建築業界において、デジタルツインという技術が導入されてきました。デジタルツインとは、現実で得た情報をデジタル上で構築し、解析や分析などを行う技術です。デジタルツインとは何か、建築においてのメリットなどを解説します。
デジタルツインとは？
デジタルツインとは、現実で得た情報をデジタル上で構築し、解析や分析などを行う技術です。現実の情報とは、製品の状態、設備、人員、機械の状態など様々です。デジタル上に、リアル情報の双子を表現するという意味で、デジタルツインと呼ばれています。
リアルタイム性が高いのが特徴であり、発生した後にコンピューターを操作するのではなく、常にデータを収集している状態です。トラブルが起きても収集したデータを見れば瞬時に原因がわかり、検品においての状態を認識する技術も高いです。
IoTや5Gなど、様々な技術が進歩したことにより、デジタルツインが注目され始めた原因と言えます。
IoTとは、モノのインターネット技術と呼ばれており、コンピューター以外のモノがネットに接続できるようになる技術です。製造機器などにネット接続を導入すれば、より細かい情報を取得することができます。
5Gとは、通信システムにおける第5世代のことです。3G、4Gと続いての最新の通信システムです。4Gよりも格段に通信速度や送れるデータの量が上がっています。4Gでは、2時間の映画をダウンロードするのに5分ほどかかっていたが、5Gだと約3秒でダウンロードできるほど進歩しました。
デジタルツインは大量のデータが必要になるので、5Gの進歩は非常に大きいです。IoTや5Gなどの技術が進歩したことは、デジタルツインの可能性を大幅にあげました。
このように、デジタルツインとは、現実で得た情報をデジタル上で表現し、分析やシミュレーションをする技術です。
建築・土木・都市開発のデジタルツインの用途について
建築デジタルツインの用途とは？
設計と施工の最適化
デジタルツインを使って、設計段階から建物のシミュレーションが可能です。建築家や施工者は、デジタル上で設計図を確認し、問題がないか事前にチェックできます。これにより、設計ミスや施工ミスの発生を抑えることができます。
運用とメンテナンスの効率化
建物が完成した後も、デジタルツインは運用・保守のために活用されます。設備の劣化状況や消費エネルギーの最適化をデジタルツインで管理し、予防保全やトラブルの早期発見が可能になります。
シミュレーションによる最適化
例えば、空調設備の稼働効率を向上させるために、どの温度設定や稼働時間が最適かをデジタルツイン上でシミュレーションすることができます。これにより、エネルギーコストを削減しつつ、快適な環境を提供できます。
リモート監視と制御
建物のオーナーや管理者は、リモートでデジタルツインを通じて建物の状況を監視できます。異常が発生した際に即座に対応することができるほか、修理や改善が必要な部分を予測し、事前に手を打つことも可能です。
建築業界におけるデジタルツインは、物理的な建物のデータをリアルタイムでデジタル空間に反映させ、設計、施工、運用における効率化や最適化を支援する技術です。これにより、建物の管理コストを削減し、運用効率や耐久性を高めることが可能となり、建築プロジェクト全体の質を向上させます。
土木分野のデジタルツインの用途とは？
設計段階での活用
橋梁の設計時に風や交通の影響をシミュレーションし、強度や耐久性を事前にチェックするなど、デジタルツインを使って、土木構造物の設計段階からシミュレーションを行います。設計の段階で地形、気候、周辺環境の影響をリアルタイムに反映させ、構造物がどのように動作するかを確認することで、設計の最適化が可能になります。
施工の効率化と精度向上
デジタルツインは施工中の進捗状況をリアルタイムで可視化し、施工プロセスが計画通りに進んでいるかを確認できます。
例えば、トンネルの掘削において、実際の掘削進捗や地質の変化をデジタルツインで可視化し、掘削速度や方向の最適化を図ることができます。
インフラの運用とメンテナンス
完成後の構造物についても、デジタルツインを使ってリアルタイムでモニタリングし、インフラの状態や異常を監視します。これにより、劣化や故障の予測が可能となり、メンテナンスのタイミングを最適化することができます。
災害対策とリスク管理
デジタルツインは災害発生時の被害予測や対応策のシミュレーションにも役立ちます。地震、洪水、土砂災害などのシナリオをデジタルツインで再現し、被害範囲や緊急対応計画を作成することができます。
土木分野におけるデジタルツインは、インフラの設計、施工、運用、保守において、リアルタイムデータを活用して効率的に管理するための重要な技術です。これにより、インフラの安全性、耐久性、運用効率が向上し、コスト削減や予防保全の強化が可能となります。
都市開発のデジタルツインも
都市開発においてもデジタルツインが活躍します。現実に設置したカメラやセンサーを使い、人の流れ、交通量、環境などのデータを手に入れます。データを元にシミュレーションを行い、都市の改善を図ることができます。
