シミュレーション・モデリングとは ？（どのように機能するのでしょうか）

もくじ
CADにおけるシミュレーション
シミュレーション・モデリングを使うのはだれか？
シミュレーションの主なメリット
シミュレーションの課題

米国の特許制度が始まった1790年から1880年まで、特許庁は特許出願の際に発明の縮尺模型を提出することを義務付けていました。通常モデルは熟練した大工によって木で作られ、各特許アイデアの新規性を評価する際に使用できる具体的なものを特許審査官に提供しました。

模型の必要性が廃止されたのはずいぶん前のことですが、研究開発やイノベーションにおいて模型は重要な役割を果たし続けています。自動車メーカーや建築家、航空機の設計者は、アイデアを実現するために小規模な模型を使用してきました。それは、「実際の生活」での感触を得るためだけではなく、市場調査や、風洞での空力試験などのエンジニアリングテストにも使用されてきました。

しかし、物理的なモデルには欠点があります。これは、革新的な技術をいち早く市場に投入することが商業的な成功と失敗の分かれ目となる場合に重要な考慮事項となります。さらに、モデルの中には、小型軽量であるがゆえに、実物大のモデルと同じようにはテストできないものもあり、結果的にデータやデザインが期待通りにならないこともあります。

幸いなことに、コンピューター支援設計（CAD）ソフトウェアとコンピューターハードウェアのパフォーマンスの進歩により、バーチャルモデルの使用が可能になりました。コンピュータ上で設計したものを、3次元グラフィックスレンダリングで視覚的に表示できるだけでなく、設計したのと同じCADソフトウェアを使って、物理的な条件をシミュレートしてテストすることができます。

CADにおけるシミュレーション

従来のシステム開発におけるCADソフトの活用は、機械の小さな部品から、巨大な船や飛行機、ビルまで、対象物の大きさや形だけを対象としていました。しかし、シミュレーションの価値を知ったCADソフトユーザーは、仮想の物体を仮想の環境で試すことを求め始め、CADソフト開発者は喜んでそれに応えました。

仮想物体を現実世界に近い条件でテストするためには、物体の大きさや形を知っているだけでは不十分です。そのためには、物体の物理的なプロパティを知り、その特性をコンピュータモデルで表現できなければなりません。さらに、これらのプロパティがテスト対象物の性能にどのように影響するかを知る必要があります。これは通常、システムの形状、サイズ、材料のプロパティに加えて、システムの動作の数学的モデル、つまり方程式によって行われます。

例えば、バーチャルの航空機をテストする際には、翼の周りを流れる空気がどのように揚力を発生させるのかを知ることが重要です。翼の物理現象を扱う数式は確立されているので、システムのCAD表現に組み込むことができます。さらに、翼に使われている材料も重要です。これは、翼の重さや、負荷がかかったとき、離着陸や乱気流などのさまざまな状況下で、翼がどのように曲がるかを決定するからです。そのため、摩擦係数などの物理的プロパティや、翼構造の強度を決定するさまざまなパラメータもモデルに組み込む必要があります。

CADによるシミュレーションモデリングの重要なアプローチとして、有限要素モデリング（FEM）の使用があります。物理現象は複雑な方程式で記述されることが多く、オブジェクトのすべての点について解くことは現実的ではありません。この問題を解決するために、FEMではオブジェクトを3次元チャンクに分割し、CADソフトではメッシュ化（オブジェクト内に3次元のグリッドを作成し、サブディビジョンを定義する作業）を行います。 

3D Precise Meshで作成されたメッシュ

数理モデルとメッシュができていれば、複数の仮想シナリオの下で様々なシミュレーション実験を行ってモデルテストを行うことができます。さらに、実際のシステムでは不可能な、設計の微調整やシミュレーションの再実行も可能です。

シミュレーション・モデリング使うのはだれか？

シミュレーション・モデリングは、すべての工学分野で、また学界だけでなく、幅広い産業分野で使用されています。ここではいくつかの例をご紹介します。

• 電気化学：次世代バッテリー技術の研究者は、シミュレーションを使用して新しいマイクロおよびナノスケールの材料を設計し、バッテリー容量を増やし、充電時間を短縮し、バッテリー全体の寿命（充放電サイクル）を延ばし、バッテリーの安全性を高めます。
• 通信分野：5G通信機器の設計者は、最大の通信距離を実現するための基地局アンテナの設計から、最大のカバレッジを実現するための基地局の配置決定、移動中の電車やバスでサービスを提供する際の問題解決まで、あらゆる場面でシミュレーションを活用しています。また、基地局、モバイル機器、アルゴリズムを様々な通信シナリオでモデル化し、新しい通信プロトコルをテストします。
• 地質学：地質学者や地震学者は、さまざまな種類の土壌、岩石、地下構造物の間の数学的関係を理解することで、シミュレーションを用いて、さまざまな種類の地震による地表の揺れの影響を予測することができます。
• 光学：エンジニアは、ナノスケールの表面設計によって特性が変化するメタマテリアルと呼ばれる材料を含め、材料の光学特性をシミュレーションすることで、さまざまな用途のための新しいレンズやその他の光学機器を設計・テストすることができます。

