デジタルツインとは、現実の設備や建物、都市などから集めたデータをもとに、仮想空間にそっくりな「双子」を作り、監視や予測、改善に役立てる技術です。製造業の予知保全や都市計画など、さまざまな分野で活用が進んでいます。

一方で、現実と常につながる仕組みだからこそ、見落とされがちなセキュリティリスクもあります。この記事では、デジタルツインの仕組みと活用事例に加え、狙われるリスクと安全に活用するための対策を解説します。

デジタルツインとは

現実の対象を仮想空間に再現する技術

デジタルツイン（Digital Twin）とは、現実の世界にある設備や製品、建物、都市などを、コンピューター上の仮想空間にそっくり再現する技術です。「デジタルの双子」という意味で、この名前が付けられました。

単なる3Dモデルとの違いは、現実の対象に取り付けたセンサーなどから集めたデータを使い、現実の状態を常に仮想空間に反映し続ける点にあります。仮想空間の双子を見れば、現実の設備が今どのような状態にあるかを把握でき、さらに将来どうなるかを予測することもできます。

デジタルツインの起源

現実の対象と、それを再現したモデルを対にして扱う考え方は、1960年代の米国NASAのアポロ計画にさかのぼるとされています。地上に宇宙船の状態を再現する仕組みを用意し、宇宙でトラブルが起きた際の対応を地上で検討したことが、その源流といわれています。

その後、2002年ごろに米国の研究者マイケル・グリーブス氏が、製品の設計から廃棄までを管理する考え方の中で、現実の製品と仮想の製品を対にする概念を示したとされています。IoTやAIの発展とともに、こうした考え方が実際に使える技術として広がりました。

デジタルツインが注目される背景

デジタルツインが近年注目されているのは、それを支える技術が大きく進歩したためです。小型で安価なセンサーとIoTの普及によって、現実の設備の状態を大量に、かつリアルタイムに集められるようになりました。

さらに、集めた大量のデータをAIで分析したり、クラウドで処理したりできるようになったことで、精度の高い再現や予測が可能になりました。人手不足や設備の老朽化が進む中で、データを使って効率よく現場を運営する手段として、デジタルツインへの期待が高まっています。

シミュレーション・メタバースとの違い

違いの一覧

デジタルツインは、シミュレーションやメタバースと混同されやすい言葉です。主な違いは次のとおりです。

現実と常につながっていることが最大の特徴

シミュレーションは、あらかじめ想定した条件をもとに、製品などの挙動を確かめる手法です。一方、デジタルツインは、現実の設備から届くデータを使って、現実の変化を追い続けます。いわば、シミュレーションを、現実とつながったまま継続して行えるようにしたものです。

メタバースも仮想空間を使いますが、人が集まって交流することが主な目的で、現実と正確に対応している必要はありません。デジタルツインの本質は、現実と仮想空間が常につながり、互いに影響を与え合う点にあります。
この特徴は大きな強みである一方、後で説明するセキュリティリスクの原因にもなります。

デジタルツインの仕組み

現実の対象とデジタルモデル

デジタルツインの中心になるのは、現実の世界にある対象と、それをコンピューター上で再現したデジタルモデルです。対象には、工場の設備や製品、建物、道路、さらには都市全体など、さまざまなものがあります。

デジタルモデルは、対象の形や構造、動き方などを再現したもので、3Dのモデルや、動きを計算するためのモデルなどが使われます。デジタルモデルが現実をどれだけ正確に再現できるかが、デジタルツインの精度を左右します。

センサーによるデータの収集

現実の対象には、温度や振動、圧力、位置、稼働の状況などを測るセンサーが取り付けられます。センサーが測ったデータは、IoTの仕組みを通じて、ネットワーク経由でクラウドなどに送られ、デジタルモデルに反映されます。

カメラの映像や、ドローンで撮影した画像、既存の業務システムのデータなどが使われることもあります。どのようなデータを、どのくらいの頻度で集めるかは、目的に応じて決めます。

