Download - 超上流工程~システムズエンジニアリングと ビジネ …SysML による機能要求の分析と 評価検証のためのモデリング 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西村秀和
SysMLによる機能要求の分析と評価検証のためのモデリング
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 西村秀和
http: lab.sdm.keio.ac.jp/nismlab/
超上流工程~システムズエンジニアリングとビジネスアナリシスの視点から
2011 July 121 SEC特別セミナー
内容
モデルベースシステムズエンジニアリング
Dual Vee開発モデル,Entity Vee
開発するべきシステムのSysMLによる機能要求分析
ユースケース/振る舞い/機能
何の機能を有するシステムを開発するのか?
どのようにしてそれを検証,妥当性確認するのか?
事例紹介
二輪自動車に対する操舵アシスト制御システムデザイン
コンシューマーエレクトロニクスのシステム開発
2 2011 July 12SEC特別セミナー
二元V字モデル (Dual Vee Model)
Architecture Vee
Entity Vee
利害関係者の要求
要求を満足するシステムの完成
3
Entity Veeのそれぞれのステップで,サブシステムやコンポーネントのインテグレーションが繰り返される.
2011 July 12SEC特別セミナー
エンティティV (Entity Vee)
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
検証検査,テスト,実証,分析
Custo
me
r
Confirm
atio
n
Custo
me
r
Confirm
atio
n
見込み調査,
リスク調査
不具合調査
解決策の達成
4
① Operational view
② Functional view
③ Physical view
2011 July 12SEC特別セミナー
アーキテクチャの3つの視点
Operational view
開発するシステムはどのように使用されるのか?
開発するシステムは他のシステム(外部)とどのような相互作用をするのか?
Functional view
システムは何をしなければならないか?
システムができること,サービス,提供される機能を定義する.機能間のインタフェースを明確にする.
Physical view
機能を遂行するためのハードウェアやソフトウェアを定義する.
ハードウェアやソフトウェアを構成するモジュールやアイテム間のインタフェースを明確にする.
5 2011 July 12SEC特別セミナー
アーキテクチャの3つの視点
要求を明確にする初期の段階では,Operational viewが重要
ContextやScenarioを検討すると,着目しているシステムの問題が浮かび上がってきて,そこから要求が明確になる.
Operational viewで検討したScenarioは後に検証(verification)
や妥当性確認(validation)で利用できる.
Operational viewからシステム要求が明確になったら,システムの機能として何が必要かを考える.これがFunctional view
システム要求をどうやって実現するかを先に考えてしまうと,物理的な制約が課せられることになるので,注意が必要.
もちろん,システム要求に物理的な制約が入ることもある.
システムの機能として何が必要かが明確になったら,それを実現する物理を考える.これがPhysical view
6 2011 July 12SEC特別セミナー
エンティティV (Entity Vee)
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
検証検査,テスト,実証,分析
Custo
me
r
Confirm
atio
n
Custo
me
r
Confirm
atio
n
見込み調査,
リスク調査
不具合調査
解決策の達成
7
① Operational view
② Functional view
③ Physical view
SysML
MATLAB/Simulink
Mechanical CADElectronic CADProgram code
2011 July 12SEC特別セミナー
内容
モデルベースシステムズエンジニアリング
Dual Vee開発モデル,Entity Vee
開発するべきシステムのSysMLによる機能要求分析
ユースケース/振る舞い/機能
何の機能を有するシステムを開発するのか?
どのようにしてそれを検証,妥当性確認するのか?
