ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 2014年1月24 … · で何ができるのか？システムを構成するサブシステムに対する機能要求とその振

Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.

モデルベースシステムズエンジニアリング

慶應義塾大学大学院システムデザイン・マネジメント研究科教授西村秀和 http: lab.sdm.keio.ac.jp/nismlab/

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ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 2014年1月24日(金)

Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会

略歴と業績略歴

1985年3月慶應義塾大学理工学部機械工学科卒業 1987年3月同大学院理工学研究科機械工学専攻修士課程修了

1990年3月同大学院理工学研究科機械工学専攻博士後期課程修了工学博士

1990年4月より千葉大学工学部機械工学科助手 1995年より同助教授

2006年9月～10月デルフト工科大学訪問研究員

2007年2月～3月バージニア大学訪問准教授

2007年4月慶應義塾大学先導研究センター教授「SDM研究科設立準備」

2008年4月慶應義塾大学大学院システムデザイン・マネジメント研究科教授

2011年4月～2012年3月日本機械学会機械力学・制御部門部門長

2012年2月～2014年1月計測自動制御学会総務担当理事（2013年度副会長兼務）

著書

1998年『MATLABによる制御理論の基礎』（共著），『MATLABによる制御系設計』（共著）

2007年『運動と振動の制御の最前線』（共著）

2012年『システムズモデリング言語 SysML』 (監訳 A Practical Guide to SysML)

共同研究実績

車両衝突時の乗員保護制御，次世代車両運動統合制御，Adaptive Cruise Control，EPS，

エンジンベンチ制御，タワークレーンのアシスト制御，熱設計マネジメント，次世代プレス開発など

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西村秀和


System ？

システムとは何か？システム：相互に関連し全体として機能するコンポーネントの集まりハードウェア，ソフトウェア，人，設備など複数のドメインで構成

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System of interest

境界：boundary

アクター actor：行為者（人とは限らない）

Use Case１ Use Case 2

環境

System of interest 対象システム


System of Systems 様々なシステムが複雑に関連する中で、対象とするシステムを設計することは極めて難しい。

システム System of interest

システム1

システム2 システム3

システム4

4


オペレータが介在するシステムの設計オペレータと対象システムはどのような相互作用を起こすか？

オペレータによる操作とコントローラによる制御の間に矛盾が生じないようにシステムを構築する必要がある。

Operator-in-the-loop Design

認知判断行動

オペレータ

外部システム，環境

コントローラ

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プラント

対象システム


コミュニケーションの失敗

このシステムは、●● と××から構成され、 △△の運用を考えたときに、、、

？

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図を用いたコミュニケーション

このシステムは、●● と××から構成され、 △△の運用を考えたときに、、、

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システムズエンジニアリングとは何か？システムズエンジニアリングの定義

システムを成功裏に実現するための複数の分野にまたがるアプローチおよび手段

システムズエンジニアリングでは、開発のライフサイクルの初期段階で顧客のニーズを明確化し、機能要求を定義し、関連する問題をすべて考慮しながら設計のための総合とシステムの妥当性確認を進める。

システムズエンジニアリングは、ユーザーニーズに合致した品質の製品を供給することを目的とし、ビジネスとすべての顧客の技術的要求の両者を考慮する。

INCOSE: International Council on Systems Engineering

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“モデルベースでシステムを考える”とは？

モデル＊に基づくシステム開発仕様書など文書だけではすぐに理解できないことが、図的に表現することで理解が容易になる。

協働してシステム開発をするには、共通言語が必要であり、それをサポートするには図的な言語が有効である。

モデルを再利用することにより開発の効率化が期待できる。モデルを用いて抽象度を上げることにより革新に導く。

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＊注：実行可能ではないモデルを含む


システムモデルの記述システムモデル表記法：SysML（Systems Modeling Language）システムを構造，振る舞い，要求，パラメトリック制約の観点で図的に表現することができる。

図的表現により、開発者の思考を支援できる。複数のドメインにまたがる開発、分業化された開発環境で、共通言語として利用できる。

システム開発プロセスの中で要求のトレーサビリティが確保される。

構成管理、変更管理が容易になる。ーあるサブシステムやコンポーネントの要求の変更や設計の変更が生じた際に、他のサブシステムやコンポーネントにどのような影響が及ぶかを判断できる。

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システムズエンジニアリング「要求」と「アーキテクチャ」要求の２つの鉄則

機能要求：“どのように要求を実現するか？”の前に

“それは何か？”，“なぜそれが必要か？”を明確にする。

要求は“測定可能”で“テスト可能”でなければならない。

アーキテクチャの３つのビュー

Operational view：システムの使い方、動かし方

Functional view：システムへ要求される機能

Physical view：機能を実現するハードウェア、ソフトウエア

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高

抽象度

低

Architecting: the art and science of designing and building systems.


