デジタルツインで製造業の持続可能性を向上させる

はじめに

持続可能性は製造業の要となっています。ステークホルダーがますます持続可能性を優先するようになる中、製造業はこうした要求に応えるため、技術革新に目を向けています。このような技術革新の中でも、デジタルツインのコンセプトは、持続可能性を目指す製造業にとって、特に変革をもたらすものとして際立っています。

製造業には幅広いトピックが含まれるが、本稿では特に消費者向けパッケージ商品（CPG）分野の製造業に焦点を当てます。CPG 企業にとって、デジタルツインは、製造プロセス、製品ライン、パッケージング・システム、あるいは包括的なサプライ・チェーンのダイナミックな仮想レプリカとして機能します。IoT センサー、マシンメトリクス、過去のパフォーマンス記録などのソースから実世界のデータを統合することで、これらのモデルはパフォーマンスの綿密なモニタリング、シミュレーション、最適化を可能にします。製品ライフサイクルのプロトタイピング、テスト、最適化の各フェーズをバーチャル環境に移行することで、企業はプロトタイプを何度も繰り返し作成するために必要な材料だけでなく、現在および将来の製品やプロセスを開発するために必要な材料の需要や副産物の量も大幅に削減することができます。デジタルツインの分類と様々な成熟度レベルの詳細については、「AWS のデジタルツイン：ビジネスの価値と成果を解き放つ」を参照してください。

この記事では、製造業が優先する重要なサステナビリティ KPI を掘り下げ、デジタルツインがその測定をどのように大きく変えることができるかを探ります。エネルギーと水の節約を定量化するためにデジタルツインテクノロジーを巧みに活用したグローバル CPG ブランドのケーススタディにスポットを当てます。最も重要なこととして、製造業にデジタルツインを導入するための様々な AWS サービスについて学び、二酸化炭素排出量を 20 ％削減することで持続可能性の目標をサポートします。

サステイナビリティ目標を推進するデジタルツイン

デジタルツインは、組織が物理的なシステムの性能を定量化し、環境への影響を削減するのを支援することで、持続可能な取り組みにおいて重要な役割を果たしています。バーチャルの領域での注目すべきアプリケーションは、エネルギー消費、水消費、廃棄物を削減するための新しい製品設計、代替パッケージング、製造構成のシミュレーションです。この先制的なモデリングにより、持続可能性の向上を特定することができ、実際に実施する前であっても、これらを確実に組み込むことができます：

1. エネルギー効率：製造企業はデジタルツインを活用してエネルギー消費パターンを微調整し、スコープ 1、スコープ 2、スコープ 3 の温室効果ガス排出量を大幅に削減することができます。専門サービス会社 EY の最近のレポートによると、デジタルツインは、最大 35 ％のコスト削減とともに、既存建物の温室効果ガス排出量とカーボンフットプリントを最大 50 ％削減するのに役立ちます。
2. 廃棄物管理： デジタルツインは事実上、抽出、生産、消費、廃棄という現在の産業モデルの枠を超えることに役立ちます。そのため、企業や都市全体が、汚染や廃棄物の発生をほぼゼロにし、製品や素材をリサイクル・ループ内に長くとどめ、自然システムの再生を助ける「循環型経済」システムに移行する選択肢を持つことができます。
3. 持続可能なデザイン：デジタルツインは、サプライチェーン全体のカーボンフットプリントをリアルタイムで追跡し、製品設計と開発のライフサイクルのカーボンフットプリントを算出することで、透明で持続可能な設計から納品までの道のりを保証します。製品の持続可能な設計をリードする戦略に関するこの記事では、この戦略についてより詳しい情報を提供しています。従来の設計技術を活用することで、企業は製品の環境負荷を最大 40 ％削減することができます。
4. 物流排出削減：デジタルツインは物流と流通の最適化を支援し、物流に関連する二酸化炭素排出を抑制します。ロジスティクスでは、デジタルツイン・テクノロジーを活用することで、収益が最大 10 ％増加し、製品の品質が最大 25 ％向上します。
5. 節水：デジタルツインは、水使用量の多い製造業において極めて重要な役割を果たし、最適な節水戦略を実現します。
6. 戦略的計画：製造企業は、デジタルツインを活用して予測的洞察を得ることで、持続可能な成長のための資源配分や投資戦略を導くことができます。
7. ステークホルダーエンゲージメント：デジタルツインでは、持続可能性に関連する戦略を視覚的かつ定量的に表現できるため、ステークホルダーへの持続可能性の方策の伝達が効率化されます。

