DXの促進に力を注いでいる製造企業は、工場現場やオフィスなどにおける業務の自動化・効率化を実行する中で、オートメーションのピラミッドという概念を耳馴染んできたのではないでしょうか。しかし、実際にこの概念を完全に理解する人はあまり多くないと思われます。本記事は、製造業界で多く使用されている「オートメーションのピラミッド」を説明いたします。
1．オートメーションのピラミッド（Pyramid of Automation) の歴史
オートメーションのピラミッドは、1990年代後半にISA（the International Society of Automation: 自動機器に関する国際的な標準化団体）に提唱され、ISA-95とも呼ばれます。オートメーションのピラミッドの歴史を振り返ると、工場現場とエンタープライズアリアの両方で生じたデータの透明性を高めるために、そのモデルを創造しました。
＋）1970年代から80年代にかけて、コンピュータ技術が進歩していない中で、多くの製造企業は、生産管理や資材所要量計算などの仕組みをコンピュータ化してきました。当時、ホストコンピュータが、さまざまなデータを一元管理し、これまで部署ごとに行っていた在庫管理や工程管理などを統合的に処理するCIM（Computer Intergrated Manufacturing）が大流行となりました。しかしながら、完璧なCIMのためのモデルが見つかりませんでした。
＋）オートメーションのピラミッドの前身はパデュー・リファレンスモデルです。それは、当時、パデュー大学が、デ トロイトなど北米を拠点とする多数の製造業とともに開発した CIM のためのエンタープラ イズ・アーキテクチャのモデル(Enterprise Architecture Model)です。エンタープラ イズ・アーキテクチャは、企業情報システムを構築する時に必要となる設計図に相当するものであり、企業そのものをモデル化したものとも言えます。
このころ、日本において企業情報システムの構築手法は、主に既存のパッケージをベースにカスタマイズすることです。新問題が発生すれば、又は既存のパッケージに存在していない機能を使いたければ、データがサイロ化されやすくなりました。
＋）1990年代になると、MRP-II（Manufacturing Resource Planning）からERP（Enterprise Resource Planning）と呼ばれた製造業の基幹システムは、コンピュータ技術を活用することで、販売からマーケティング、資材調達、物流、生産プロセスに至って、様々の業務をサポートしました。しかし一つだけの問題は、個別の機能モジュールあるいは業務アプリケーションソフトウェア間の繋ぎが得られないことでした。実際に製品を作った工場でも、製造企業の部署ごとでも、独自のデータとソフトウェアが多いために、製造に関係した部分の情報システムと、それ以外の経営システムの部分の境界に硬い壁が築かれました。それによるデータサイロ化は企業の発達を阻止するようになりました。
＋）そこで、ISA（the International Society of Automation: 自動機器に関する国際的な標準化団体）は、1990年代後半に、新たな経営システムと製造システムの統合に関する標準規格であるISA-95を提唱しました。
＋）最初のオートメーションのピラミッドは「オートメーション」の要素を完全に含まず、データの一元管理に集中しただけが、「階層のモデル」の礎を築いてくれました。したがって、ピラミッドは以下の通りの５つの階層で構成されました：
- レベル0：物理的なプロセスそのものをリアルタイムで管理する。
- レベル1：物理的なプロセスのセンシングや操作に関連するアクティビティを秒／ミリ秒で管理する。
- レベル2：物理的なプロセスを監視制御するアクティビティを時間／分／秒／1秒以下で管理する。
- レベル3：要求された製品を生産するためのワークフローに関するアクティビティを日／シフト／時間／分／秒で管理する。
- レベル4：製造部門を管理するために必要な経営に関するアクティビティを月／週／日で管理す
現在のピラミッドは、AIやIoTなどの先端技術を加味して、部署ごとのデータを一元管理するだけではなく、製造業の業務を自動化・効率化するのに貢献します。現在で使われているオートメーションのピラミッドにおける各階層について、2セクションで詳しく説明いたします。
図1：機能の階層モデル
2．オートメーションのピラミッドにおける階層
