デジタルツインは現実空間と同じ環境を再現する技術であり、これを生産ラインのモデル化に応用したものが生産ラインシミュレータです。この記事では生産ラインシミュレータについて、その概要や構築するメリット、基となっているデジタルツインの特徴などを詳しく解説します。
生産ラインシミュレータは業務最適化に効果ある?
生産ラインシミュレータは、デジタルツイン技術によって製造業における生産ラインをモデル化し、分析や改善に活用するためのシステムです。生産ラインシミュレータを用いることで現実と変わらないモデルをコンピュータ上に構築でき、仮想的な生産ライン上で製造プロセスのシミュレーションが行えます。具体的には、下記のような要素の影響をシミュレーションできます。
- 設備
- 作業者
- 物流
- 保管
- 製造プロセス
こうして再現した内容の分析や検証を通して、業務最適化につなげられます。
生産ラインシミュレータを仮想現実内に構築するメリット
生産ラインシミュレータを導入することで、生産の効率化や試作品のコスト削減、品質向上など様々なメリットが得られます。
生産の効率化につながる
生産ラインシミュレータでは、実際の生産ラインなどから収集した膨大なデータを用いて、デジタルツイン上に仮想の生産ラインを構築します。IoTなどのセンサーから取得された情報が、リアルタイムまたは一定間隔で反映されるため、仮想空間内で高精度の分析や検証が可能です。コンピュータ上でリアルにシミュレーションした生産ライン上で、人員の再配置や作業工程といった方法を検証することで、生産の効率化につなげられます。
試作品コストを削減できる
生産ラインだけでなく、製品の試作においてもデジタルツインによるシミュレーション技術が役立ちます。従来の製品開発や設計では、実際に試作品を作成し、それをもとに検証しなければならず、時間やコストがかかりました。試作品を仮想上で製作することで、設計や製品検証だけでなく生産ライン検証も仮想空間内で実施できます。それによって物理的に試作品を作成する前にある程度の問題点を洗い出せ、試作品の製造ラインや時間、コストなどを大幅に抑えられます。
データ分析による品質向上が期待できる
仮想上でのモデル構築は、センサーを使用して集めた膨大なデータをAIが分析して行うため、人が気づかない程度の微細な問題を発見することが可能です。それ以外にも複数の方法で製造プロセス、製品の不具合などを検証・確認できるため、製品の不具合が生じる要因を多角的に分析・改善できます。試作品の検証も仮想空間で何度も繰り返し実施することで、製品の品質向上が期待できます。
工場の安全対策になる
センサーによるリアルタイムでの収集・分析によって、生産ライン上の事故をはじめとするトラブルの発生も予測可能です。トラブル発生時に取得したデータはAIが分析して学習するため、将来的に同様の状況が生じた際には、事故が発生する前にトラブルの発生リスクがあると判断されます。トラブルの予測が可能になることで、事故発生リスクが高まった時点でアラートを出せるようになるなど、トラブルを未然に防ぐ安全対策につながります。
遠隔から生産ラインを確認・操作できる
ヘッドマウントディスプレイなどを使用すれば、現実の生産ラインと連動した遠隔での操作が可能です。操作した内容が仮想空間を通じて現実世界の工場にも反映されるため、その場に技術者がいなくても的確な操作を行えます。また、離れた場所にいる熟練技術者が現地の作業員に操作方法を指導するなど、協働での操作も可能です。
リアルタイム監視による予知保全が行える
デジタルツインで再現された工場によって、生産ラインはリアルタイムで監視されている状態になり、機械や設備の予知保全が実現します。AIの解析によって設備機器の部品の故障や劣化などが予測できるようになるため、機器の故障や生産ラインのダウンタイムの発生を未然に防げます。
そもそもデジタルツインとは?