エンティティV:ビューの位置づけ

利害関係者の要求

製作，コード化に向けた仕様

Entity要求の定義

概念設計，アーキテクチャの選定，設計に向けた仕様

購入，製作，コード化

検証検査，テスト，実証，分析

妥当性確認

妥当性確認の計画

要求の

抽出概念設計アーキテ

クチャ詳細設計試験，検証製造，

運用

Customer Confirmation

Verification and Validation Planning

Verification Planning


Cus

tom

er

Con

firm

atio

n

Cus

tom

er

Con

firm

atio

n

見込

み調

査，

リスク調

査

不具

合調

査

解決策の達成

② Functional view

③ Physical view MATLAB/Simulink

Mechanical CAD Electronic CAD Program code

SysML

① Operational view

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二元V字開発モデル (Dual Vee Model) Architecture Vee

Entity Vee


要求を満足するシステムの完成

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二元V字モデルによるプロセスの理解 Architecture Vee

Entity Vee



アーキテクチャの検討，決定では，サブシステムやコンポーネントの実現可能性を検討しながら進めることがある．

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早い段階での手戻り


二元V字モデルによるプロセスの理解 Architecture Vee

Entity Vee 利害関係者の要求


コンポーネント，サブシステムの検証，妥当性確認を順序行い，システムとしての検証，妥当性確認を行って行く．

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致命的な手戻り



製作，コード化に向けた仕様

Entity要求の定義

アーキテクチャの選定とシステム仕様

購入，製作，コード化


妥当性確認

妥当性確認の計画

要求の

抽出概念設計アーキテ

クチャ詳細設計試験，検証製造，

運用

Customer Confirmation

Verification and Validation Planning

Verification Planning


Cust

omer

Co

nfirm

atio

n

Cust

omer

Co

nfirm

atio

n

エンティティV : 検証と妥当性確認

ノミナル

オフノミナル HILS/SILS

Human in the Loop Simulation

シナリオ

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IEEE 1220 systems engineering process

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要求と制約の矛盾

要求のトレードオフと影響

分解割り当てのトレードオフと影響

分解と要求の割り当に関する候補

設計解のトレードオフと影響

設計解の要求と候補

要求の基準

確認された要求の基準

機能アーキテクチャ

検証済み機能アーキテクチャ

物理アーキテクチャ

検証済み物理アーキテクチャ

SEプロセスへの入力

SEプロセスの出力統制

設計の検証

機能の検証

要求の分析

要求の妥当性確認

要求のトレード分析

と評価

設計のトレード分析

と評価

総合

システム解析機能の分析

機能のトレード分析

と評価


モデルベースシステムズエンジニアリングの海外動向

MBSE Workshop at INCOSE IW 2013 in Jacksonville, Florida

http://www.omgwiki.org/MBSE/doku.php?id=mbse:incose_mbse_iw_2013

最新のMBSEアクティビティと応用 MBSE関係者とのネットワークづくり複数分野にわたるエンジニアリング環境内でのシステムモデリング

SoS (System of Systems) modeling, Systems Modeling and Requirements Flowdown, Model Management, as well as Usability Considerations Associated with MBSE

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SysMLで何ができるのか？システムを構成するサブシステムに対する機能要求とその振る舞いを把握できる。

設計変更があった場合にも、要求のトレースが可能なため、その影響を容易に把握できる。

SysMLを用いることで、開発者の思考を支援し、ドメインをまたがる協働作業が可能となる。

コンカレントデザインを促進するフレームワークが実現可能となる。ただし、組織の硬直化などが弊害となり得る。

参考資料：システムズモデリング言語 SysML （A Practical Guide to SysML翻訳本)