データの分析とシミュレーション

集めたデータは、AIなどを使って分析されます。たとえば、普段とは違う振動のパターンから、設備の故障の前ぶれを見つけることができます。

また、デジタルモデル上でシミュレーションを行えば、「生産ラインの配置を変えたらどうなるか」「このまま使い続けたら、いつ部品が劣化するか」といったことを、現実に手を加えずに検証できます。

現実へのフィードバック（双方向の連携）

分析やシミュレーションの結果は、現実に反映されて初めて価値を生みます。たとえば、故障の前ぶれが見つかれば保守の計画を立て、より効率のよい稼働の条件がわかれば、設備の設定を変更します。

システムによっては、仮想空間からの指示で、現実の設備の動きを自動で調整することもあります。このように、現実から仮想空間へ、仮想空間から現実へとデータや指示が行き来する「双方向の連携」が、デジタルツインの大きな特徴です。

デジタルツインの種類

製品のデジタルツイン

製品のデジタルツインは、自動車のエンジンや航空機の部品など、ひとつの製品や部品を再現したものです。製品の性能をさまざまな条件で確かめたり、出荷後の使われ方や劣化の状態を把握したりするのに使われます。

工程（プロセス）のデジタルツイン

工程のデジタルツインは、工場の生産ラインや物流の流れなど、複数の設備や人が関わる一連の工程を再現したものです。どこで作業が滞っているかを見つけたり、工程の組み方を変えたときの効果を確かめたりするのに役立ちます。

システム全体のデジタルツイン

システム全体のデジタルツインは、工場全体やサプライチェーン、電力網、都市のインフラなど、多くの要素が複雑につながった大きな仕組みを再現したものです。個々の設備だけでは見えない、全体の関係を踏まえた最適化や、災害時の影響の予測などに活用されます。

デジタルツインのメリット

開発期間の短縮とコストの削減

デジタルツインを使えば、試作品を何度も作り直さなくても、仮想空間でさまざまな条件を試せます。試作や実験にかかる時間と費用を抑えながら、設計の問題を早い段階で見つけられるため、開発期間の短縮とコストの削減につながります。

予知保全で故障を未然に防ぐ

設備の状態を常に把握し、故障の前ぶれを早く捉えることで、壊れる前に保守を行う「予知保全」ができるようになります。突然の故障で生産が止まる事態を防ぎ、保守の時期を計画的に決められるため、無駄な点検や部品交換も減らせます。

離れた場所からの監視と状況の把握

デジタルツインを見れば、現場に行かなくても設備や工場の状態を把握できます。海外の工場や遠く離れた施設の状況を本社から確認したり、複数の拠点の専門家が同じデジタルツインを見ながら対応を相談したりすることも可能です。

リスクの事前検証と意思決定の支援

現実では試すことが難しい、災害や事故、極端な稼働条件などの状況も、仮想空間であれば安全に検証できます。データにもとづいて複数の案を比べられるため、経験や勘だけに頼らない意思決定を支えます。

デジタルツインの活用事例

製造業：航空機エンジンの予知保全

デジタルツインの代表的な事例として知られるのが、米国のゼネラル・エレクトリック（GE）による航空機エンジンの保守への活用です。エンジンに取り付けた多数のセンサーからデータを集め、エンジンの状態を仮想空間で再現することで、適切な保守の時期を予測しています。

製造業では、このほか、生産ラインの配置の検討や、工場全体の稼働状況の可視化、熟練した作業者の技能のデータ化など、さまざまな用途でデジタルツインの活用が広がっています。

都市：国土交通省の「PLATEAU」

国土交通省は、2020年度から「PLATEAU（プラトー）」というプロジェクトを進めています。日本各地の建物や道路を3D都市モデルとして整備し、オープンデータとして公開する取り組みです。

3D都市モデルに、人の流れや災害のリスクに関するデータを重ねることで、都市計画や防災、まちづくりのシミュレーションに活用されています。海外でも、シンガポールが国土全体を仮想空間に再現する取り組みを進めるなど、都市のデジタルツインは各国で注目されています。

建設業：設計から維持管理までの活用

建設業では、建物の形や部材、設備などの情報を3Dのモデルにまとめる「BIM」という手法を土台に、デジタルツインの活用が進んでいます。設計の段階から建物を仮想空間に再現しておき、施工の進み具合の管理や、完成後の設備の保守にまで活用する取り組みです。

