異分野連携とPLC全体の価値向上を促進する「MBSE」

自動車産業のように複雑で大規模なシステムが製品となる産業では、高品質かつ迅速に製品を作り込むための手法として「モデルベース開発(MBD)」が広く実践されるようになりました。ところが近年、そのMBDのあり方にも変化が求められるようになりました。電気自動車や自動運転車などの開発では、パワーエレクトロニクス技術や人工知能(AI)など情報処理技術といった、伝統的な自動車技術とは異なる専門性の技術の融合が必須になりました。さらに、製品に盛り込む機能をソフトウェア化して、市場投入後の製品を更新。製品ライフサイクル全体の価値を高めることも重要になってきています。こうした時代の要請に応える開発手法として「モデル・ベース・システムズ・エンジニアリング(MBSE)」の導入・実践に注目が集まっています。この記事では、MBSEとは何を目的にした、どのような開発手法なのか、MBDとの差異を明確にしながら解説します。

RX Japan株式会社では、日本最大級の製造業の展示会「ものづくり ワールド」を東京で行うほか、大阪・名古屋・九州でも開催しております。IT、DX製品、部品、設備、装置、計測製品などが出展し、製造業の設計開発、製造、生産技術、情報システム部門の第一線で活躍する方々が集います。開発・製造期間の短縮、DX・IT化の推進、コストダウン、脱炭素、工場の省エネ・自動化など製造業の課題を解決するアイデアが見つかる絶好の場となります。

展示会場では、製造業の最先端事例や設計開発の最前線の話題が学べる併催セミナーも開催しています。また、来場だけでなく展示会への出展も受け付けております。気になる方は、お気軽にお問い合わせください。

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 分野を超えた技術融合による大規模なシステム開発が増加

分野を超えた技術融合による大規模なシステム開発が増加

自動車・家電機器・産業機器など、あらゆる応用領域がデジタル化

パソコンから携帯電話、テレビなど民生機器、さらには自動車、産業機器、医療機器、産業プラントや社会インフラまで――。1990年代後半以降、あらゆる業界の機器・システムが次々とデジタル化していきました。

そして、システム機能や処理データの多くがデジタル化されるようになり、機器・システムが進化していく過程で、業界の垣根を超えた技術融合が進んでいます。今でこそスマートフォンに、デジタルカメラや音楽や動画のプレーヤー、ネットサイトの閲覧機能が搭載されていても誰も驚きません。しかし、こうした多様な機能の融合が進んだ素地は、個々の機能がデジタル化されたことで作られたことは間違いありません。

専門分野を超えた技術融合と、システムの複雑化・大規模化が加速

現在、多様な産業・技術分野の技術がデジタル化したことを背景として、システム開発では、大きく3つの新たな潮流が見られるようになりました(図1)。

図1 デジタル化に端を発するシステム開発3つの潮流とそこでのMBSEの位置付け

出所:筆者が作成

まず、異分野技術の融合・展開が、さまざまな領域で進んでいます。例えば、高い安全性や信頼性が求められる自動車用システムの技術が、産業機器や医療機器の領域にも応用されています。また逆に、IT業界で培われた高度な人工知能(AI)技術が、自動運転の実現に向けて自動車に応用されるようになりました。その結果、専門性の異なる技術分野のエンジニアが連携しながらシステム開発する例が増えてきました。

その一方で、携帯電話がスマートフォンに進化していく過程で見られたように、あらゆる分野の機器・システムで、システム構造の複雑化と大規模化が加速しています。デジタル化した機能の多くは、電子回路やコンピュータで処理・実現されています。このため、同一のデジタルアーキテクチャに沿っていれば、比較的簡単に多様な機能を統合することが可能であり、複雑化や大規模化していくことができます。従来独立して存在していた複数のシステムを組み合わせ、それぞれ相互連携しながら動作する巨大システムのことを「システム・オブ・システムズ」と呼びます。システム・オブ・システムズの開発には全体の機能や性能を俯瞰して設計・検証できる、これまでとは異なるシステム開発環境が必要になります。

