デジタルアーキテクチャレイヤー、コンポーネント、およびタイプ

デジタルツインアーキテクチャは、物理アセットをそのライブ仮想モデルに接続する、レイヤー化された技術構造体です。実世界からデータをキャプチャするセンサーと接続性、それを処理およびモデリングするシステム、およびそれを使用可能にするインターフェースです。このガイドでは、その技術アーキテクチャを具体的に説明します。

Digital Twinsを建物、建設、または建築環境でどのように使用するかをお探しの場合は、代わりにアーキテクチャ、エンジニアリング、および建設のDigital Twinsを参照してください。「デジタルツインアーアーキテクチャ」は、双方の使い方がされており、ここではシステムアーキテクチャの読み方を中心に説明します。

構造体に飛び込む前のデジタルツインの一般的な定義については、デジタルツインを参照してください。

このアーキテクチャの理解は理論的なものだけではありません。マッキンゼーが産業界の回答者を対象に実施した調査では、86%がデジタルツインが業務に応用可能であると回答し、44%がすでにデジタルツインを実装済みでした(マッキンゼー、2024年)。

デジタルツインアーキテクチャのレイヤー

デジタルアーキテクチャは、通常、スタックとして記述され、現実世界から人が操作するインターフェースフェイスまで実行されます。実装はさまざまですが、ほとんどのデジタルツインシステムには、次の6つの繰り返しレイヤーが含まれています。

1.物理レイヤー。トゥイーンされる実世界のアセット、機械、製品、環境、およびそれに添付されるセンサーとインストルメンテーション。

2.データ取得および接続レイヤー。ソースでデータをキャプチャして送信するIoTデバイス、センサー、エッジハードウェア。多くの場合、エッジでフィルタリングや前処理を行ってから、スタックのさらに上位に移動します。

3.インテグレーションレイヤー。ミドルウェアとAPIは、センサーだけでなく、MESやERPなどの既存のシステムからデータを取得し、他のアーキテクチャで使用できる一貫した形式に正規化します。

4.デジタルモデルレイヤー。仮想表現そのものです。物理アセットをミラーするジオメトリ、構造体、ロジックです。これはCADやBIMのソースデータから構築されることが多く 、 「 ツイン」の中核となるものです。

5.AnalyticsとAIレイヤー。シミュレーション、機械学習、Analyticsをデジタルモデルと受信データに対して実行し、インサイトを生成します。異常の検出、障害の予測、仮定シナリオのテストなどを行います。

6.可視化とアプリケーションレイヤー。人々が実際にツインを見て操作するインターフェース。ダッシュボード、3Dビジュアライゼーション、またはモデルとそのAnalyticsの上に構築されたアプリケーション。リアルタイムの3Dおよび変換されたCAD/BIMデータがスタック内に存在し、デジタルモデルとそのデータを、人が見て、ナビゲートし、操作できるものに変換します。

データはこのスタックをただ一方向に流れるだけではありません。静的モデルとは対照的に、デジタルツインの特徴は、Analyticsレイヤーで生成されたインサイトが物理アセットにアクションをインフォームバックできることです。一方向のフィードではなく、双方向のリンクです。

デジタルツインのキーコンポーネント

上記のレイヤの実装方法に関係なく、ほとんどのデジタルツインアーキテクチャは、同じ機能コンポーネントを共有します。

データソース。双子に供給するRawデータを生成するセンサー、IoTデバイス、既存のエンタープライズシステム。

接続性。データの生成場所から処理場所までデータを移動するネットワーキングとプロトコル(多くの場合、エッジからクラウド)。

仮想モデル。物理的なアセットの構造体、形状、動作をデジタル表現したもの。CADやBIMデータから生成されることが多い。

Analyticsとシミュレーションエンジン。モデルに対して受信データを処理し、インサイトを生成したり、シミュレーションを実行したり、機械学習を適用したりするソフトウェア。

ユーザーインターフェース。ツインの出力を人が操作するための管理画面、可視化、またはアプリケーション。

双方向データリンク。双子によって生成されたインサイトを物理アセットやそれを使用する人々に接続し、デジタルインサイトと物理アクションのループを閉じるメカニズム。

Digital Twinsの4つのタイプ

ある一般的な分類法では、双生児を技術的範囲によって分類します。

2つ目は、関連する分類法です。双子は、ビジネス・コンテキストで何を表すかによって分類されます。つまり、製品から工場、サプライ・チェーンまでの完全なチェーンにスパン製品ツイン、アセットツイン、工場ツイン、エンド・ツー・エンド・ツインです。