ISA-95の目的は、管理機能、生産機能および交換されたデータに使用されるソフトウェアシステムを区別する製造企業のモデルを定義することです。実際に多くのソフトウェアが使用されているが、本記事は代表的なソフトウェアの名を呼びます。更に、この資格は「オートメーションのピラミッド」に焦点を当てているだけでなく、生産ラインをモデル化する方法に関する詳細なフレームワークも提供します。特に、ISA-95はレベル間の通信プロトコルに着目しています。レベル0から2まで、安全性は非常に重要なので、ローカルの産業用ネットワークがフィールドバス通信プロトコルで使用されます。レベル３とレベル4の通信プロトコルはインターネットベースです。ピラミッドの上位に移動するほど、よりクラシックなITの特徴が見られます。
- レベル0：「生産工程」－原材料といった資材を処理して、製品を作るところです。センシングやアクチュエータなどのデバイスはこのプロセスを自動化します。データはミリ秒又はマイクロ秒で収集・処理されます。
- レベル1：「センシングとマニピュレーション」‐レベル0のアクチュエータとセンサーはPLC（Programmable Logic Controller プログラマブルロジックコントローラ)に接続されています。これらのデバイスは、センサから信号を読み取り、アクチュエータ―に書き込むプログラムを継続的に実行しています。
- レベル2：「監視および監督」― このレベルにはSCADAシステム（Supervisory Control and Data Acquisitionの略語）があります。これは、PLCを備えたマシンのグループが別のPLCに接続されている場合に存在します。PLCは、レベル1のように他のデバイスからのデータを制御および処理するのではなく、監視および監視します。このPLCには、ユーザーがコントロールパネルを資格できるHMIがあります。また、離れた場所で同時に1つまたは複数のマシンを操作することもできます。
- レベル3：「製造オペレーション管理」（MOMーManufacturing Operations Management）‐ 前のレベルは、製造機能に大きく関連しているが、このレベルは企画立案に関しています。製造実行管理システム（MES）ソフトウェアは原材料から、仕掛け品、完成品に至って、生産プロセスをコントロールしたり、生じた書類をデジタル化したり、データをトラッキングしたりします。管理者は集約されたデータを基づいて効果的な企画を立案することができます。
- レベル4：「ビジネスプランニング＆ロジスティックス」ーこのレベルはエンタープライズの運用をマクロ的に管理し、主にERPシステム（企業資源計画）とPLMシステム（製品ライフサイクル管理）を使います。生じた又は保持されたデータは多くの部署で活用されます。例えば、R＆D部署は集められたデータを分析・処理することで、製品を改善したり、新製品を開発することができます。
また、オートメーションのピラミッドには、「外部レベル」（レベルE）も追加されられます。このレベルは、情報を受送信または分析するために、企業に連携する外部要素で構成されます。例えば：
- インターネット
- 提供者
- コレボレーター
- 顧客
- 等々
製造業の4.0時代で自動化とコミュニケーションが重要なので、レベルEを見過ごすできないのではいだろうか。オートメーションのピラミッドの5つ階層では、データが中断なく流れています。管理者はこの透明性から多大な利益が得られます。また、レベルEと合わせたら、企業を中心するデータの「エコシステム」を築くことは可能です。
3．オートメーションのピラミッドが与えるメリット
3.1. 工場現場での作業を自動化・最適化
オートメーションのピラミッドに基づいた工場現場のモデルは、コンピュータビジョンを使うカメラやセンサー、ロボットアームなどの設備により、入荷から、製造、梱包、検品に至って、様々の作業を自動化・最適化させます。例えば、コンピュータビジョンによりQRコードやRFIDタグなどをスキャンして、製品の情報（商品棚や供給者、消費期限など）を把握することで、製品が在庫切れになったら、ドローンなどの自動ロボットが補給します。また、コンピュータビジョンを搭載するカメラは、製品の品質管理をサポートする他に、入退場を管理するのに役立ちます。
一般的に、レベル0～2で設けられた設備（カメラ、センサー、RFIDタグなど）は、工場現場での作業を管理し支えるだけでなく、製品に直接関係したリアルタイムのデータを集約するのに貢献します。もし何か問題が発生したら、上位で立つ人（部長や社長など）が寸分で問題の状況を掴めます。更に、データを継続的に収集することは、AI分析・予測の力を借りたら、将来の需要、そして潜められた危機を高精度で予測します。したがって、こられのレベルで、AIを活用する予知保全を導入する企業が多いと見られます。下の階層にAIといった先端技術の浸透率が高ければ高いほど、より正確な予知・予測を受けられます。