建設現場の作業員や重機の位置をセンサーで把握し、離れた場所から現場の状況を確認する仕組みなども実用化されています。

医療：治療や手術の事前の検討

医療の分野では、患者の臓器や血管などの情報をもとに仮想のモデルを作り、治療の方針や手術の手順を事前に検討する研究や取り組みが進んでいます。医療機器の開発や、病院の運営の効率化にも、デジタルツインの考え方が応用されています。

デジタルツインで見落とされがちなセキュリティリスク

リスク1：工場や設備の「設計図」として狙われる

デジタルツインには、工場の設備の配置や構造、生産の工程、稼働の状況など、現場を丸ごと再現するための詳細な情報が集まっています。攻撃者から見れば、これは標的の工場や施設の「設計図」であり、どこを攻撃すれば影響が大きいかを知る手がかりになります。

デジタルツインのデータが盗まれると、製造のノウハウなどの機密情報が漏れるだけでなく、現実の設備を狙った攻撃の準備にも使われるおそれがあります。

リスク2：偽のデータで判断を誤らされる

デジタルツインは、センサーなどから届くデータが正しいことを前提に動いています。攻撃者がセンサーやデータの通り道に入り込み、偽のデータを送り込んだり、データを書き換えたりすると、デジタルツインは現実とは違う状態を再現してしまいます。

その結果、本当は異常が起きているのに「正常」と判断したり、逆に不要な設備の停止を指示したりするなど、誤った判断につながるおそれがあります。データを信頼する仕組みであるからこそ、データの正しさが崩れたときの影響は大きくなります。

リスク3：双方向の仕組みを悪用され、現実の設備を操作される

仮想空間から現実の設備の設定を変えたり、動きを調整したりできるデジタルツインでは、その仕組みそのものが攻撃の経路になり得ます。攻撃者がデジタルツインの操作の権限を奪えば、現実の設備を不正に止めたり、危険な条件で動かしたりできてしまうおそれがあります。

情報の漏えいにとどまらず、生産の停止や設備の破損、作業者の安全にまで影響が及ぶ点が、デジタルツインならではの深刻なリスクです。

リスク4：多数のセンサーや委託先が侵入口になる

デジタルツインを作るには、多くのセンサーやIoT機器を現場に設置し、ネットワークにつなぐ必要があります。これらの機器の中には、初期のパスワードのまま使われていたり、更新が提供されなくなったりしているものもあり、侵入口になりやすいのが実情です。

また、デジタルツインの構築や保守を外部の事業者に委託し、外部から接続できるようにしている場合、その接続が狙われることもあります。工場のネットワークのセキュリティについては、OTセキュリティの考え方もあわせて確認しておきましょう。

デジタルツインを安全に活用するための対策

データとモデルへのアクセスを厳しく管理する

デジタルツインのデータやモデルにアクセスできる人を、業務に必要な範囲に絞りましょう。閲覧だけできる人、設定を変更できる人など、役割に応じて権限を分け、管理者のアカウントには多要素認証を設定します。

あわせて、誰がいつどのデータにアクセスし、何を変更したかを記録し、定期的に確認することが大切です。保存しているデータや、ネットワークを流れるデータは暗号化しておきましょう。

データの正しさを確かめる仕組みを入れる

センサーから届くデータが正しいかを確かめる仕組みを取り入れましょう。たとえば、データが改ざんされていないかを確認できる通信の仕組みを使う、複数のセンサーの値を突き合わせて矛盾がないかを確かめる、といった方法があります。

また、物理的にあり得ない急な変化や、普段とはまったく違う値が届いた場合に警告を出す仕組みを作っておくと、偽のデータに早く気づきやすくなります。

現実の設備への操作に承認と制限をかける

仮想空間から現実の設備を操作できる機能は、必要最小限にとどめ、重要な操作には人による承認を必ず挟むようにしましょう。変更できる設定の範囲にあらかじめ上限を設けておけば、万一不正な指示が出ても、危険な状態になるのを防ぎやすくなります。