さらに、現代のデジタル化した機器・システムでは、設計・生産・販売・活用・メンテナンスといった製品ライフサイクル(Product Life Cycle:PLC)全体を一元的に通貫した価値向上が求められるようになりました。デジタル化した設計モデルを、ライフサイクル中の各段階(プロセス)で利用して付加価値の高い業務を行っています。機能をソフトウェアで実現したシステムでは、スマートフォンと同様に、市場投入した後の製品の機能を更新・追加するサービスを提供できるようになりました。その結果、製品ライフサイクル全体の価値向上が可能な開発・生産・活用環境の構築が求められています。

時代の要請に応えるシステムの円滑な開発を後押しするMBSE

現代の製造業の企業では、製品ライフサイクル全体の価値を最大化したシステム・オブ・システムズを、専門性の異なるエンジニアが連携しながら開発するという、極めて難易度高い開発プロジェクトに挑むことが求められています。

そして、開発プロジェクトにおいて、参画エンジニア間で円滑に連携しながら、決められた期間内に目的とする機能・性能を備えたシステムを開発するための、これまでとは異なる開発手法の導入が必要になっています。こうした背景から導入されるようになった開発手法が、「モデル・ベース・システムズ・エンジニアリング(Model Based Systems Engineering:MBSE)」です。

 MBSEでシステムズ・エンジニアリングの実践を円滑に

MBSEでシステムズ・エンジニアリングの実践を円滑に

MBSEとはいかなる開発手法か、MBDとの類似点と相違点

MBSEとは、デジタル化したシステムモデルを中心に据えて、多数のチームがそれを共有し、分担・連携しながら複雑で、大規模なシステムの価値を効率的に作り込んでいく開発手法のことです(図2)。

図2 MBSEのコンセプト

出所:筆者が作成

システムの開発・利用に際しては、さまざまな専門性と役割を担うステークホルダーが参画して、ビジネスを行っています。MBSEでは、機械、電機・電子、ソフトウェアといった技術的な違い、製品企画、設計、生産、販売、メンテナンスなど製品ライフサイクル中での段階の違いを、同じシステムモデルを共有することで、乗り越える点が特徴です。それぞれの専門分野・役割の担当者が業務遂行する際に、共有するモデルを参照・更新することで、リアルタイムでシステム全体の状態の整合性を保ちながら、全体価値を最大化したシステムを開発・運用していきます。

さらにMBSEでは、システム設計を、専門分野ごとの縦割り組織で個別に進めるのではなく、横連携が可能な組織体制の下で分野横断的に進めていきます。システム要素の仕様を個別に擦り合わせ開発するのではなく、共有するシステムモデルを基にトップダウン的に開発を進めます。これによって、複雑で大規模なシステム・オブ・システムズの開発の効率化と品質向上を実現します。

現在、MBSEは、特に大規模かつ複雑、それでいながら高い安全性や信頼性が求められるシステムを開発する産業で実践されています。航空宇宙産業や自動車産業、防衛システム開発、通信システム開発などがその代表例です。

MBSEとMBDの違い

MBSEと同様に、デジタルモデルを活用してシステム開発を効率的に進める手法として、「モデルベース開発(Model Base Development:MBD)」が広く知られています。MBSEとMBDは、いずれも、システムや設計物の機能・構造を表現するのにデジタルモデルを用いていること、多様な分野のエンジニアが円滑に連携しながら、問題の早期発見・解決や品質向上を目指す点で共通しています。その一方で違いもあります。

まず、MBSEはシステム全体のライフサイクルを対象としており、要件定義から設計・検証までのプロセス全体をモデルで管理する点が異なります。さらに市場投入後の製品の活用、保全、廃棄までも管理対象になります。その一方で、MBDは、適用対象を製品の機能設計や制御系の開発に特化しています。

