【ITニュース解説】川崎市、下水道管理に「デジタルツイン」活用--名古屋大学と共同で予兆保全目指す

私たちが毎日利用する水道やトイレ。その裏側では、下水道という巨大な社会インフラが24時間365日稼働し、私たちの生活と環境を支えている。しかし、その多くは高度経済成長期に集中的に整備されたものであり、建設から数十年が経過した現在、施設の老朽化が全国的な課題となっている。すべての施設を一度に新しくするには莫大な費用と時間が必要であり、現実的ではない。さらに、施設の維持管理を担う専門職員の減少や、長年の経験を持つ熟練技術者のノウハウをいかに次の世代へ引き継いでいくかという問題も深刻化している。こうした複雑な課題を解決するため、川崎市と名古屋大学は最新のIT技術を活用した共同研究を開始した。その中心となるのが「デジタルツイン」という技術であり、これを用いて下水道設備の未来の管理方法を構築しようとしている。

これまで、機械や設備の維持管理は、主に二つの方法で行われてきた。一つは「事後保全」と呼ばれる、設備が故障してから修理する方法だ。しかし、下水道のような重要なインフラでは、突然の停止が市民生活に多大な影響を及ぼすため、この方法は極力避けなければならない。もう一つは「時間計画保全」で、一定の使用期間や時間が経過したら、まだ壊れていなくても定期的に部品を交換したり点検したりする方法だ。これは故障を未然に防ぐ点では有効だが、まだ十分に使える部品まで交換してしまう可能性があり、コスト面で非効率という課題があった。そこで現在注目されているのが、設備の「状態」を常に監視し、故障の「兆候」を捉えて壊れる前に対処する「予兆保全」という考え方だ。この予兆保全を実現するための強力な武器が、デジタルツインなのである。

デジタルツインとは、現実世界に存在する設備や建物などを、コンピューター上の仮想空間にそっくりそのまま再現する技術のことだ。「デジタルの双子」という名の通り、単なる見た目だけの三次元モデルではない。現実の設備に取り付けられた多数のセンサーから、温度、圧力、流量、振動といった様々なデータがリアルタイムで収集され、仮想空間上の双子に絶えず送られる。これにより、デジタルツインは現実の設備と全く同じ状態を常に保ち続ける。つまり、管理者はコンピューターの画面を見るだけで、遠く離れた場所にある実際の設備が今まさにどのような状態で動いているのかを、手に取るように正確に把握できるのだ。

今回の川崎市の共同研究では、水処理センターに設置されている「汚泥焼却設備」が対象となる。この設備は、下水処理の過程で発生する汚泥を衛生的に焼却処理するための、下水道システムにおける心臓部の一つだ。まず、この汚泥焼却設備の精巧なデジタルツインをコンピューター上に構築する。そして、実際の設備から得られる膨大な運転データを、このデジタルツインにリアルタイムで反映させていく。次に、集積されたデータをAI、すなわち人工知能を用いて分析する。AIは、過去の正常な運転データパターンを学習することで、「いつもと違う動き」や「将来の故障につながる可能性のある微細な変化」といった異常の兆候を、人間が見逃してしまうような初期段階で検知することができる。

AIが故障の兆候を早期に発見することで、設備が完全に停止してしまう前に、計画的にメンテナンスを行うことが可能になる。これが予兆保全の具体的な仕組みであり、多くのメリットをもたらす。第一に、予期せぬ設備の停止を防ぎ、下水道サービスを安定して供給し続けることができる。第二に、本当に交換が必要な部品だけを適切なタイミングで交換するため、無駄なコストを大幅に削減できる。第三に、設備に過度な負担がかかる前に対処することで、設備の寿命そのものを延ばすことにもつながる。さらに、デジタルツインの価値は異常検知だけにとどまらない。仮想空間上では、現実世界ではリスクがあって試せないような様々なシミュレーションが可能だ。例えば、「燃料の投入量を変更したら、運転効率はどう変わるか」といったシミュレーションを安全に行い、最もエネルギー効率の良い最適な運転方法を見つけ出すことができる。

この取り組みは、人手不足や技術継承の問題に対する有効な解決策でもある。これまで熟練職員が長年の経験と勘を頼りに行っていた「なんとなく調子が悪い」といった判断は、客観的なデータとして他の人に伝えるのが難しかった。しかし、デジタルツインとAIを活用すれば、そうした暗黙知を「特定のセンサーデータの変動パターン」といった形でデジタルデータとして可視化することが可能になる。このデータに基づけば、経験の浅い職員でも、ベテランに近い高度な判断を下すための支援を受けられる。これにより、個人のスキルに依存していた維持管理から脱却し、組織全体として技術力を維持、向上させていくことができるのだ。

川崎市のこのプロジェクトは、IoTセンサーによるデータ収集、クラウド上でのデータ蓄積・分析、AIによる高度な予測、そしてデジタルツインによる可視化とシミュレーションといった、現代のIT技術が結集した先進的な事例である。これは、IT技術が単にビジネスを効率化するだけでなく、私たちの生活を根底から支える社会インフラの維持という重要な役割を果たすことを示している。システムエンジニアを目指す人々にとって、自らが学ぶ技術が、どのようにして現実社会の課題を解決し、より安全で持続可能な社会の実現に貢献できるのかを知る良い機会となるだろう。