事例紹介
二輪自動車に対する操舵アシスト制御システムデザイン
コンシューマーエレクトロニクスのシステム開発
8 2011 July 12SEC特別セミナー
SysMLダイアグラムの分類
9
SysML
ダイアグラム
振る舞い図
構造図
要求図
ユースケース図
シーケンス図
アクティビティ図
状態機械図
ブロック定義図
パラメトリック図
内部ブロック図
パッケージ図
SysML: Systems Modeling Language
2011 July 12SEC特別セミナー
構造
要求
振る舞い
パラメトリック・数式表現・運動方程式などの制約
SysMLのダイアグラムは,互いに関連しているので,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
reqpar
10 2011 July 12SEC特別セミナー
システムモデル
ソフトウェアモデル ハードウェアモデル
要求・仕様
設計・統合
要求・仕様
設計・統合
SysMLを用いた協働作業
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構造
要求
振る舞い
パラメトリック
2011 July 12SEC特別セミナー
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
追跡根拠
システム仕様書
見地
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
12
構造
要求
振る舞い
パラメトリック
2011 July 12SEC特別セミナー
エンティティV: 要求定義の位置付け
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
検証検査,テスト,実証,分析
Custo
me
r
Confirm
atio
n
Custo
me
r
Confirm
atio
n
見込み調査,
リスク調査
不具合調査
解決策の達成
13
② Functional view
③ Physical view
MATLAB/Simulink
Mechanical CADElectronic CADProgram code
SysML
① Operational view
2011 July 12SEC特別セミナー
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
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
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 andValidation Planning
VerificationPlanning
検証検査,テスト,実証,分析
Cust
om
er
Confirm
ation
Cust
om
er
Confirm
ation
エンティティV: 検証と妥当性確認の位置づけ
ノミナル
オフノミナル
HILS/SILS
Human in the LoopSimulation
シナリオ
14 2011 July 12SEC特別セミナー
システム開発における機能アーキテクチャの分析
コンテキストレベル:外部システムとの関係
ユースケース分析
振る舞いの分析
機能の分析
システム内部の分析
ユースケース分析
振る舞いの分析
機能の分析
システム内部のサブシステムの分析
ユースケース分析
振る舞いの分析
機能の分析15 2011 July 12SEC特別セミナー
内容
モデルベースシステムズエンジニアリング
Dual Vee開発モデル,Entity Vee
開発するべきシステムのSysMLによる機能要求分析
ユースケース/振る舞い/機能
何の機能を有するシステムを開発するのか?
どのようにしてそれを検証,妥当性確認するのか?
事例紹介
二輪自動車に対する操舵アシスト制御システムデザイン
コンシューマーエレクトロニクスのシステム開発
16 2011 July 12SEC特別セミナー
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)2011 July 12SEC特別セミナー17
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
属性:
18 2011 July 12SEC特別セミナー
コンテクストレベルのユースケース→動作シーケンス→インタフェースの生成→アナリシスレベルのユースケース
「前輪操舵アシスト制御」を実現するための動作シーケンス
インタフェース
車体を安定化させる
路面車両
ライダ
コンテクストレベルのユースケース
機能のコンテクストレベルの分析
前輪操舵アシスト制御
車体を安定化させる
前輪操舵アシスト制御システム
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「前輪操舵アシスト制御」を実現するための動作シーケンス
インタフェース
車体を安定化させる
路面車両
ライダ
機能のコンテクストレベルの分析
前輪操舵アシスト制御システム
ユースケース
車体を安定化させる
コンテクストレベル
アナリシスレベル
車体を安定化させる
前輪操舵アシスト制御
コンテクストレベルのユースケース→動作シーケンス→インタフェースの生成→アナリシスレベルのユースケース
20
21
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
2011 July 12
FACS
路面
ライダ
既存車両
インタフェース
インタフェース
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の統合
22 2011 July 12
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
2011 July 1223 SEC特別セミナー
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
インタフェース
インタフェース
インタフェース
インタフェース
インタフェース
インタフェース
インタフェース
前輪操舵軸
既存車両システム
機能アーキテクチャの例
24 2011 July 12SEC特別セミナー
外部システム
二輪自動車の前輪操舵アシスト制御
サーボモータ 制御用PC
実験用プロトタイプ
ロールレートセンサ
25 2011 July 12SEC特別セミナー
制御系設計評価のパラメトリック図
2011 July 12SEC特別セミナー26
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
レーンチェンジ時の妥当性確認
2011 July 12SEC特別セミナー27
0 2 4 6 8 100
2
3.64
Time [s]Late
ral
dis
pla
cem
en
t [m
]
0 1 2 4 6 8 10-30
-20
-10
0
10
20
30
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~未熟練ライダーの補償動作は1.0 s~
内容
モデルベースシステムズエンジニアリング
Dual Vee開発モデル,Entity Vee
開発するべきシステムのSysMLによる機能要求分析
ユースケース/振る舞い/機能
何の機能を有するシステムを開発するのか?
