デジタルツイン、CAD、シミュレーションソフトの違い：どの問いにどれが答えるか

CADが得意なこと、そしてその限界

CADは寸法、配置、設計の詳細についての拠り所であり、据付チーム、安全担当者、サプライヤーはこれをもとに作業します。デジタルツインがCADに取って代わることはありません。

CADは、時間が関わるところで限界を迎えます。説明のための例では、レイアウト図にフォークリフト通路の幅が3.5メートルと示されています。しかし、その通路で2台のフォークリフトが1シフトに40回すれ違い、互いを待っていることは示されません。バッファラックがどこにあるかは示されますが、午前10時までにそのラックが満杯になるかどうかについては何も示されません。CAD上では正しいレイアウトでも、実際のサイクルタイム、停止、段取り替えを伴って部品、人、車両が動き始めると、期待した性能が出ないことがあります。

多くの工場は、この隙間を平均サイクルタイムと平均搬送時間のスプレッドシートで埋めていますが、平均値はコストを生む影響を隠してしまいます。遅いサイクルが2回続いたときにできる待ち行列や、平均すれば空いているのに、必要なその瞬間には塞がっているフォークリフトです。

シミュレーションソフトが加えるもの

シミュレーションソフト（通常は離散事象シミュレーション）は、フローを時間軸で動かします。すべての部品、作業者、車両が、ばらつくサイクルタイム、設備の停止、次に何が起きるかを決めるルールとともに、現場と同じようにモデルの中を動きます。得られるのは、シフトあたりの生産量、待ち時間、稼働率、各バッファの待ち行列の長さです。

これは「正しく見える」から「正しく動く」への一歩であり、その多くをばらつきが左右します。決定論的モデルは固定の時間を使い、一つの答えを出します。確率的モデルは過去の実績に基づく幅を使い、結果の分布を出します。そのため、平均的な日に加えて、条件の悪い日にレイアウトがどう機能するかも見えます。

シミュレーション検討は一度きりで終わることがよくあります。コンサルタントやエンジニアがモデルを作り、一つの問いに答え、そのモデルには誰も二度と手を付けません。一つの意思決定のためなら、それで問題ありません。

シミュレーションモデルがデジタルツインになる条件

シミュレーションモデルは、次の3つが成り立つときにデジタルツインになります。

1. 特定の一つの工場を表している：既存でも計画中でもよく、実際のレイアウト、工程手順、リソース、製品構成を備えている。
2. 現場で実際に変更が行われたときに、ベースモデルが更新される：新しい設備、新しいシフト、新製品など。意思決定の検証は案の上で行うため、ベースモデルはそのまま残る。
3. 再利用されている：次の意思決定のたびにゼロから作り直すのではなく、同じモデルを使う。

製造業のデジタルツインに関するISO規格ISO 23247は、デジタルツインを、製造において物理的な存在または運用を持つものの「目的に適合したデジタル表現」であり、「要素とそのデジタル表現との間で同期がとられている」ものと定義しています。同期は最初は手作業でかまいません。現場で変更があるたびに、モデルの責任者が新しいデータや計測値をもとにベースモデルを更新します。設備のリアルタイムデータ（たとえばDBR77 IIoT）は後の段階です。モデルを定常的に使うようになり、工場の動きに追従させたくなったときに取り入れます。最初の有益な結果はそれに左右されません。デジタルツインに何が含まれるかは、製造業のデジタルツインとは何かで解説しています。

実際のプロジェクトで3つはどう連携するか

ポーランド南部の自動車用ランプメーカー（従業員270人、2シフト）は、新しい生産棟を増設しました。設備を新棟に移し、生産を止めずに生産能力を拡大する必要がありました。この工場では射出成形、塗装、電気めっき、組立、ラベル貼付、品質検査、梱包を行っているため、一つの移設が複数のフローに同時に影響しました。