都市計画と設計の最適化
新しい道路や鉄道の設置を計画する際、デジタルツインで周辺エリアの交通量や渋滞状況をシミュレーションし、最適な設置場所を選定するなど、都市開発の初期段階でデジタルツインを活用することで、都市のレイアウトやインフラ計画をシミュレーションし、最適な都市設計を実現できます。これにより、交通インフラやエネルギー供給の効率を高め、住民にとって快適な生活環境を作り出すことができます。
交通管理と渋滞緩和
デジタルツインを使って都市全体の交通をリアルタイムでモニタリングし、交通渋滞を予測・緩和します。例えば、センサーで取得した交通量データをもとに、信号機の調整や車両誘導を行うことで、交通の流れをスムーズに保つことができます。
エネルギー管理と環境対策
デジタルツインを通じて、都市全体のエネルギー消費をモニタリングし、最適なエネルギー使用をシミュレーションできます。太陽光発電や風力発電の導入効果をデジタルツイン上でシミュレーションし、エネルギー使用量の最適化を図ったり、エネルギー需要が高まる時間帯に電力を賢く配分することで、エネルギーコストを削減したりします。
これにより、再生可能エネルギーの利用や省エネルギー対策が進み、持続可能な都市開発が実現します。
防災対策とリスク管理
地震、洪水、台風などの自然災害に対するリスクをデジタルツインでシミュレーションし、災害時の対応策をあらかじめ検討することができます。例えば、洪水リスクがある地域における水の流れをシミュレーションし、排水システムの強化や避難経路の設定を行ったり、地震後の建物の倒壊リスクを評価し、早期に対応できるシステムを整備したりできます。
これにより、被害を最小限に抑え、迅速な復旧計画を立てることが可能です。
都市インフラの保守・管理
道路、橋、トンネル、水道管、電力網などの都市インフラをデジタルツインでモニタリングし、故障や劣化を予測します。例えば、センサーで取得したデータを基に、橋のひび割れや道路の損傷を早期に発見し、必要なメンテナンスを行うことで、大規模な修繕コストを抑えることができます。
これにより、定期的な保守点検や修繕を最適化し、インフラの長寿命化を実現します。
都市開発におけるデジタルツインは、都市全体の効率的な運営やリスク管理、持続可能な発展を支援するための重要な技術です。リアルタイムでのデータ収集とシミュレーションによって、交通、エネルギー、防災、インフラ管理など、多岐にわたる分野で都市を最適化し、住民にとって安全で快適な環境を提供します。
デジタルツインを導入するメリットとは？
デジタルツインには様々なメリットがあります。例として4つのメリットを紹介します。
効率化できる
業務の効率化が期待できます。新たな業務を開始する前に、必要な人員やプロセスを決める必要があります。デジタル上でシミュレーションすることにより、必要な人数や日数を測定することができます。無駄がなく効率的な作業が可能です。
コストの削減
デジタル上で試作や分析が行えるので、コストの削減になります。製造において製品や建物の試作を仮想空間上で行えるので、実際に作ったりするコストを下げれます。実際に行えば人員が必要だったり、期間が長いとそれだけコストが掛かります。
安全性の向上
デジタルツインは、建物やインフラのリアルタイム監視を通じて、安全性の向上に貢献します。地震や洪水などの自然災害に対するシミュレーションも行えるため、災害時のリスクを最小限に抑えるための事前対策が可能です。
品質の向上
品質の向上にも期待できます。製品の検品において、画像認識技術が進歩したことにより、製品の不備を正確に判断できます。人間が確認するのでは、見逃したり集中力が続かない恐れがあります。製品の品質データも収集するので、改善に役立つ情報を得られ、品質の向上に繋がります。
持続可能性の向上
デジタルツインは、エネルギー消費の効率化にも貢献します。建物の空調や照明、電力使用量をリアルタイムで監視・調整することで、エネルギーの無駄を削減し、持続可能な運用が可能になります。
建築業界のデジタルツインの活用例
実際にデジタルツインを本格的に活用している企業を2社紹介します。
鹿島建設
鹿島建設では、企画、設計、施工、運営など、各工程全てデジタルツインを導入しています。BMIと呼ばれるシステムを基軸にしています。BMIとは、デジタル上で建物の3Dモデルを用意し、パーツやサイズ、作業時間や工程などの情報を盛り込んだシステムのことです。
また、推進中の「鹿島スマート生産」においても、「全てのプロセスをデジタルに」をコアコンセプトの一つに掲げ、BIMを基軸とした新たな生産システムの構築に取り組んでいます。
