フレームワークから考える AWS IoT TwinMaker とデジタルツインの What と How

by CM若槻龍太

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フレームワークから考える AWS IoT TwinMaker とデジタルツインの What と How クラスメソッド株式会社若槻龍太 1 2023/10/05

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自己紹介 2 ● 名前若槻龍太 ● 所属 ○ クラスメソッド株式会社 ○ CX 事業本部 ● やっていること ○ AWS サーバーレス開発（メイン） ○ Web フロント開発 ○ iOS アプリ開発 ○ ブログ投稿 ● 好きな AWS サービス AWS IoT TwinMaker AWS Step Functions AWS CDK

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アジェンダ 1. 導入（出会い） 2. デジタルツインの理解を促すフレームワーク a. デジタルツインを構成する4要素 b. Digital Twin leveling index 3. まとめ 3

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アジェンダ 1. 導入（出会い） 2. デジタルツインの理解を促すフレームワーク a. デジタルツインを構成する4要素 b. Digital Twin leveling index 3. まとめ 4

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導入（出会い） 5 AWS re:Invent 2022 に現地参加してきた

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6 Dr. Werner のキーノートに参加導入（出会い）

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7 IoT TwinMaker の持つ圧倒的な表現力に衝撃を受けてしまった導入（出会い）

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さらに、現地で IoT TwinMaker のワークショップを受講する中で私は... 導入（出会い） 8

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“デジタルツイン、そして AWS IoT TwinMaker にはコミットする価値がある！” という確信を得た

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10 以降、IoT TwinMaker を周知するためにブログ等で布教活動をするようになる導入（出会い） https://dev.classmethod.jp/search/?tags=AWS%20IoT%20TwinMaker&author=若槻龍太&page=1

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そもそも“デジタルツイン”と聞いてどんなキーワードが思い浮かびますか？ 11

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 12 「デジタルツイン」で想起されるキーワード例シミュレーション IoT メタバース監視 VR/AR 3D モデル CAD

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“デジタルツイン”という用語は、従来の方法を説明するために多義的に使われがち 13

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“デジタルツイン”という用語は、従来の方法を説明するために多義的に使われがち 14 => AWS は、そのことがユーザーの混乱を招いているのが現状だとしている

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15 そこで AWS は、ユーザーのデジタルツインへの理解を促し、ビジネス価値を達成できるようにするフレームワークを開発した https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/digital-twins-on-aws-unlocking-business-value-and-outcomes/ デジタルツインの理解を促すフレームワークデジタルツインのバイブル！

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アジェンダ 1. 導入（出会い） 2. デジタルツインの理解を促すフレームワーク a. デジタルツインを構成する4要素 b. Digital Twin leveling index 3. まとめ 1 6

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17 AWS はデジタルツインを次のように定義（引用） “デジタルツイン（DT）は、個々の物理システムの生きたデジタル表現であり、データで動的に更新されて、物理システムの実際の構造、状態、および動作を模倣し、ビジネスの成果を促進します。” デジタルツインの理解を促すフレームワーク https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/digital-twins-on-aws-unlocking-business-value-and-outcomes/

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18 AWS はデジタルツインを次のように定義（引用） “デジタルツイン（DT）は、個々の物理システムの生きたデジタル表現であり、データで動的に更新されて、物理システムの実際の構造、状態、および動作を模倣し、ビジネスの成果を促進します。” デジタルツインの理解を促すフレームワーク ① ① ② ② ③ ③ ④ ④ https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/digital-twins-on-aws-unlocking-business-value-and-outcomes/

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デジタルツインを構成する4要素 19

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20 AWS はデジタルツインを構成する4要素を次のように定義 1. 物理システム 2. デジタル表現 3. （物理システムとデジタル表現の間の）接続 4. ビジネスの成果デジタルツインの理解を促すフレームワーク

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21 AWS はデジタルツインを構成する4要素を次のように定義 1. 物理システム 2. デジタル表現 3. （物理システムとデジタル表現の間の）接続 4. ビジネスの成果デジタルツインの理解を促すフレームワーク ①

