[論文レビュー] Revisiting Digital Twins: Origins, Fundamentals and Practices

Jiehan Zhou, Shouhua Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2022

Digital Transformation in Industry被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、デジタルツイン（DT）を、現代の情報通信技術（ICT）および工学的メカニズムを統合した高度なモデリング・シミュレーション環境として再定義し、ライフサイクル管理、リアルタイムセンシング、幾何的可視化、予測シミュレーションを強調している。DTの起源は、バーチャルマニュファクチャリングやビルディングインフォメーションモデリング（BIM）といった既存の工学的実践にさかのぼり、その根幹を明確にするために三要素モデルを提唱し、学術界および産業界における広範な誤用を是正する。

ABSTRACT

The Digital Twins (DT) has quickly become a hot topic since it was proposed. It not only appears in all kinds of commercial propaganda, but also is widely quoted by academic circles. However, there are misstatements and misuse of the term DT in business and academy. This paper revisits Digital Twins and defines it to be a more advanced system/product/service modelling and simulation environment that combines the most modern Information Communication Technology (ICTs) and engineering mechanisms digitization, and characterized by system/product/service life cycle management, physically geometric visualization, real-time sensing and measurement of system operating conditions, predictability of system performance/safety/lifespan, complete engineering mechanisms-based simulations. The idea of Digital Twins originates from modelling and simulation practices of engineering informatization, including Virtual Manufacturing (VM), Model Predictive Control (MPC), and Building Information Model (BIM). Based on the two-element VM model, we propose a three-element model to represent Digital Twins. Digital Twins does not have its own unique technical characteristics; the existing practices of Digital Twins are extensions of the engineering informatization embracing modern ICTs. These insights clarify the origin of Digital Twins and its technical essentials.

研究の動機と目的

• 学術的および商業的文脈における「デジタルツイン」という用語の混乱や誤用を解消すること。
• デジタルツインの歴史的および技術的ルーツを、バーチャルマニュファクチャリングやビルディングインフォメーションモデリング（BIM）といった確立された工学的実践にたどること。
• 従来の二要素モデル（物理的システムとデジタルレプリカ）を超えて、デジタルツインの基本的構成要素をよりよく表現する三要素モデルを提唱すること。
• デジタルツインを、独自の新技術としてではなく、現代のICTによって強化された工学的インフォマチゼーションの進化として定義すること。
• 一貫した応用および研究を支援する、明確で技術的根拠に基づいたデジタルツインの定義を確立すること。

提案手法

• 本稿は、既存の文献および産業応用を包括的にレビューし、デジタルツインに関する繰り返し発生する誤解を特定する。
• バーチャルマニュファクチャリング（VM）、モデル予測制御（MPC）、ビルディングインフォメーションモデリング（BIM）を含む、基礎的な工学的実践への概念的系譜をたどる。
• 著者らは、従来の二要素モデル（物理的システムとデジタルレプリカ）に加え、リアルタイムデータとシミュレーションを含む動的フィードバックループを統合することで、拡張された三要素モデルを提唱する。
• システムレベルの分析を通じて、デジタルツインが独自の技術的特徴を有するのではなく、現代のICTで強化された既存の工学的インフォマチゼーションフレームワークの延長であることを示す。
• 従来の工学的シミュレーションシステムと現代のデジタルツイン実装との間で比較分析を実施し、継続性と進化の様相を浮き彫りにする。
• ライフサイクル管理、リアルタイムセンシング、予測シミュレーションを真のデジタルツインの核心的属性として統合する概念的枠組みを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デジタルツインの真の技術的および歴史的ルーツは何か？
• RQ2 なぜ「デジタルツイン」という用語が学術的および商業的分野で誤用されているのか？
• RQ3 デジタルツインは、既存の工学的シミュレーションおよびモデリング手法とどのように異なるのか？
• RQ4 真正のデジタルツインを定義づける核心的構成要素は何か。また、それらはどのように形式的に構造化できるか？
• RQ5 現代のデジタルツイン実装は、どの程度まで、強化されたICT統合を伴う既存の工学的インフォマチゼーションの延長に過ぎないのか？

主な発見

• デジタルツインは新技術ではなく、バーチャルマニュファクチャリング、モデル予測制御、ビルディングインフォメーションモデリングといった工学的インフォマチゼーション実践の進化である。
• 「デジタルツイン」という用語は、しばしば任意のデジタルモデルやシミュレーションに誤って適用されており、研究および産業界で混乱を招いている。
• 物理的システム、デジタルツイン、リアルタイムフィードバックループからなる三要素モデルは、従来の二要素モデルに比べ、より正確かつ包括的な表現を提供する。
• デジタルツインは、システムライフサイクル管理、リアルタイムセンシング、幾何的可視化、および工学的メカニズムに基づく完全なシミュレーションによって特徴づけられる。
• 既存の工学的フレームワークに現代のICTを統合することで、デジタルツインに帰属する機能が実現可能になるが、これらはデジタルツインに固有のものではない。
• 本稿は、デジタルツインが、独自のイノベーションではなく、既存の実践を拡張する高度なシミュレーション環境として理解すべきであると結論づける。