今後は、BIMによるデジタルツインを全国の建築プロジェクトに展開し、各フェーズにおける業務の効率化を図るとともに、高品質かつ高価値な建物を提供していくとしており、また、竣工後の維持管理・運営においては、既開発の「鹿島スマートBM」と連携のうえ、設備の最適調整による省エネ化、機器の長寿命化及び故障予測の組み合わせにより、建物のライフサイクルコスト低減に向けたトータルソリューションへと繋げていきます。
清水建設
豊洲スマートシティを先導するデータプラットフォーム「デジタルツイン」。
都市インフラや地盤、建物などの三次元デジタルデータに、カメラやセンサー群が収集した交通や人流、物流、エネルギー、環境等のモニタリングデータをリアルタイムに反映させることで、サイバー空間上にフィジカル空間とリンクした動的な仮想モデルを構築します。
この仮想モデルを利用したシミュレーションにより、施設運営や次世代型モビリティサービス等の効果検証を行うことで、施設利便性の高度化、新規サービス事業開発の加速化を図ります。
デジタルツインの今後
多くの業界でさらなる進化と広範な活用が期待されており、特に建築、製造、都市開発、医療などの分野で重要な役割を果たすことが予想されています。
より精度の高いシミュレーションと予測
デジタルツインは、センサーやIoTデバイスから収集されるリアルタイムデータを活用し、シミュレーションや予測を行います。今後、このシミュレーション技術はさらに進化し、AIや機械学習と連携してより正確な予測が可能になると期待されています。これにより、建物やインフラの劣化予測や製造ラインの効率化、交通システムの最適化など、さまざまなシナリオでの未来予測が向上します。
多分野でのデジタルツインの活用拡大
デジタルツインは、現在建築や製造業を中心に利用されていますが、今後は都市開発、医療、農業、エネルギーなど多様な分野にも広がると考えられます。特に、スマートシティの実現に向けて、都市全体をリアルタイムで管理するためのデジタルツインの導入が加速するでしょう。
AIと機械学習との連携強化
今後、デジタルツインはAIや機械学習技術とさらに密接に連携し、自動的な学習と改善が可能になります。AIは、大量のリアルタイムデータを処理し、未来の状態や異常事態を予測し、最適な対応策を提示することができます。この連携により、デジタルツインは自律的に成長し、より高度な意思決定をサポートします。
持続可能な社会の実現に向けた役割
デジタルツインは、都市のエネルギー消費や交通の最適化、再生可能エネルギーの活用などをリアルタイムで監視・管理し、環境への負荷を最小限に抑えることができるため、環境問題や持続可能な発展を目指す取り組みでも重要な役割を果たします。
セキュリティとプライバシーの向上
デジタルツインの活用が広がるにつれて、多くのデータがリアルタイムで収集されるため、データの保護やシステムの安全性を確保することが不可欠です。そのため、セキュリティやプライバシー保護の重要性も増しています。今後は、セキュリティ対策の強化や、データの匿名化・暗号化技術の進展により、より安全なデジタルツインの運用が可能になるでしょう。
デジタルツインの今後は、技術の進展と共に多くの分野でさらに重要な役割を果たすでしょう。AIや機械学習との連携による予測精度の向上、多分野への活用拡大、持続可能な社会の実現に向けた貢献など、デジタルツインは都市やインフラ、産業の効率化を加速させる技術として進化していきます。
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株式会社アイディオットは、デジタルツインを導入するのに必要なデータの提供、相談が行える企業です。独自で知識がない状態でデジタルツインを導入する場合、専門知識や大きな費用が必要になります。専門の企業に相談することで、無駄な費用をかけず、効率的に取り入れることが可能です。
まとめ
デジタルツインは、建物やインフラなど物理的な構造物をデジタル空間にリアルタイムで再現する技術です。
センサーやIoT機器で建物のデータ（温度、振動、エネルギー消費など）を収集し、デジタル空間に反映させたり、建物の設計や構造のシミュレーションを行い、問題点や改善点を事前に把握できます。また、データを基に、建物の劣化や設備の異常を予測し、最適なメンテナンスを実施できます。この技術により、設計から施工、運用、メンテナンスに至るまで、全ての段階で効率化と最適化が可能になります。
また、コスト削減や安全性の向上、持続可能性などメリットも多く期待できるため、デジタルツインは、建築業界の未来を切り開く重要な技術として、今後さらに注目されるでしょう。
この記事の執筆・監修者
Aidiot編集部「BtoB領域の脳と心臓になる」をビジョンに、データを活用したアルゴリズムやソフトウェアの提供を行う株式会社アイディオットの編集部。AI・データを扱うエンジニアや日本を代表する大手企業担当者をカウンターパートにするビジネスサイドのスタッフが記事を執筆・監修。近年、活用が進んでいるAIやDX、カーボンニュートラルなどのトピックを分かりやすく解説します。