これらの共通点と相違点を総合すると、MBSEはMBDの概念を包括する上位概念であると言えます。このため、現在MBDに向けた開発環境を整え、実践している企業は、その仕組みと取り組みを拡張することで、製品の高度化に対応したMBSEへと移行することが可能です。

唯一無二のシステムモデルをシステム開発・運用に関わる全関係者が共有

MBSEで利用するシステムモデル(記述型モデル)は、システムの動作、機能、物理的特性などをデジタルデータで表現します(図3)。そして、このモデルを唯一無二の存在に据えて、異なる分野や製品ライフサイクル中の各段階を担当するチームやエンジニアの間でコミュニケーションします。

図3 SysMLによるシステムモデルを構成する図

出所:筆者が作成

一般に、システムモデルは、SysML(Systems Modeling Language)などの言語を用いて作成。システム全体の特徴を「要求図」「構造図」「振る舞い図」の3つの図でそれぞれ抽象的に表現します。このうち、構造図は、「ブロック定義図」「内部ブロック図」「パラメトリック図」「パッケージ図」で構成され、振る舞い図も「アクティビティ図」「シーケンス図」「状態マシン図」「ユースケース図」で構成されます。

要求図は、システムが満たすべき要求とそれぞれの要求の間の関係を表現しています。

構造図に含まれる、ブロック定義図では、システムとその構成要素を表す単位であるブロックと、ブロック間の関係を定義します。そして、内部ブロック図は、ブロック内部の構造をさらに詳細に表現するために使い、ハードウェアとソフトウェアの役割分担などを決定するために利用します。パラメトリック図では、システムの機能を表現する際に現れる多様な値の間で成り立っている制約を数式などで表現します。パッケージ図では、ブロックなどをグループ化し、パッケージ間の関係を表現する際に利用します。

振る舞い図に含まれる、アクティビティ図は、作業や処理が行われる順序や処理条件を定義します。シーケンス図では、モデル要素間の相互作用を時系列的に示します。これによって、モデル内の要素の協調による振る舞いを表現します。状態マシン図は、ブロックなどの状態や可能な状態遷移の方法を表現します。ユースケース図では、システムの機能や機能とシステムユーザーとの関係を表現します。

機械、ソフト、電気・電子それぞれの機能開発との関係

SysMLで記述したモデルを起点として、システム中の各部分の設計者や製品ライフサイクル中の各段階の担当者が、仕様記述、分析、設計、検証、評価に使います。

例えば、システム中での機械的要素は、3Dモデルといった検討対象を視覚的に理解しやすい表現形式である3Dモデルを使って設計しています。MBSEでは、SysMLで記述したシステムモデルと3Dモデルを統合し、システム全体との整合性の高い機械設計を進めていきます。

一般に、3Dモデルは、開発対象の物理的な形状や構造、大きさ、外観などを即物的かつ直感的に把握しやすい面があります。このため、SysMLで記述したシステムモデルだけでなく3Dモデルを補完資料として利用すると、専門用語などを利用して記述される文書に比べて、異分野間でのコミュニケーションを円滑化するのに役立ちます。その一方で、SysMLモデルと3Dモデルを統合することで、システム設計者と機械設計者の間で、より効果的な情報共有が可能になります。近年では、Sysモデル内のパラメータを3D CADモデルのパラメータにリンクすることで、システムレベルでの要求変更があった際、変更が3Dモデルにも反映できるようにもなりました。さらにSysMLモデルから3D CADモデルを生成したり、逆に3D CADモデルの情報をSysMLモデルにフィードバックしたりすることで、設計プロセスを効率化することも可能になってきています。

ソフトウェア機能の開発や電気・電子機能の開発でも、基本的には機械設計と同様の手順で進めます。

ソフトウェア開発では、UML(Unified Modeling Language)などソフトウェアで実現する機能間の連携を記述しやすいモデリング言語を用いたうえで、SysMLで記述したシステム全体との連携を定義します。SysMLは、UMLを拡張して生まれたモデリング言語であり、他の開発言語に比べると連携しやすい面があります。