また、デジタルツインからの指示とは別に、設備そのものに安全のための停止の仕組みを持たせておくことも重要です。

IoT機器とネットワークを分けて監視する

センサーなどのIoT機器は、初期のパスワードを変更し、ファームウェアを最新の状態に保ちましょう。設置している機器を一覧で把握し、使っていない機器は取り外します。

さらに、IoT機器や工場のネットワークを、事務用のネットワークやインターネットと分けておけば、万一機器が乗っ取られても、被害が広がりにくくなります。ネットワークの通信を監視し、見慣れない機器の接続や不審な通信に早く気づける体制を整えましょう。

委託先やクラウドも含めて安全性を確認する

デジタルツインの構築や運用を外部に委託する場合は、委託先がどのような方法で接続し、どの範囲のデータを扱うのかを確認しましょう。外部からの接続は、必要なときだけ許可し、記録を残すようにします。

クラウドのサービスを使う場合は、アクセスの設定に誤りがないかを定期的に点検することも大切です。デジタルツインは多くの企業やサービスが関わる仕組みのため、自社だけでなく、関係するすべての範囲を含めて安全性を確認することが求められます。

セキュリティ対策にデジタルツインを活用する動き

攻撃のシミュレーションで弱点を把握する

デジタルツインは、セキュリティ対策そのものにも活用され始めています。社内のネットワークやシステムの構成を仮想空間に再現し、攻撃者がどの経路で侵入し、どこまで被害を広げられるかをシミュレーションすることで、本番の環境を止めずに弱点を見つけられます。

どの対策を優先すべきかを、データにもとづいて判断しやすくなる点もメリットです。

インシデント対応の訓練に生かす

本番に近い環境を仮想空間に用意すれば、サイバー攻撃を受けたことを想定した訓練を、実際のシステムに影響を与えずに行えます。攻撃する側と守る側に分かれた演習などを通じて、担当者の対応力を高めることができます。

デジタルツインに関するよくある質問

Q. 中小企業でもデジタルツインを導入できますか？

導入できます。工場全体を一度に再現しようとすると大きな投資が必要になりますが、特定の設備や1本の生産ラインなど、効果が見込める範囲から小さく始める方法が一般的です。クラウドのサービスを使えば、自社で大きな設備を持たずに始めることもできます。

Q. デジタルツインとCPS（サイバーフィジカルシステム）の違いは？

CPSは、現実の世界（フィジカル）から集めたデータを仮想空間（サイバー）で分析し、その結果を現実に反映する仕組み全体を指す考え方です。
デジタルツインは、CPSを実現するための中心的な技術のひとつと位置づけられており、両者はほぼ同じ方向を目指す近い概念といえます。

Q. 導入するうえでの課題は何ですか？

主な課題は、データの品質、人材、費用の3つです。センサーのデータに抜けや誤りがあると、デジタルツインの精度は大きく下がります。また、データの分析やシステムの構築に詳しい人材の確保と、センサーやシステムの導入・運用にかかる費用も課題になります。
目的と期待する効果を明確にし、小さく始めて効果を確かめながら広げていくことが大切です。

Q. 人の情報を扱う場合に注意することは？

カメラの映像や、作業者が身に着けるセンサーのデータなど、人に関する情報を扱う場合は、個人情報の保護に配慮する必要があります。何の目的で、どのようなデータを集めるのかを関係者に説明し、必要な範囲に限って収集・利用しましょう。
個人を特定できない形に加工して使うことも検討します。

Q. デジタルツインとメタバースは組み合わせられますか？

組み合わせることもできます。たとえば、都市のデジタルツインを土台にして、利用者が仮想の街を歩いて体験できるメタバースを作る取り組みもあります。
ただし、目的が異なるため、デジタルツインとして現実を正確に再現する部分と、体験として楽しむ部分を区別して考えることが大切です。

まとめ

デジタルツインは、現実の設備や都市などを仮想空間に再現し、現実と常につながりながら監視や予測、改善に役立てる技術で、製造業や都市計画、建設、医療などで活用が広がっています。

一方で、現場の「設計図」が集まり、現実の設備も操作できる仕組みだからこそ、データの盗難や改ざん、不正な操作といったリスクがあります。アクセスの管理やデータの検証、操作の制限を組み合わせて、安全に活用しましょう。

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