アーキテクチャの概要

以下に、工場での実装用に設計され、持続可能性の目標を監視するように調整されたリファレンス・アーキテクチャの概要を示します。このアーキテクチャは、炭酸飲料、水、様々なフルーツジュースを生産する顧客のボトリング工場に導入されました。 このリファレンス・アーキテクチャで使用されている主要な AWS サービスは、AWS IoT SiteWise（産業機器からのデータを簡単に収集、保存、整理、監視できるマネージド・サービス）と、AWS IoT SiteWise Edge（オンプレミスでのデータ収集と整理を効率化するローカル・ハードウェアまたは AWS デバイスにインストールされるサービス）です。これらのサービスを組み合わせることで、工場のオペレーターは、クラウド接続が断続的な場合でも機能を維持しながら、稼働時間、製品品質、効率を向上させるための機器データに対する洞察を得ることができます。

さらにこのソリューションは、Amazon S3、AWS Lambda、Amazon DynamoDB、Amazon Kinesis Data Firehose、AWS Glue、Amazon Athena、Amazon Managed Grafana などの AWS サービスも使用しています。

データ収集に必要なコア IoT コンポーネント、テンプレート、アセットモデル、メトリックコレクションが AWS IoT SiteWise に含まれており、4 週間で実装を行いました。

この実装では、AWS IoT SiteWise Edge がオンプレミスデバイスにインストールされ、KepserverEX のような OPC/UA サーバーを介して PLC からIoT データを収集します。データはクラウドに送信され、AWS IoT SiteWise を使用してビジネスルールとプロセス関連情報を使用してさらにエンリッチされます。メトリクスの計算とデータの保存には、AWS Lambda、Amazon DynamoDB、Amazon S3、AWS Glue、AWS Kinesis Data Firehose の組み合わせが使用されます。消費データの、ほぼリアルタイムの可視化、およびさらなる分析や表示には、Amazon Athenaと Amazon Managed Grafana ダッシュボードが使用されています。

この初期アーキテクチャをベースに、AWS IoT TwinMaker のような AWS サービスを統合することで、包括的なコマンド、制御、可視化機能を実現できる。AWS IoT TwinMaker により、開発者は現実世界のシステムのデジタルツインを作成し、包括的な運用ビューのために既存のデータと 3D モデルを使用して、ビル運用を合理化し、生産を強化し、機器の性能を向上させることができます。

サステナビリティ KPI 指標の算出方法

上記で説明したデジタルツイン導入フレームワークを活用することで、工場は、持続可能な操業の認定を受けるために、コンプライアンスや報告目的で必要とされる可能性のある様々な持続可能性 KPI を把握することができます。この CPG のお客様の場合、最初の概念実証はエネルギー効率と省エネルギーに焦点を当てました。これは後に、節水と廃棄物管理にまで拡大されました。

デジタルツイン・ソリューションの導入には、現在のエネルギー使用量と節約の可能性を計算するステップ・バイ・ステップのアプローチが含まれます。まず、包括的なエネルギー監査によって、工場のエネルギー消費量を把握します。AWS IoT SiteWise Edge を使用して、このデータを AWS IoT SiteWise に中継します。この監査データは、全体的なエネルギー使用量と主なエネルギー消費機器を把握するのに役立ちます。エネルギー消費はさらに、部門やプロセス、エネルギーの種類ごとに分類されます。これに続いて、エネルギー効率メトリクスが計算され、通常、出力対エネルギー入力比を表します。これにより、既存設備の更新から運用の非効率性への対応まで、改善が必要な分野を特定するための段階が整います。