西村秀和（監訳）

訳者：白坂成功，成川輝真，長谷川堯一，中島裕生，翁志強

著者：Sanford Friedenthal, Alan Moore, Rick Steiner

出版社：東京電機大学出版局（2012年5月10日）

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構造

要求

振る舞い

パラメトリック制約・数式表現・運動方程式・パラメータによる性能評価など

SysMLのダイアグラムは，互いに関連している。 → 設計変更があった場合にもその影響を容易に把握できる。

ibd act

req par

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ダイナミクス解析制御システム解析 1D-CAEなど

ハードウェア設計モデル

電気回路設計モデル

ソフトウェア設計モデル

テスト方法テストモデル

解析モデル外部からの

要求

解析

性能評価

システム仕様書

システムモデル

コンカレントデザインを促進するフレームワーク

構造

要求

振る舞い

パラメトリック制約

トレーサビリティ根拠

ビューポイント

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製品データ管理（PDM）

・部品表（BOM）・物理設計（CAD）


SysMLの活用で見えてくることシステムのモデル表現構造／振る舞い／要求／パラメトリック制約

- What – そもそも、何をしなければならないのか？

革新に導く。オペレータや外部システムとの相互作用の明確化サブシステム間のインタフェース最適化“問題”やトレードオフ“問題”の設定・定義

アーキテクチャと仕様決定までの要求のトレース

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低速域でのバイクの不安定性

without control, 15 km/h in control, 15 km/h

検証試験: 操舵軸まわりからのインパルストルク外乱（10 Nm）に対する応答

Yutaka Kamata, Hidekazu Nishimura, Hidekuni Iida，System Identification and Front-Wheel Steering Control of Motorcycle, Trans. of the JSME, Series C, Vol.69, No.688, pp.3191-3197, (2003) Yutaka Kamata, Hidekazu Nishimura, System Identification and Attitude Control of Motorcycle by Computer-Aided Dynamics Analysis, JSAE Review, Vol.24, No.4, pp.411-416, (2003)

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二輪自動車の安定化制御二輪自動車の安全な走行にはライダーによる適切な操作が必要．

突発的な外乱に対して，ライダーが瞬時に正確に二輪自動車を操縦できるとは限らない．

ライダーの操縦をアシストする方法はないか？ ABS (Anti-lock Brake System) TCS (Traction Control System) … パワーステアリングのように前輪操舵をアシストしてはどうか？ FACS (Front-steering Assist Control System)

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Front-steering Assist Control System

ユースケース図路面

ライダ

既存車両

前輪操舵アシスト制御

手動停止

開発範囲

上体

下体

前輪フレーム

前輪

後輪後輪フレーム

コンテクストレベルのユースケース分析

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属性：


1:車両を起動する

2:パワーを提供する

3:システムを開始する

4:レーンチェンジ操縦をする

5:ロールレートを検知する 4.1:路面状況の認識をする

6:外乱を受ける

5.1:車両を安定化させる

4.2:外乱を受けたことを認知する

5.1.1:ライダをアシストする

7:操縦を調整する

前輪操舵アシスト制御のシーケンス図

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要求図

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req [Package] System requirements [ 前輪操舵アシスト制御]


FACS

路面

ライダ

既存車両

インタフェース



車両起動、路面状況の認識、

車両操縦、操縦補償（操舵操作と体のリーン運動）

前輪操舵アシスト制御システム： FACSと外部関連システムとの相互作用

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O O

Z Z

Y Y

A

A

ZA

ZW

YA

YW

θwxθxW

ZA

ZW

YA

YW

a3 Kwx

Cwx

W

Rider'supper torso

Roll angleof motorcycle Lean angle

of upper torso

Rolling

wxτ

ACD

U

XA

XD

XU

ZAZD

ZU

XC

ZC

mA

mU

mD mCZ

OX rτ

XWW

ZW

mW

a1 a2

b1 b2

e1

f1

Rf Rr

c1

a3

Pf Pr

τf

Hλ

hb

Kwz, CwzRider's

upper torso

ライダー二輪自動車モデル

低次元化モデルに基づく制御システム設計 ( 1) ( ) ( )

( ) ( ) ( )kd kd kd kd xd

fc kd kd kd xd

k k k

k k k

θ

τ θ

+ = + ∆

∆ = + ∆

x A x B

C x D

Side view Rear view arm

Steering torque

Lean torque

Δθx: roll rate, the feedback signal, Δτfc: control steering torque, control output.