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22 デジタルツインを構成する4要素：物理システム（引用） “個々の物理エンティティ、物理エンティティの集合、物理プロセス、または人でさえあり得ます。また、生物学的、化学的、生態学的、またはその他のシステムである可能性があるため、産業システムである必要はありません。” デジタルツインの理解を促すフレームワーク

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23 デジタルツインを構成する4要素：物理システム（引用） “個々の物理エンティティ、物理エンティティの集合、物理プロセス、または人でさえあり得ます。また、生物学的、化学的、生態学的、またはその他のシステムである可能性があるため、産業システムである必要はありません。” デジタルツインの理解を促すフレームワーク => 物理システムは、現実世界の様々なシステムである（インダストリーの文脈に限らない）

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24 AWS はデジタルツインを構成する4要素を次のように定義 1. 物理システム 2. デジタル表現 3. （物理システムとデジタル表現の間の）接続 4. ビジネスの成果デジタルツインの理解を促すフレームワーク ②

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25 デジタルツインを構成する4要素：デジタル表現（引用） “モデル自体であるデジタル表現です。この場合、モデルとは、物理システムの構造（または構成）を表すために必要なデータモデルなどのデータの集合または、物理システムの現在の状態を表すのに役立つ IoT データダッシュボードだけを意味するのではありません。シミュレーションなどの物理システムの動作をエミュレートするモデルを意味します。これにより、入力を与えると、モデルは応答出力を返します。これは、3 番目の要素である接続性につながります。” デジタルツインの理解を促すフレームワーク

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デジタルツインを構成する4要素：デジタル表現（引用） “モデル自体であるデジタル表現です。この場合、モデルとは、物理システムの構造（または構成）を表すために必要なデータモデルなどのデータの集合または、物理システムの現在の状態を表すのに役立つ IoT データダッシュボードだけを意味するのではありません。シミュレーションなどの物理システムの動作をエミュレートするモデルを意味します。これにより、入力を与えると、モデルは応答出力を返します。これは、3 番目の要素である接続性につながります。” 26 デジタルツインの理解を促すフレームワーク => デジタル表現は、物理システムの構造や動作をエミュレートするモデルである

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27 AWS はデジタルツインを構成する4要素を次のように定義 1. 物理システム 2. デジタル表現 3. （物理システムとデジタル表現の間の）接続 4. ビジネスの成果デジタルツインの理解を促すフレームワーク ③

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28 デジタルツインを構成する4要素：物理システムとデジタル表現の間の接続（引用） “これは “living” という言及によって強調されています。デジタルツインになるには、モデルを物理システム（センサーなど）からのデータで定期的に更新する必要があります。検証済みのモデルは、ある時点での物理システムの動作のスナップショットを提供しますが、デジタルツインは、物理システムの動作が元の時間から大幅に変化するタイムスケールにモデルを拡張します。更新の頻度は、根本的な現象が発生する速度によって決まります。一部のユースケースではほぼリアルタイムの更新が必要ですが、他のユースケースでは週次の更新で十分です。” デジタルツインの理解を促すフレームワーク

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29 デジタルツインを構成する4要素：物理システムとデジタル表現の間の接続（引用） “これは “living” という言及によって強調されています。デジタルツインになるには、モデルを物理システム（センサーなど）からのデータで定期的に更新する必要があります。検証済みのモデルは、ある時点での物理システムの動作のスナップショットを提供しますが、デジタルツインは、物理システムの動作が元の時間から大幅に変化するタイムスケールにモデルを拡張します。更新の頻度は、根本的な現象が発生する速度によって決まります。一部のユースケースではほぼリアルタイムの更新が必要ですが、他のユースケースでは週次の更新で十分です。” デジタルツインの理解を促すフレームワーク => 接続により、デジタル表現は物理システムからのデータで定期的に更新される

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30 AWS はデジタルツインを構成する4要素を次のように定義 1. 物理システム 2. デジタル表現 3. （物理システムとデジタル表現の間の）接続 4. ビジネスの成果デジタルツインの理解を促すフレームワーク ④

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31 デジタルツインを構成する4要素：ビジネスの成果（引用） “デジタルツインは、特定の結果、つまりある種の経済的またはビジネス的価値を推進する必要があります。” デジタルツインの理解を促すフレームワーク