3.2. 製造企業での業務を効率化
工場現場での作業を抜きにして、他の部署で多くの作業を処理しなければなりません。例えば、事務所や経理部と言えば、山積んでいる書類のイメージを思い浮かべますよね。技術の発展しなかった時代で、従業員は様々なデータを手入力したり、紙の書類を年々保持したりしないといけないでした。書類の数量が多ければ、顧客を失うミスを犯しやすくなります。でも、現在は変わりました。ビジネスプランニングやエンタープライズアリアなど（つまりレベル3とレベル4）で先端技術によるスマートなシステムを導入したことで、ほとんどの業務（特に書類いっぱいの業務）をデジタル化して効率を向上します。例えば、OCR（光学文字認識）により、2～3時間かかる手入力なしで、書類をスキャンしてデジタル型の書類を受け取り、クラウドへも自動にアップロードします。そして、データを探す時、1つのクリックだけで結果が得られます。すごく便利です。また、従業員は反復的かつ簡単な作業に長時間と手間を注ぐ代わりに、従業員しかできない仕事に尽力できます。
3.3. データの一元管理
データの一元管理は、最初の「オートメーションのピラミッド」でも重視されます。各階層で先端技術による管理システムを活用することで、データをリアルタイムで収集するだけでなく、データを処理・分析・保持します。上のレベル（レベル３とレベル4）でのERPシステムなどは、レベル0～2でのデバイスにより収集されたデータを分析して、価値のあるデータを引き出してくれます。データを一元的に管理することは、年々データの損失を防止するとともに、データを研究する部署（R＆Dやマーケティング、経営部など）の業務をサポートすることに寄与します。
3.4. 売上向上および運用コスト削減
AIなどを搭載するシステムにより、部署ごとの業務の管理を最適化・効率化するとともに、データを一元管理することは、運用コスト削減および売上向上を両立させます。ある調査によると、AIと統合するERPシステムだけを使うと、運用コストを35％削減させ、売上を10％増加させると報告されました。
4．VTIグループ
VTIは、AIなどのような先端技術や製造業のノウハウを活用することにより、デジタルトランスフォーメーションと事業成長に向けたソフトウェア開発のワンストップソリューションをご提供いたします。弊社は、中核としたMES-X生産管理システムと組み合わせて使用する製品のエコシステムを開発し、ワンストップソリューションとしてご提供いたします。
MES‐X生産管理システムとは？
MES-X総合生産管理システムはMEScore（製造実行管理システム）、WMS-X（倉庫管理システム）、QMS-X（品質管理システム）、MMS-X（設備管理・保守・点検システム）、TMS-X（トレーサビリティシステム）、PMS-X（購買管理システム）の6つの主要なモジュールから構成され、生産性を向上させ、生産プロセスに関与する全てのエンティティを同期化するものです。
MES-Xシステムとともに、BusEye、ParkingX、FaceX、LogX、Smart ENE、Smart Monitoring SystemといったAI&IoT自社製品を提供して、企業様の工場におけるDXの加速に貢献することを目指しています。
＋）製造実行管理システムであるMEScore：計画立案からリアルタイム監視・報告までの生産プロセス全体を総合管理する。
＋）倉庫管理システムであるWMS-X：QRコードにより原材料、製品、在庫をリアル タイムでスマートに在庫管理を行い、手作業を削減する。
＋）品質管理システムであるQMS-X：原材料入荷から製造、製品出荷まで品質を管理し、生産プロセスを改善し、不良品を低減する。
＋）設備管理・保守・点検システムであるMMS-X：機械設備の管理・保守計画を作成し、不具合を予知・警告し、投資対効果を分析する。
＋）トレーサビリティシステムであるTMS-X：製造から販売まで、リアルタイムで製品の状態を追跡する。
＋）購買管理システムであるPMS-X：原材料などの購買を高精度で管理する。
弊社のMES-XシステムおよびAI＆IoT自社製品を詳しく調べたい方は、ご遠慮なく連絡ありがとうございます。
まとめ
上記に話したように、オートメーションのピラミッドを紹介いたします。AIに関してご質問があれば、ご遠慮なくお問い合わせください。
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参考文献
製造オペレーションマネジメント入門 ～ISA-95 が製造業を変える！～（APSOM）