デジタルツインとは、現実世界と同じ環境を仮想空間に構築し、再現する技術のことです。AIやIoTなどによって大きく変化した製造業の第4次産業革命において、重要な役割を担うことが期待されています。
デジタルツインの背景と定義
デジタルツインは、現実の生産ラインなど、各製造プロセスからIoTのセンサーで収集した膨大なデータをAIが解析し、仮想空間に構築したモデルに再現する技術です。それによって、仮想空間上での工場のリアルタイム監視やシミュレーションなどが可能になります。
デジタルツインの概念は、2002年にミシガン大学のマイケル・グリーブスが提唱しました。現実世界とそっくりな双子（ツイン）をデジタル空間に構築し、シミュレーションなどを行うことを想定したものです。総務省は、「デジタルツイン（Digital Twin）とは、現実世界から集めたデータを基にデジタルな仮想空間上に双子（ツイン）を構築し、様々なシミュレーションを行う技術である。」と定義しています。
デジタルツインと混同されやすい言葉にメタバースがあります。デジタルツインが現実を仮想空間に再現するシステムであるのに対し、メタバースは現実空間の再現に限らず、自由に構築された仮想空間内でアバターを起点に他の人とコミュニケーションを取るなど幅広い活動をするシステムです。
一般的なシミュレータとデジタルツインの違い
デジタルツインによる現実空間の再現は、一般的なシミュレーションと異なります。その違いについて、再現度・精度・双方向性・リアルタイム性の観点から解説します。
再現度
デジタルツインの最大の特徴は、ツイン（双子）の言葉通り、現実世界を正確に再現する点にあります。現実世界の膨大なデータをリアルタイムに取得して、それをもとに現実を正確に再現します。従来のシミュレータはコンピュータ上に人が構築したモデルを使用して予測・検証などを行うもので、デジタルツインに比べて再現度は高くありません。
精度
デジタルツインでは、実際のデータを分析して現実と同様の空間や精密部品、機械などを仮想空間に構築するため、精度の高いモデルの再現が可能です。対して一般的なシミュレータは、仮説ベースに構築します。現実空間をそのまま再現するアプローチではないため、デジタルツインほど精度は高くありません。
双方向性
デジタルツインのモデルは現実空間の環境を常に反映するため、仮想空間上のデータから現状を把握し、将来的に発生する事象の予測が可能です。また、予測した内容は現実世界にフィードバックできるため、双方向性が期待できます。一方、従来のシミュレータでは、現実空間とは異なる独立した仮想空間でシミュレーションを行うため、双方向性はありません。そのため、得られた予測結果をもとに現実空間へ適用する作業が必要となります。
リアルタイム性
デジタルツインでは、IoTなどのセンサーによってリアルタイムにデータを収集します。現実空間とほとんど時間差なくモデルに反映できるため、すぐに現状を把握し、改善することが可能です。対して従来のシミュレータでは、主に一定のシナリオ下でシミュレーションを行います。リアルタイムのデータを活用することはなく、想定した仮説から検証を行うため、リアルタイム性はありません。
デジタルツイン技術を用いた生産ライン構築の課題
デジタルツイン技術の活用は生産ライン構築に大きなメリットをもたらす一方で、課題もあります。その中でも重要なのが、導入や運用時にかかるコストです。デジタルツインを導入するには、リアルタイムにデータを収集するためのIoT機器や、データ分析・処理を行うためのAIシステムを導入しなければなりません。
また、膨大なデータを管理し、現実空間に近い仮想空間を常に再現するための運用コストもかかります。デジタルツイン技術を導入する際は、導入・運用にかかるコストを考慮した上で、必要な技術を備えたシステムの構築を検討することが求められます。
まとめ
生産ラインシミュレータは、実際の製造プロセスなどをコンピュータ上に構築し、精度の高いシミュレーションを行うためのシステムです。デジタルツイン技術を応用することで、現実空間と連動したリアルタイムの状況を把握でき、開発・設計の段階からコストを抑えた試作品の制作が実現します。また、データ分析を生かした製品品質の向上、工場のトラブル予測、予知保全など様々なメリットが得られます。
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