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32 デジタルツインを構成する4要素：ビジネスの成果（引用） “デジタルツインは、特定の結果、つまりある種の経済的またはビジネス的価値を推進する必要があります。” デジタルツインの理解を促すフレームワーク => 経済的またはビジネス的価値を推進する

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33 AWS はデジタルツインを構成する4要素を次のように定義（まとめ） 1. 物理システム => 現実世界の様々なシステム 2. デジタル表現 => 物理システムの構造や動作を表現するモデル 3. （物理システムとデジタル表現の間の）接続 => 物理システムからのデータによるデジタル表現の定期的な更新 4. ビジネスの成果 => 経済的またはビジネス的価値を推進するデジタルツインの理解を促すフレームワーク

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デジタルツインを構成する4要素を従来のキーワードにマッピングするならデジタルツインの理解を促すフレームワーク 34 シミュレーション IoT メタバース監視 VR/AR 3D モデル CAD

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デジタルツインを構成する4要素を従来のキーワードにマッピングするならデジタルツインの理解を促すフレームワーク 35 シミュレーション IoT メタバース監視 VR/AR 3D モデル CAD ②デジタル表現 ①物理システムとの②接続 ④ビジネスの成果

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デジタルツインを構成する4要素を従来のキーワードにマッピングするならデジタルツインの理解を促すフレームワーク 36 シミュレーション IoT メタバース監視 VR/AR 3D モデル CAD ②デジタル表現 ①物理システムとの②接続 ④ビジネスの成果これらのキーワードはデジタルツインの構成要素だった

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デジタルツインとは何であるかは整理できた（What） 37

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38 ⇛ それではデジタルツインをどう使えば良いのか？（How）デジタルツインとは何であるかは整理できた（What）

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39 社内 Slack よりクラメソ社内でも上がる疑問の声

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安心してください。

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 41 さらに AWS は、デジタルツインのユースケースを L1 から L4 の 4段階で定義する Digital Twin leveling index を開発した https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/digital-twins-on-aws-unlocking-business-value-and-outcomes/

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 42 Digital Twin leveling index は、自動運転のレベル分けのデジタルツイン版 https://www.mlit.go.jp/common/001226541.pdf

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 43 さらに AWS は、デジタルツインのユースケースを L1 から L4 の 4段階で定義する Digital Twin leveling index を開発した https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/digital-twins-on-aws-unlocking-business-value-and-outcomes/ L1 Descriptive

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 44 L1 Descriptive ● 物理システムの視覚的表現による説明に焦点を当てたユースケース ● 物理システムを表す静的モデルから成る ○ 現実のシステムに応じて状態や構造は変化しない ● まだ完全なデジタルツインとは言えない ● IoT TwinMaker の利用による解決には適していない ○ 従来の CAD ソフトや VR/AR で解決すべき

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 45 L1 Descriptive ソリューション例：エンジニアリング設計での3Dアセットの活用

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 46 L1 Descriptive ソリューション例： AR による顧客への自社製品の説明

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 47 さらに AWS は、デジタルツインのユースケースを L1 から L4 の 4段階で定義する Digital Twin leveling index を開発した https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/digital-twins-on-aws-unlocking-business-value-and-outcomes/ L2 Informative

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 48 L2 Informative ● 物理システムの現在や過去の状態を可視化するユースケース ● 接続により物理システムの状態をモデルに反映させる ● IoT TwinMaker が一番使われるパターンだと考えられる

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 49 L2 Informative ソリューション例：ダッシュボード画面で、車のバッテリー残量が低下した車両のモデルの色を変化させる

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 50 L2 Informative ソリューション例：ダッシュボード画面で、車のバッテリー残量が低下した車両のモデルの色を変化させる残量十分なら青残量低下なら赤

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 51 L2 Informative 典型的なアーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 52 L2 Informative 物理システムから IoT SiteWise へのデータ送信典型的なアーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 53 L2 Informative IoT SiteWise からIoT TwinMaker へのリアルタイムなデータ送信典型的なアーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 54 L2 Informative TimeStream を介した過去データの送信典型的なアーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 55 L2 Informative 3D モデルなど静的ファイルの管理典型的なアーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 56 L2 Informative 典型的なアーキテクチャ例 Grafana ダッシュボードでのデジタルツインによる可視化