DBR77は新しいエリアを含むデジタルツインを構築し、各作業のマテリアルフローと加工時間を組み込みました。チームは工程のアニメーションを使って移設案を検証し、移設の順序を決めました。それぞれのツールが何を担ったかは、次の3つの発見から分かります。

• 最終的な設備レイアウトは、当初の想定とは異なるものになりました。最初のレイアウトは図面としては妥当で、実際にフローを動かしてみると、より良い配置が見つかりました。
• 延びた搬送ルートが、生産ロスの主な原因でした。図面はルートの長さを示し、シミュレーションはそのルートがどれだけの生産量を失わせるかを示しました。
• 最適な移設順序では、一部の工程を並行して稼働させることができました。順序は時間の問題であり、図面には時間軸がありません。

経営陣は最終設計をVRで確認し、移管する工程の順序をより早く決めることができました。CAD、シミュレーション、3Dは、それぞれ仕事の異なる部分を担いました。

典型的なレイアウトプロジェクトでは、CADが建屋と最初のレイアウト案を用意します。デジタルツインはCADレイアウトをベースとして使い、その上に設備や作業ステーションの3Dモデルを配置し、工程手順、サイクルタイム、搬送、受注構成を加えて、複数の案を同じ指標で比較します。その後CADが選ばれた案を据付用に詳細化し、稼働開始後はベースモデルを工場の実態に合わせて更新して、次の意思決定に備えます。案を体系的に比較する方法は、レイアウト案を勘に頼らず比較する方法をご覧ください。

今必要なのはどれか

目の前の問いから考えてください。

• 問いが収まり、離隔、据付に関するものなら、CADで十分です。
• 生産量、待ち、車両に関するもので、一度きりなら、シミュレーション検討で答えられます。
• 同じ工場がこうした問いに年に何度も直面するなら（今年はレイアウト変更、来年はロボット、その後は新製品）、デジタルツインを構築し、維持してください。

2D CADと動的なデジタルツインの比較をまとめた資料は、その会議で配る1ページの資料として使えます。

よくある質問

デジタルツインはCADの代わりになりますか。

いいえ。形状、据付、安全についての記録は引き続きCADです。デジタルツインはCADのレイアウトをモデルのベースとして使い、CADにない、時間の経過に伴う振る舞いを加えます。

アニメーション付きの3Dモデルはシミュレーションですか。

必ずしもそうではありません。アニメーションは決められた筋書きどおりに動くこともあります。シミュレーションは、サイクルタイム、停止、ルール、需要に基づいて何が起きるかを計算するため、入力を変えれば結果も変わります。

シミュレーションソフトとデジタルツインの違いは何ですか。

シミュレーションソフトはエンジンです。デジタルツインは特定の一つの工場のシミュレーションモデルです。意思決定はそのコピー上で複数の案として検証し、ベースモデルは工場が変わったときに更新するため、多くの意思決定に繰り返し使えます。

まずシミュレーション検討から始めて、後からデジタルツインにすることはできますか。

はい。最初のモデルが自社工場の実データで構築され、検討の後も誰かがそのモデルを管理するのであれば可能です。この管理責任の問題が、モデルが使われ続けるか、フォルダの中で眠ったままになるかを決めます。

まとめ

次の承認の前に、目の前の意思決定に一つ問いかけてください。その答えは時間、待ち、ばらつきに左右されるか。左右されるなら、CAD図面では決着がつかず、少なくともシミュレーション検討が必要です。同じ工場について来年も似た問いが出てくると見込むなら、今のうちにモデルの責任者を決めておけば、その検討をデジタルツインへと育てられます。

出典

• ISO, ISO 23247-1:2021 Digital twin framework for manufacturing, Part 1: Overview and general principles
• McKinsey & Company, What is digital-twin technology?
• DBR77, 事例：工場拡張計画（本サイトの事例ページ）
• DBR77 Digital Twin, 2D CADと3Dデジタルツインの比較
• DBR77 Digital Twin, 決定論的シミュレーションと確率的シミュレーションの比較