一方、電気・電子機能の開発では、VerilogやVHDLなどハードウェア記述言語(Hardware Description Language:HDL)を用いて機能をモデル化したうえで、SysMLで記述したシステム全体との連携を定義します。既に、SysMLモデルからHDLコードを生成するツールやSysMLモデリングツールとHDL開発環境を統合したツールも存在します。

 時代の要請に応える、MBSEの導入メリット

時代の要請に応える、MBSEの導入メリット

専門分野を超えた技術融合と、システムの複雑化・大規模化が加速

MBSEを活用することで、さまざまなメリットが得られます(図4)。

まず、複雑で大規模なシステムを、短期間かつ高品質、低コストで開発できるようになります。設計過程で発生した問題を早期に把握し、迅速な修正が可能になるからです。こうした効果には、設計過程でデジタルモデルを利用して作業の多くを自動化することも寄与しています。複数のシステムを組み合わせたシステム・オブ・システムズの開発でも、システム内の複雑な連携や依存関係を明確に把握しながら、開発を進めることができます。

図4 MBSEの導入メリット

出所:筆者が作成

また、複雑なシステム全体と部分それぞれの関係の理解と管理が容易になります。これによって、開発過程で何らかの問題が発生した場合にも、問題の早期発見と修正が可能になり、開発期間の短縮とコスト削減が実現します。システム中の一部分に設計変更があった場合、システム全体や他の部分に及ぶ影響を迅速に把握し、適切な対応が可能になります。

さらに、視覚的にわかりやすく、専門分野が異なる開発部門や、製品ライフサイクル中の各段階を担当する部署の間で、相互の関係や連携の整合性を把握・維持できます。担当部署を超えた効率的、効果的なコミュニケーションとコラボレーションが実現します。

客観性の高いモデルを基にすることでトレーサビリティが向上し、ドキュメント中心のシステム開発でありがちなヒューマンエラーの発生を抑制し、一貫性を維持できます。これによって、製品ライフサイクル全体にわたって、製品の価値を最大化できます。

 自動車や航空宇宙、通信の領域で積極適用

自動車や航空宇宙、通信の領域で積極適用

自動車産業での実践例

MBSEは、複雑で大規模なシステムを開発している多様な業界に導入されるようになってきました。特に、高い安全性や信頼性が求められる、自動車産業や航空宇宙産業、通信システムの開発では欠かせない開発手法になっています(図5)。

図5 MBSEの導入がとりわけ顕著に進む産業

出所:筆者が作成

自動車産業では、近年のCASE(Connected、Autonomous、Shared、Electric)トレンドに沿ったクルマの進化が求められる中で、車載制御システムの開発がますます複雑化しています。このような背景から、効率的な開発プロセスを実現するために、MBSEの導入が注目されるようになりました。特に、欧米の自動車メーカーでの取り組みが先行しており、ダイムラーやBMWなどがMBSEを積極的に導入しています。一方、日本においてもMBSEを導入する試みが進めており、その有用性が認識され始めています。

例えばマツダは、SKYACTIVエンジンの開発へのMBD活用の成功を受けて、それを拡張したMBSEの導入にも取り組んでいます。これによって、車両全体の開発プロセスを効率化し、早期に問題を発見することが可能になるとしています。別の自動車メーカーでは、MBSEを導入することによって、不具合の早期発見が可能になると同時に、試験車両を従来比90%減と大幅削減して、大きなコスト削減効果を得たとしています。

今後、自動車は、市場投入後にソフトウェアの更新による機能の変更・追加などをサービスとして提供する「ソフトウェア定義車両(SDV)」が商品の主流になる可能性が高いとみなされています。SDVでは、製品ライフサイクル全体を対象にして、製品価値の最大化や開発・運用効率の向上を図る必要があります。こうした中で、MBSEが果たす役割は、ますます大きくなってくることが予想されます。