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 57 さらに AWS は、デジタルツインのユースケースを L1 から L4 の 4段階で定義する Digital Twin leveling index を開発した https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/digital-twins-on-aws-unlocking-business-value-and-outcomes/ L3 Predictive

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 58 L3 Predictive ● 物理システムの未来のある瞬間の状態を可視化するユースケース ● 機械学習モデルの適用や what-if 分析により、物理システムの未来のある時点での状態の予測データをモデルに反映 ○ 予知保全などの事前対応を行うことができる

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 59 L3 Predictive アーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 60 L3 Predictive 物理システムからのデータを元に、ML モデルをトレーニングして作成アーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 61 L3 Predictive ML モデルを Lookout for Equipment や SageMaker で使用して、未来の状態のデータを作成する。アーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 62 さらに AWS は、デジタルツインのユースケースを L1 から L4 の 4段階で定義する Digital Twin leveling index を開発した https://aws.amazon.com/jp/blogs/news/digital-twins-on-aws-unlocking-business-value-and-outcomes/ L4 Living

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 63 L4 Living ● L3 の欠点は、物理システム自体の時間経過による変化に対応できないこと ○ 例えば発電機のタービンは軸ずれや摩耗などの経年劣化を起こすため、それらの構造の変化を考慮しなければ、正確な予測を行えない ● そこで AWS は aws-do-pm という将来予測モデリングを可能にするフレームワークのソースコードを提供 ● aws-do-pm をアーキテクチャに追加し、物理システムの時間経過による変化をモデルに反映させたより正確な予測を可能に ● まさに生きている(Living)かのようなデジタルツインを実現

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 64 L4 Living アーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 65 L4 Living IoT SiteWise から出力されたデータから aws-do-pm が予測モデリングを実施。劣化などを考慮した状態データをIoT SiteWise にFBするアーキテクチャ例

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 66 デジタルツインを構成する 4 要素と leveling index を対応付けると表のようになる L1 Descriptive L2 Informative L3 Predictive L4 Living 物理システム ◯ ◯ ◯ ◯ デジタル表現 ◯ ◯ ◯ ◯ 接続 ✕ ◯ ◯ ◯ ビジネスの成果（可視化対象）既存(※)の構造既存の状態未来の状態より高精度な未来の状態 IoT TwinMaker で解決すべきか ✕ ◯ ◯ ◯

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 67 L1 Descriptive L2 Informative L3 Predictive L4 Living 物理システム ◯ ◯ ◯ ◯ デジタル表現 ◯ ◯ ◯ ◯ 接続 ✕ ◯ ◯ ◯ ビジネスの成果（可視化対象）既存(※)の構造既存の状態未来の状態より高精度な未来の状態 IoT TwinMaker で解決すべきか ✕ ◯ ◯ ◯ いちばん重要なのがここ！デジタルツインを構成する 4 要素と leveling index を対応付けると表のようになる

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デジタルツインの理解を促すフレームワーク 68 デジタルツインをビジネス適用したい場合、対象の物理システムの何を可視化する必要があるのかを精査し、構築するデジタルツインのレベルを判断することによって、ビジネス価値の達成に大きく近づくことができる L1 Descriptive L2 Informative L3 Predictive L4 Living ビジネスの成果（可視化対象）既存(※)の構造既存の状態未来の状態より高精度な未来の状態

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アジェンダ 1. 導入（出会い） 2. デジタルツインの理解を促すフレームワーク a. デジタルツインを構成する4要素 b. Digital Twin leveling index 3. まとめ 6 9

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まとめ ● デジタルツインと AWS IoT TwinMaker について知りたい、説明したい場合 ○ AWS のフレームワークが参考になる ■ そもそも何なのか（What） ⇛ デジタルツインを構成する4要素 ■ どう使えば良いか（How） ⇛ Digital Twin leveling index ⇛ ユースケースに応じてレベルを判断する 7 0

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ありがとうございました