにある製薬業界向け自動梱包・充填システムメーカーBausch + Ströbel社では、特殊な機械においては全面的にデジタルツインを活用しています。 シーメンスのソフトウェアを用いて開発されたデジタルツインによりシミュレーションが可能なため、継続的に改善が実行できます。 Bausch + Ströbel社では、2020年までにシステム開発スピードを劇的に加速できると見込んでいます。

こうした例は全て 産業プロセスのデジタルトランスフォーメーションであるIndustrie 4.0へとつながります。Industrie 4.0は、シーメンスのアンベルク電子機器製造工場で既に実践されています。 毎日、工場のセンサーがSIMATICコントローラーの製造から何百万という大量のプロセス情報を収集します。 収集された情報は 工場のオープンIoTオペレーティングシステムMindSphereによって、工場のデジタルモデルに割り当てられ、進行中のプロセス最適化に活用されます。 その結果、製造プロセス精度が極めて高くなり、不良品も実質的にゼロに抑えることが可能になりました。

高い成長率

拡大する市場

IT分析および市場調査会社のGartner社は、主要事業会社全体の半数が2021年までにデジタルツインを利用するようになると予測しており、 それに応じる形で成長率予測も高い数値となっています。 実際、Grand View Research社のアナリストが実施した市場調査では、デジタルツインの市場は2025年までに260億ドルに達すると見込まれており、これは、年率換算では38%前後の成長率となります。

この成長は大半がモノのインターネット(IoT)実装の増加、インテリジェントなデータ分析、産業プロセスの最適化によって推進されるとされていますが、いずれもシーメンスが重要な役割を果たしているグローバルな技術分野です。 さらにシーメンスは、製造業やヘルスケア、輸送、エネルギー、インフラストラクチャーなど、デジタルツインテクノロジーの成功が見込まれる分野の多くで大きな存在感を示しています。 「私たちが志しているのは、このトレンドから利益を得ることだけでなく、トレンドの具現化に中心となって貢献することです。 だからこそシーメンスは、シミュレーションデジタルツインをコアテクノロジーとすることを宣言したのです。この分野においてシーメンスは先駆者企業を目指します」と、この取り組みの責任者を務めるシーメンス デジタルインダストリーズの技術担当リーダーであるHerman Van der Auweraerは述べています。

今後の見通し

デジタルツインと共に提供

製品や工場、システム全体の開発において、デジタルツインを導入する動きが増加しています。 実際、その流れの中で、デジタルツインが今後、セキュリティや環境の基準として認証されることが期待されています。 近い将来、製品はデジタルツインと共に提供されることになるでしょう。 それによりユーザーは、例えば電動モーターや建物設計、工場の製造プロセスに対する改訂・調整がエネルギー利用や効率性にどう影響するのかをテストまた予測できるようになります。 事前に技術知識がなくても 難解な質問に対して判り易いシンプルな回答を得ることができる。それを可能にするデジタルツインは、いずれは私たちの日常になくてはならない存在となるかもしれません。

シーメンスにおけるデジタルツイン

写真提供: 上から:6と7:Oden Institute for Computational Engineering and sciences、8: Hackrod