どのようにしてそれを検証,妥当性確認するのか?
事例紹介
二輪自動車に対する操舵アシスト制御システムデザイン
コンシューマーエレクトロニクスのシステム開発
28 2011 July 12SEC特別セミナー
コンシューマーエレクトロニクスのシステム開発
コンシューマーエレクトロニクスのシステム開発において,国際的な分業が進んでいる.
開発段階で設計の手戻りが発生し,QCDの確保が困難となるケースがある.
協調設計により,設計の手戻りを防止しながら,かつ品質を確保したい.
各設計サイトでの独立したModule設計の系統化を実現し,Module~Systemトレードオフの枠組みをつくる.
2011 July 12SEC特別セミナー29
モジュールの構成と開発の分業例
システム全体の設計と,モジュールM1, M2, M3, M4の分業
2011 July 12SEC特別セミナー30
M1 M2
M3
東京
九州
台湾
北米
システム設計
M4
中国
コンシューマーエレクトロニクス
機能アーキテクチャモジュール間のインタフェース
2011 July 12SEC特別セミナー31
機能アーキテクチャキャビティを考慮した場合のインタフェース
2011 July 12SEC特別セミナー32
機能・構造モデルの構築
2011 July 12SEC特別セミナー33
システム境界条件の仮決めと更新
システム全体の初期目標値Initial target values (ITV)
各モジュールにとって,その外部となるシステム境界条件は各モジュールが開発されないと定まらない.
全モジュールの開発が終了しないと,システム全体の目標値が達成されるかどうかはわからない.
そこで初期目標値ITVを各モジュール設計にアサインし,各設計サイトでは、ITVをもとに設計・開発を独立して進める.
同時に、ITV を ”キャビティーモジュール” の属性として随時更新することによって,システム全体としての最適化を図る.
これらのプロセスをオープンにすることで,各設計サイトは,最新のITVのもとで開発を進める.
2011 July 12SEC特別セミナー34
機能~構造モデル間をParametric diagramで制約条件としてリンクする
Function Structure
Structure
パラメトリック図を用いたITVの更新
2011 July 1235 SEC特別セミナー
まとめ
モデルベースシステムズエンジニアリングの一つの表記法として有効なSysMLを用い,ユースケース図,シーケンス図を活用した機能要求の分析を行う方法を示した.
この過程でモジュール間のインタフェースが明確になること,システムの評価検証において,テストケースとして何を検証する必要があるかが明確になることを示した.
パラメトリック図を利用することで,専門分野をまたぐ協調設計に有効となるシステム全体の評価や,仕様の詳細化ができることを事例をもとに示した.
36 2011 July 12SEC特別セミナー
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.
A Practical Guide to SysML
Sanford Friedenthal, Alan Moore, and Rick Steiner,
The Morgan Kauffman OMG Press
The Engineering Design of Systems, - Models and Methods -,
2nd Edition
Dennis M. Buede
John Wiley & Sons, Inc.
37 2011 July 12SEC特別セミナー
参考文献 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 ofFront-Steering Assist Control System for Motorcycles , 4th Asia-PacificConference on Systems Engineering (APCOSE 2010), Keelung, Taiwan October4-6, 2010
Kenichi Seki, Hidekazu Nishimura, Kosuke Ishii, Laurent Balmelli,Thermal/Acoustic Trade-off Design for Consumer Electronics in ADistributed Design Environment, Proceedings of The 19th AnnualInternational Symposium of INCOSE, (2009), 0723.pdf.
関研一、西村秀和、大富浩一、国際分散設計環境下での協調設計手法の研究-場をモジュールとして取り扱う民生機器放熱静音設計-、日本機械学会設計工学・システム部門Designシンポジウム2010, (2010), dss10-0102.pdf.
Kenichi Seki, Hidekazu Nishimura, Shaopeng Zhu, Laurent Balmelli, AParametric Design Framework to Support Structural and FunctionalModeling of Complex Consumer Electronics Products, InternationalConference on Engineering Design 2011, 発表予定
38 2011 July 12SEC特別セミナー