何をモデル化するべきか？システム解析のための機能・物理モデルの構築

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ライダー操縦モデル

wxτ

frτ1( ) dT sP IK K e

s−+

( )y t

*( )py t t+*( )y t

221

2P

PTT s s+ +

dT sPLK e−

PT se

Dynamical model of rider-motorcycle system

( )Py t T+

+ -

Rider Driving Model Lean torque

Steering torque

Lateral displacement

Target

Time delay Td

Prediction time Tp

Proportional gain KP

Proportional gain KPL

Integral gain KI

Unskilled rider 0.2 s 1.2 s 8 1.6 5

Skilled rider 0.1 s 1.5 s 5.2 1.04 4.5

2nd order prediction model

delay

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ユースケース分析とテストケース

前輪操舵アシスト制御手動停止

システム開始

ロールレートを検知する

車両を安定化させる停止命令を受ける

システム停止

旋回運動中のアシスト

コンテクストレベル

アナリシスレベル

レーンチェンジ中のアシスト

タイヤのスリップを防ぐ

直進走行状態でのアシスト

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前輪操舵アシスト制御システム

FACS データ記録

サーボモータ作動 CPU処理

手動停止

D/A変換

A/D変換

制御器実行ロールレート検知








前輪操舵軸

既存車両システム

機能アーキテクチャの例

外部システム

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実験用プロトタイプ

Servo motor Roll rate sensor Controller (PC)

Controller(PC)

Servo amp.

Roll rate

Steering torque

build by Real time workshop 33


制御システム設計評価のためのパラメトリック図

外乱操舵トルク

操舵トルクリーントルク

制御操舵トルク

ロールレート

横変位

ロール角

制御操舵トルク

横変位

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レーンチェンジ時の妥当性確認

0 2 4 6 8 100

2

3.64

Time [s]Lat

eral

dis

pla

cem

ent

[m]

0 1 2 4 6 8 10-30-20-10

0102030

Time [s]

Ro

ll a

ng

le [

deg

]

横変位ロール角

転倒

：未熟練ライダー（制御あり）：未熟練ライダー（制御なし）：熟練ライダー（制御なし）

非線形モデルシミュレーション横変位3.6 mのレーンチェンジ車速：60 km/h インパルス外乱：25 Nm, 0.7 s～0.88 s アシスト制御開始：0.7 s以降未熟練ライダーの補償動作は1.0 s以降

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最後に複数のドメインで構成されるシステムや、オペレータの介在する複雑なシステム（System of Systems (SoS)の一つ）を設計するために、MBSE（モデルベースシステムズエンジニアリング）の活用が重要であることを述べた。

モデルを用いたシステム開発では、システムモデルの記述に際して、

構造／振る舞い／要求／パラメトリック制約の４つの柱で考えることが重要である。SysMLはこれをサポートしている。

SysMLの活用例として、二輪自動車の前輪操舵アシスト制御システム設計を紹介した。MBSEで思考する過程でやるべきことが見えてくることを示した。

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参考文献 Systems Engineering Handbook Ver.3.2, INCOSE, 2010 Visualizing Project Management, Third Edition

Kevin Forsberg, Hal Mooz, Howard Cotterman, John Wiley & Sons, Inc. IEEE 1220: For Practical Systems Engineering, Teresa Doran

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1631953&userType=inst システムズモデリング言語 SysML（A Practical Guide to SysMLの翻訳本）

西村秀和（監訳），白坂成功，成川輝真，長谷川堯一，中島裕生，翁志強，

東京電機大学出版局，2012

The Engineering Design of Systems, - Models and Methods -, 2nd Edition Dennis M. Buede, John Wiley & Sons, Inc.

西村秀和，二輪自動車のコーナリング特性と走行安定化制御，自動車技術会，Vol.64, No.12, (2010), pp.43-48

Shaopeng Zhu, Hidekazu Nishimura, Laurent Balmelli, Model-Based Design of Front-Steering Assist Control System for Motorcycles , 4th Asia-Pacific Conference on Systems Engineering (APCOSE 2010), Keelung, Taiwan October 4-6, 2010

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