CPSの導入メリットとは？分野別の活用例や世界の動向

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2023年2月には企業間の精算代行サービスが登場するなど、CPSは急速に進化しています。無人レジをはじめ、今では製造業以外の導入事例も増えてきました。今後どのような社会になるのか、CPSの活用例や日本・世界の動向をチェックしていきましょう。

CPSとは？導入目的や類似用語との違い

CPS（Cyber Physical Systems）とは、現実世界で取り込んだデータを仮想空間に取り込み、高度な分析や知識化によって社会に役立てるシステムです。簡単にいえば、フィジカル空間（現実）とサイバー空間（仮想）の連携を強化するシステムであり、以下のような導入目的があります。

CPSの概念は、現代で新たに誕生したものではありません。アメリカでは2010年以前から提言されており、2007年の米大統領科学技術諮問委員会の報告では、ICT（※）の研究・開発における最優先項目としての議論がなされました。

（※）「Information and Communication Technology」の略称。日本語では情報通信技術と訳される。

CPSはIoTとデジタルツインで構成されている

CPSと混同されやすい用語に、IoT（Internet of Things）やデジタルツインがあります。いずれもデジタル技術やデータに関係していますが、これらの用語には以下の違いがあります。

IoTには、フィジカル空間におけるデータ収集や、分析されたデータを活用する役割があります。一方、デジタルツインはサイバー空間でのデータ蓄積や、AIによる分析といった役割を担っており、IoTとデジタルツインで構成されるシステム全体がCPSと呼ばれています。

CPSがさまざまな業界で注目される理由

CPSが改めて注目されたきっかけは、デジタル技術が進歩したことです。

これまでにもデータを収集・解析する仕組みはありましたが、従来のシミュレーションは事前に設定されたシナリオ上で行われていました。つまり、一度に処理できるデータに限界があったため、現実世界に寄せたシミュレーションが難しかったのです。

その後、さまざまなデジタル技術が発展した影響で、今では膨大な情報をリアルタイムで収集・分析できる時代になりました。この進歩をきっかけに、定量分析やフィードバック機能のあるCPSが注目されたといわれています。

CPSは主に製造業で見られるシステムですが、アイデアやビジネスモデルを効率的に生み出す効果もあるため（知的生産性のアップ）、現在ではさまざまな業界から注目されています。

CPSをビジネスに導入する4つのメリット

CPSをビジネスに導入すると、業務のムリ・ムダ・ムラを省くことができます。製造業以外の分野であっても、活用方法によっては生産性を飛躍的にアップできるでしょう。

実際にどのような効果を期待できるのか、ここからはCPSの導入メリットを解説します。

1.生産プロセスや業務が最適化される

前述の通り、CPSには定量分析する機能が備わっているため、生産プロセスや業務を最適化できます。この解説だけではイメージをつかみづらいので、実際の活用例をいくつか紹介しましょう。

上記のほか、新製品と従来品の加工方法を比較したり、製品不良の発生傾向を分析したりする活用例もあります。そのため、業務のムダを省くだけではなく、事業リスクの軽減効果も期待できるでしょう。

2.サイバー空間での高度なシミュレーションができる

CPSを活用すると、サイバー空間に生産現場と同じような環境を再現できます。そのため、費用やリスクの関係で諦めていたシミュレーションにも、高度かつ低コストで取り組めるでしょう。

また、CPSで再現したサイバー空間では、製品のモデリングや仕様チェックもできます。生産部門や設計部門をはじめ、さまざまな業務や部門に活用できるため、CPSを導入するだけで経営の幅は広がります。

3.ニーズの変化に合わせた事業展開が可能になる

CPSで顧客データや市場トレンドを分析すると、ニーズの変化にも対応しやすくなります。例えばエネルギー分野では、膨大な気象データをAIに分析させて、電力需要を予測するような使い方がされています。

予測されたニーズ変化をもとに事業計画を立てれば、仕入れや在庫、発注、納品などを最適化できます。つまり、生産プロセスのムダを省けるため、人材の負担軽減やコストカットにつながるでしょう。

CPSによって経営資源に余裕が生まれると、新しい分野にも事業展開しやすくなります。

4.高精度で業務を自動化できる

CPSはロボットとも相性が良く、組み合わせ次第ではさまざまな業務を高精度で自動化できます。

例えば、精巧な加工技術が必要になる業務でも、その多くは数値化が可能です。AIが評価または理解できるデータに変換すれば、あとは産業用ロボットにインプットするだけで作業が自動化されます。

また、CPSは機器トラブルや製品異常も察知できるため、ヒューマンエラーを防ぐシステムとしても有効です。

CPSの活用例から見る導入のポイント

CPSには多くの活用方法があるからこそ、それぞれの企業に適した形で導入することが重要です。初期コスト・運用コストを抑えるためにも、綿密な導入プランを考えておく必要があるでしょう。

以下では業界や分野ごとの活用事例を参考にしながら、CPS導入のポイントを解説します。

製造業──シミュレーションやAI予測で生産環境を最適化

製造業はCPSの導入が進んでいる業界であり、人員配置や生産ラインの最適化、需要予測をはじめ、さまざまな分野に活用されています。

上記のほか、ゲーム業界ではフィジカル空間で運転するおもちゃの車を、サイバー空間のコースで走らせるようなサービスも登場しています。一般的な製造業でも、提供するモノによっては「フィジカル空間＋サイバー空間」の組み合わせでサービス提供ができるかもしれません。

医療・介護業界──ビッグデータ分析やロボットで的確な処置をサポート

JEITA（電子情報技術産業協会）の報告書によると、国内では2030年までに医療・介護分野でのCPS導入が増加すると予想されています。その成長率は製造業の2倍とされるため、今後は医療・介護業界がCPS市場をけん引するかもしれません。

