デジタルツインとは ? その概念と実装を、AWS IoT Core の「デバイスシャドウ」で追う

こんにちは、AWS IoT Hero の松下 (ニックネーム : Max) です。

デジタルツインという言葉をご存じでしょうか ? これからのデジタル社会において、多くのエンジニアの方が向き合うこととなる考え方です。アマゾン ウェブ サービス (AWS) でも「AWS のデジタルツイン：ビジネスの価値と成果を解き放つ」として紹介されています。

本稿ではデジタルツインの考え方や、デジタルツインの実装として AWS IoT Core の「デバイスシャドウ」の動作を紹介します。デジタルツインの考え方だけでも役立つと思いますので、最後までお読みいただけると嬉しく思います。

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デジタルツインとは「現実世界の状態をサイバー空間上に再現して、デジタルでこの 2 つを結びつけること」です。サイバー空間は、クラウドとも言い換えられます。

少し難しい表現となりましたが、身近な例が GPS による位置情報のマッピングです。カーナビやスマートフォンの地図アプリでの利用、そしてバスやタクシーのロケーション(位置情報把握)があります。位置という現実世界の情報を、サイバー空間である地図アプリに再現しています。

先の例は「現実世界の状態をデジタル化して、サイバー空間に再現する」様子であり、実はデジタルツインとしては半分の説明です。もう半分は「サイバー空間上の状態変化を、現実世界に適用する」というものです。データをクラウドに集めるだけでなく、クラウド側から現実世界に介入できるという考え方になります。この 2 つがあるからこそ、冒頭で紹介した “結びつける” という表現になります。タクシーの例に加えるとしたら、配⾞指⽰が「現実世界への介入」となります。

実装に目を向けると「現実世界の状態」をセンサー等で、「サイバー空間上に再現」をクラウドで、そして「デジタルで結びつける」をネットワークで実現します。いわゆる IoT (モノのインターネット) の構成と同じであるため、デジタルツインは IoT の文脈で多く語られるわけです。

センサーやクラウドはなんとなくわかりそうですが、ネットワークでは見慣れたHTTPとは異なるプロトコル「MQTT」が使われることが多いです。MQTT はステートフルでオーバーヘッドが少なく、Pub/Sub 型でのメッセージ配信ができます。要するに、双方向通信が可能です。デジタルツインにおける「現実世界への介入」はクラウド側が起点となる通信であり、双方向通信機能が求められるため MQTT が利用されます。

※ AWS 上での取り扱いでは MQTTS (MQTT+TLS) ですが、機能面の解説を優先して MQTT としています。

ここで 1 つ、これまでの説明に無かったキーが出てきました。それが delta です。delta は reported と desired における location の差分です。現在位置 (reported) が秋葉原、配車指示 (desired) が目黒であるため、差分は「目黒に向かえ」という差分 (delta) が算出されたのです。

秋葉原から目黒までは、様々な地域を経由します。その間にもタクシーからは定期的に state.reported.location を送信しますが、desired とは異なるため都度 delta が算出されます。そして、無事目黒に到着し、state.reported.location = 目黒と IoT Core へ送信すると、reported と desired が一致するため、差分が解消されて delta が無くなります。

今回は IoT Core 上で動きを確認しました。実際には IoT デバイスから MQTT Subscribe することで、ここで紹介した JSON が得られます。具体的な MQTT トピックや JSON ドキュメントの意味については AWS IoT Device Shadow サービス や Device Shadow MQTT トピック が参考になるでしょう。

デバイスシャドウの利点として「状態の差分算出」を解説しました。他のストレージサービスの利用時には AWS Lambda 等を使うことが求められますが、デバイスシャドウであれば IoT Core がやってくれるわけです。

デバイスシャドウは、クラウド側から状態変化を起こしたい場合に適しています。それ以外のケース、例えば位置データを集めるだけならば他のサービスへの蓄積でも良いでしょう。Amazon S3 や Amazon DynamoDB はもちろん、AWS IoT SiteWise のアセットのプロパティも使えます。(AWS IoT SiteWise と AWS IoT TwinMaker をつかった視覚的なデジタルツインの実践例もありますね)。

また、デバイスシャドウと他の AWS サービスを併用するのも有効です。一例としては検索があります。デバイスシャドウ内は フリートインデックス を作ることで可能です。しかし、例えば高トラフィックな Web システムからの参照には Amazon DynamoDB 等を使ったほうが有利であるため、デバイスシャドウと併用するといったアーキテクチャも考えられます。これも IoT Core のルールを利用すれば構築可能です。

デジタルツインは「現実世界の状態をクラウド上に再現して、デジタルでこの 2 つを結びつける」こと、そしてクラウド側の実装として AWS IoT Core のデバイスシャドウを紹介しました。

これからのデジタル社会において、デジタルツインを実装する機会がより増えてくると考えられます。現実世界のモノには常に状態が存在している事、その状態を管理する仕組みが AWS 上にあることを覚えておいていただけると嬉しく思います。