エネルギーと水の節約を定量化する方法

持続可能性を高めるために用いられる主な戦略には、水効率の高い機器への移行、水のリサイクルの促進、廃棄物の削減と排除、持続可能な実践に関するスタッフ・トレーニングの促進、そして最後に、機器の故障を予測してダウンタイムを回避するための予知保全ソリューションの導入などがあります。節水対策を実施する際には、目標 KPI に対する達成度を評価することが重要です。これにより、利益が定量化されるだけでなく、持続可能な対策への長期的な取り組みが保証される。これらの KPI を定期的に評価することで、継続的な改善が保証されると同時に、外部からの検証や認証を受けることで、環境に配慮したオペレーションに対する工場の献身を確認し、増幅させることができます。

このような追跡・監視手段を導入すれば、組織は、導入後の消費量を基準値と比較することで、エネルギーと水の消費削減量を定量化することができます。これらのエネルギー、廃棄物管理、水の節約は、現在の市場価格を用いて金額に換算することができます。これらの取り組みの長期的な成功に不可欠なのは、定期的な監査と組み合わせたこれらのシステムの継続的なモニタリングの採用です。

サステナビリティ KPI 指標の追加方法

デジタルツインは、追加メトリクスを取得するためのベースラインを確立するため、新しいサステナビリティ KPI メトリクスの追加は比較的簡単です。例えば、製造工場が節水メトリクスや廃棄物削減メトリクスを追加したい場合、上記の文書化されたプロセスが繰り返されます。例えば、最初の監査では、水の消費量と廃棄物の発生量に関するベースライン指標を取得し、その後、水を大量に消費する工程と廃棄物を大量に排出する工程を特定し、改善の可能性がある領域を特定します。製造工場は、水の使用量を特定の部署や工程などの起源ごとに区分し、廃棄物をその種類と起源に基づいて分類することにより、非効率を監視するための持続可能性 KPI を効果的に設定することができる。

デジタルツインの機能拡張

例えば、Amazon Lookout for Equipment は、AWS IoT SiteWise が収集した工場設備のセンサーデータを活用し、予知保全や異常検知を行う AWS サービスです。AWS IoT TwinMaker は、製造アセット、建物、プラント、HVAC システムの 3D レプリカを作成し、コマンド・アンド・コントロール機能でデジタルツインの機能を強化するもう 1 つの AWS サービスです。つまり、単一の仮想システムでオペレーション全体の全体像を把握することができるということです。

まとめ

この記事では、AWS 上で展開可能なデジタルツイン の実装について掘り下げました。さらに、追跡すべき主要業績評価指標（KPI）を強調し、持続可能性の目標達成に向けて正しい道を歩んでいることを確認しました。製造システム、生産ライン、さらには製品の仮想レプリカを構築することで、デジタルツインは、水、エネルギー消費、廃棄物管理などのサステナビリティ KPI をほぼリアルタイムで監視・モニタリングすることができます。デジタルツインから得られるこれらの洞察を活用することで、企業はリソースの利用をさらに最適化し、二酸化炭素排出量を削減し、より持続可能な生産と流通に向けて戦略を調整することができます。CPG 業界においてデジタルツインの機能を活用することで、将来の世代のために持続可能で強靭なエコシステムの構築に向けて、測定可能な進歩を遂げることができます。AWS がどのようにデジタルツインの実装と持続可能性の目標について他のお客様をサポートしているか、より詳細な情報をお知りになりたい場合は、以下のリソースをご覧ください：

1. Building Efficient Digital Twins in the Construction Industry
2. Digital twins and CPG manufacturing transformation
3. How to make digital technologies for the circular economy work for your business
4. Accelerating the shift towards a sustainable economy using HPC on AWS

この記事は Ajith Surendran、Kavita Chhabria、David Bounds によって書かれた Improving Sustainability in Manufacturing with Digital Twins の日本語訳です。この記事はソリューションアーキテクトの戸塚智哉が翻訳しました。

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