シミュレーションモデリングは、物理的なオブジェクトの設計やテストに限らないことに注意が必要です。これらのアプリケーションは、CADソフトウェアでのモデリングに適しています。ビジネスプロセスもモデル化してシミュレーションし、そのパフォーマンスをテストすることができます。モデリングとシミュレーションを使用することで、次のような疑問に対する答えを得ることができます。

• テクニカルサポートのスタッフは何人必要か？大規模な製品発表のために、一時的にスタッフを増やす必要があるか？
• ロジスティクスチームに配送担当者を追加した場合、注文処理のパフォーマンスにどのような影響があるのか？
• 製品ラインを追加した場合、製造インフラで追加需要に対応できるのか、それとも製造ラインと人員を追加する必要があるのか？代わりに生産を外注する場合はどうか？
• 製造工程を自動化した場合、倉庫は追加の製品を吸収できるだろうか？

シミュレーションの主なメリット

シミュレーション・モデリングは、エンジニアリングとビジネスの両方の分野で、使用する組織に多くのメリットをもたらします。主なメリットは次の通りです。

• 設計とテストのサイクルを短縮：バーチャルデザインの修正と再テストが可能なため、何度も試作品を作ってテストする時間（またはお金）を費やす必要がありません。実際に試作品を作る前に、シミュレーションで要件を満たす設計を決定することができます。
• より多くの（そしてより現実的な）テストシナリオ：物理的なプロトタイプでは、考えられるすべての動作条件をテストできるとは限りません。しかし、シミュレーションでは、モデル化してテストできる動作シナリオに現実的な制限はありません。

このように、シミュレーションモデリングは、データ分析、予測、最適化などの従来のアプローチに比べて優れています。これらのアプローチはより理論的で、オブジェクトがどのように動作するかについて、様々な仮定に基づいています。適切な数学的モデルがあれば、さまざまなシナリオを試して、動作がどうなるかを正確に知ることができます。

シミュレーションの課題

しかし、シミュレーションモデリングには課題がないわけではありません。  モデルの限界を理解していないと、シミュレーションの結果はすべて100％信頼できるという誤った安心感に惑わされてしまいます。これでは悲惨な結果になりかねません。ここでは、シミュレーションに関する一般的な問題を紹介します。

数理モデルの妥当性：前述の翼型のように、モデルによっては、その挙動を記述する明確な方程式があるものもあります。一方で、設計者が新境地を開拓しようとしている場合には、数理モデルを構築するための十分な基礎研究がないことがあります。この場合、方程式は一般化された物理的関係ではなく、推測と限られた経験的データに基づいていることがあります。このような状況では、モデルの妥当性が疑われ、シミュレーション結果の信頼性が低下する可能性があります。

ガベージイン・ガベージアウト: 誤ったパラメータを使用すると、当然ながら悪い結果になります。また、物理パラメータは1つの数値ではなく、一定の分布を持つ値の範囲である場合もあります。この変動性をモデルに適切に反映させる必要があります。

トレードオフ：複雑なシステム、特にFEMでモデル化されたシステムの場合、設計者は、精度と時間または計算能力の間のトレードオフについて決定を下さなければならないことがよくあります。非常に詳細なモデルでは、シミュレーションに必要な時間とコンピューティングパワーが、入手可能な範囲をはるかに超える場合があります。しかし、クラウドコンピューティングを利用することで、シミュレーションに必要なコンピューティングパワーをリーズナブルな価格で利用できるようになりました。

企業はどのようにしてこれらの課題を克服するのでしょうか。コンピューティングパワーの問題とは別に、シミュレーション結果の信頼性は、モデルの適切な検証と認定に依存します。幸いなことに、シミュレーションモデルを構築し、モデル検証を行うための適切な方法に関する知識は増えてきており、シミュレーションモデリングの専門家は、与えられたモデルが可能な限り現実に近い形で十分に詳細に定義されていることを確認するのに役立ちます。

CADやその他のシミュレーションソフトウェアパッケージが低価格で使いやすくなるにつれ、シミュレーションモデリングは、あらゆる商業分野のビジネスにおいて不可欠なツールとなりつつあります。  まだシミュレーションモデリングを業務の一部に利用していない企業でも、近いうちに利用する可能性は十分にあるでしょう。