実際にどのような分野に導入されるのか、分かりやすい活用例を見ていきましょう。

将来の見通しとしては、クラウドを活用した電子カルテや、ロボットによる高齢者の見守りサービスなども需要拡大が予想されています。医療・介護業界では、ひとり一人に寄り添ったサービス提供が必要となるため、ビッグデータの活用は欠かせないでしょう。

交通分野──自動操作やリスク察知による安全性向上とルート最適化

交通分野へのCPS導入が成功すると、渋滞や事故などのトラブルを回避できるため、物流など多くの業界に良い影響が生じます。サプライチェーンに影響する分野なので、どのような業界にも導入の価値があるでしょう。

交通分野にCPSを導入する目的は、「安全性の向上」と「ルート最適化」に大きく分けられます。目的によって適したシステムは異なるため、まずは「何のために導入するのか」「導入によってどんな効果を得られるのか」を明確にしておきましょう。

販売業や小売業──人協働ロボットや無人レジでコスト・労力を削減

身近な存在である販売業や小売業も、CPSによって大きく変わる可能性があります。販売業・小売業は雑務が多いため、工夫次第ではさまざまなシーンにCPSを導入できます。

大手コンビニチェーンの「ローソン」は、2018年のCEATEC JAPAN 2018で遠隔治療用ロボットを展示しました。販売業・小売業はCPSの導入範囲が広いからこそ、アイデア次第ではビジネスモデルを変革できます。

さまざまな可能性を模索しながら、ほかの業界や分野との協働も考えてみましょう。

農業分野──人材不足や高齢化問題を解消するサポートシステム

日本の農業は人材不足や高齢化が問題視されていますが、CPSが導入されるとこれらの課題を解決できる可能性があります。また、農作物の生産効率が上がるため、小売業や飲食業などにも良い影響をもたらすでしょう。

人材不足に悩まされている現場は、作業をサポートするロボットやシステムを導入することで、活用できる人材の幅が広がります。ただし、栽培環境に合わせたシステム選びが重要になるため、農作物の種類や生産量、すでに使用している設備なども意識しましょう。

CPSに対する日本政府や海外の動向

日本政府や欧米も、CPS導入には積極的な姿勢を見せています。時代のニーズや潮流をつかむために、ここからは国内外の動向を確認していきましょう。

文部科学省や厚生労働省、中小企業庁などがCPS導入を推進している

日本政府の動向については、関係省庁によって方向性に違いがあります。

文部科学省は2012年の時点で、「社会システム・サービスの最適化のためのIT統合システム構築」を事業として行っていました。年間で最大2.5億円の予算が確保されており、IT統合システムの構築に取り組む企業を公募しています。

一方で、厚生労働省はCPS/IoTの活用例として、公式サイトで水道情報活用システムのモデル事業を公開しています。採択事業が抱えていた課題や、CPSによる解決策が簡単にまとめられているため、導入計画を立てる際の参考にできます。

また、CPS導入にあたって補助金・助成金を利用したい企業は、中小企業庁の「IT導入補助金」をチェックしましょう。対象は中小企業のみですが、要件を満たすソフトウェアやクラウド、デジタル化基盤、ハードウェアなどの費用が補助されるため、CPSの導入コストを抑えられる可能性があります。

2000年代から多方面でCPS導入を進めているアメリカ

アメリカでは2000年の時点で、関係省庁へのCPS導入が取り組むべき国策として定義されています。

具体的な活動としては、政府による展示会やコンソーシアムの立ち上げが挙げられます。2014年に開催されたワシントンD.Cの展示会には、100以上の組織が参加しました。

いち早くCPS導入に向けて動いていた影響で、アメリカの研究開発は世界的に進んでいます。2018年10月に公表された国家科学技術会議（NSTC）による報告書では、以下の3つの目標が新たに設定されました。

1. 新しい製造技術の開発
2. 製造業における人材教育やネットワーク構築
3. 製造サプライチェーンの拡大

また、CPSを構成する技術の中でも、デジタルツインの研究開発に力を入れている傾向があります。

ドイツや中国などもCPS導入に積極的な姿勢を見せる

欧州の中でもドイツは、CPS導入に関して独自の方向性を探っています。

分かりやすい例としては、特定産業の研究開発政策である「インダストリー4.0」が挙げられます。これは2011年にドイツが示した施策の一つであり、スマートファクトリー（※）によるエコシステムの構築が主軸になっています。

（※）生産性向上とビジネスプロセスの変革の両面を重視した、DXを実現した工場のこと。

世界一の人口を抱える中国は、製造業に加えて物流や交通、医療、エネルギーなど、さまざまな業界へのCPS導入を目指しています。

海外企業との取引や進出を目指している企業は、対象国によってビジネスの形が変わるかもしれません。幅広い分野へのCPS導入を目指している国がある一方で、ドイツのように特定分野に注力している地域もあります。

また、政府機関がインダストリー4.0のような指針を示した場合は、プロジェクトの方向性がガラっと変わる可能性もあるでしょう。時代の変化についていくために、日本を含めた世界の動向をこまめにチェックしてください。

CPS導入の波はすでに中小企業にも広がりつつある

デジタル技術の進歩を考えると、CPSは今後も広範囲に普及すると考えられます。AIやロボットと聞くと最先端技術のイメージがあるかもしれませんが、すでに中小企業にもその波は広がりつつあります。

現状のままでは競争力を失うリスクがあるので、CPSの活用例や世界の動向はこまめに確認し、自社の生産プロセスに組み込むことも考えてみましょう。

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