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...

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)


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


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


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．


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


エンティティV (Entity Vee)







妥当性確認


要求の

抽出概念設計



運用


Verification and

Validation Planning

Verification

Planning


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


② Functional view

③ Physical view

SysML

MATLAB/Simulink

Mechanical CADElectronic CADProgram code


内容







事例紹介




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


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


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

11

構造

要求

振る舞い

パラメトリック


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


エンティティV: 要求定義の位置付け







妥当性確認


要求の

抽出概念設計



運用


Verification and

Validation Planning

Verification

Planning


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






アーキテクチャの選定とシステム仕様



妥当性確認


要求の

抽出概念設計



運用


Verification andValidation Planning

VerificationPlanning


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


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



機能の分析

システム内部のサブシステムの分析



機能の分析15 2011 July 12SEC特別セミナー

内容







事例紹介




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：


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システム

19

「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



路面車両

ライダ

機能のコンテクストレベルの分析


ユースケース


コンテクストレベル

アナリシスレベル



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




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



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

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


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


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







事例紹介





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．


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


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


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


機能・構造モデルの構築


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．


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


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．


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.


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


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