航空宇宙産業での実践例

航空宇宙産業では、製品のシステム構造が複雑化していく中で、同時に設計・開発プロセスの効率化が求められています。そこで、従来の文書ベースの開発手法に代えてMBSEを導入することでさまざまな課題解決を目指しています。

まず、航空機では、複雑な規制要件を準拠しながら、顧客要件を満たす開発を進める必要があります。こうした多岐にわたる設計要件の情報を一元管理するために、MBSEを活用しています。さらに、航空機は多様なシステムを統合した製品であり、莫大な数の部品・材料サプライヤーから資材を調達して開発・生産することになります。MBSEを導入することで、システム統合によるコストとリスクの最小化と、効率的なサプライチェーン管理を実現しています。さらに、基本的に航空機は、部品交換などをしながら長期にわたって使い続ける製品であるため、設計時の意思決定がライフサイクル全体の価値に大きな影響を及ぼす傾向があります。そして、製品ライフサイクル全体での開発期間やコストを最大限削減するためにMBSEは欠かせない手法になっています。

宇宙産業においても、多くの導入事例が出てきています。例えば、NASAとLockheed Martin Spaceは、「米国版はやぶさ」と呼ばれる小惑星探査機「OSIRIS-RExミッション」において、MBSEを用いてミッション軌道のシミュレーションを行い、複雑な運用を統合しました。これによって、宇宙探査機の着陸からサンプル採取までのプロセスの効率化を実現しました。また、JAXA(宇宙航空研究開発機構)は、革新的衛星技術実証3号機においてSysMLを使用したMBSEを導入し、運用シナリオに基づくモデリングを試行しています。これによって、設計変更時の影響範囲を迅速に把握できるようにしました。

通信システム開発での実践例

5G通信システムの開発は、従来の通信技術に比べてはるかに複雑な要求を満たす必要があります。開発工程自体が複雑で、なおかつ多岐にわたる要素が絡み合い、従来の開発手法では対応が難しくなっています。このため、MBSEが注目されています。

例えば、5G対応の車載通信システムの開発にMBSEが適用されています。自動運転車などへの搭載が想定される車載アンテナの設計では、MIMO(Multiple Input Multiple Output)と呼ばれる多数のアンテナを組み合わせて相互連動させる技術の導入が想定されています。MIMOを導入した際のアンテナ間の相関係数を評価して、通信性能を向上させる設計の効率化を狙って、MBSEを導入し、設計エビデンスの一元管理と、不具合の根本原因分析の迅速化が図られています。

また、製造業における5Gネットワークを利用したスマートファクトリー化でも、MBSEが重要な役割を果たしています。デジタル技術を駆使して生産プロセスの自動化・効率化を図る中で、MBSEによるシステム設計が不可欠とされています。

 まとめ

まとめ

さまざまな産業において、多様な専門分野の技術の融合が進み、複雑で大規模なシステム・オブ・システムズを開発する例が増えています。また、スマートフォンのように、製品出荷後にも製品の機能を更新し、製品ライフサイクル全体での価値を向上させる製品が増えてくる見込みです。こうしたシステムの価値を最大化させる開発・運用を効率的に進めるうえで、MBSEは大きな効果を発揮することでしょう。

RX Japan株式会社では、日本最大級の製造業の展示会「ものづくり ワールド」を東京で行うほか、大阪・名古屋・九州でも開催しております。IT、DX製品、部品、設備、装置、計測製品などが出展し、製造業の設計開発、製造、生産技術、情報システム部門の第一線で活躍する方々が集います。開発・製造期間の短縮、DX・IT化の推進、コストダウン、脱炭素、工場の省エネ・自動化など製造業の課題を解決するアイデアが見つかる絶好の場となります。

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執筆者プロフィール

伊藤 元昭

富士通株式会社にて、半導体エンジニアとして、宇宙開発事業団(現JAXA)の委託による人工衛星用耐放射線半導体デバイスの開発に従事。日経BP社にて、日経マイクロデバイスおよび日経エレクトロニクスの記者、副編集長、日経BP半導体リサーチの編集長を歴任。


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