どちらのフレームワークも同じ根底にある概念を記述していますが、異なる角度から1つは技術的な複雑さ(処理するコンポーネント)、もう1つはビジネス範囲(製品からエンタープライズ)によって範囲が決まります。実際には、最初の分類のコンポーネントまたはアセットツインは、通常、2番目の分類の製品またはアセットツインにマップされ、システムまたはプロセスツインは、ファクトリまたはエンドツーエンドのツインにマップされます。

リファレンスアーキテクチャと標準

いくつかの名前付き参照モデルは、デジタルツインアーキテクチャの設計方法に構造体を与えます:

ISO 23247は、製造業におけるDigital Twinsフレームワークに特化した国際規格で、製造業におけるDigital Twinsの構造と構成要素の相互作用に関するリファレンスアーキテクチャを定義しています。

デジタルツインコンソーシアムは、単一ベンダーのプロプライエタリ構造体を採用するのではなく、相互運用可能なデジタルツインシステムを組織が設計できるように支援することを目的とした、ベンダーニュートラルなリファレンスアーキテクチャガイダンスを公開しています。

マイクロソフトのAzure Digital Twinsなどのプラットフォーム固有リファレンスアーキテクチャは、前述の階層型アーキテクチャの具体的な実装可能なバージョンを提供しており、そのプラットフォーム固有のサービスを中心に構築されています。これらは、中立的な標準ではなく、1つのベンダーの実装を表すものですが、実際のアーキテクチャの実用的な例として有用です。

これらを組み合わせることで、アーキテクトとエンジニアは、すべての組織が独自にリファレンスモデルを定義する必要はなく、設計上の意思決定の出発点を得ることができます。

デジタルツインとBIMとシミュレーションの比較

これらの用語は、同じ会話でよく出てくるため、それぞれが何であるかを正確に把握する価値があります。

BIM(ビルディング インフォメーション モデリング)は構造化された設計データセットであり、アーキテクチャ、エンジニアリング、建設に最も関連しています。通常は静的または半静的で、ある時点で何かがどのように設計および構築されたかを表します。

シミュレーションは、予想される動作をモデル化します。通常、想定または過去の入力を使用してスタンドアロンの演習として行われます。シミュレーションは、ライブの現実世界の状況を連続的に反映させるのではなく、仮説をテストするために行われます。

デジタルツインは、上記のアーキテクチャにより、両方とは異なります。つまり、ライブモデルであり、物理アセットから可視化までのレイヤーを通じて実世界のデータと継続的に接続されます。CADやBIMデータを出発点の形状として使用し、シミュレーションを分析ツールの1つとして使用することがよくありますが、デジタルツインを具体的に特徴付けているのは、現実世界との継続的な双方向接続です。

アーキテクチャにおけるリアルタイム3Dの位置付け

可視化およびアプリケーションレイヤーは、デジタルツインの基盤となるデータとAnalyticsを人が使用できるようになるレイヤーです。

通常、そのレイヤーに到達するには、同じ問題から始まります。デジタルモデルレイヤーは、CADまたはBIMデータ築されることが多く、リアルタイムのインタラクションよりも詳細で重く、エンジニアリングワークフロー用に構造化される傾向があります。そのデータを可視化レイヤーで使用できるようにするには、デスクトップアプリケーション、ウェブベースの管理画面、没入型環境など、さまざまな環境で応答的に実行できるリアルタイム対応の3Dモデルに変換して最適化する必要があります。

デジタルアーキテクチャにおけるUnityの役割は、特にこのレイヤーにあります。CADやBIMデータをリアルタイム3Dに変換する作業は、前述した可視化レイヤーの構築の一環です。そのレイヤーのビルド方法はこれだけではありません。プラットフォームやユースケースに応じて、他の可視化アプローチも存在します。

これらのアーキテクチャ レイヤーが特定の業界でどのように組み合わされるかについては、Digital Twins in Manufacturingをご覧ください。また、Digital Twinsの適用場所に関するより広範な調査については、Digital Twinsユースケースを各業界でご覧ください。