モデルベース開発技術セミナー - ipacopyright©2012 hidekazu nishimura. 略歴と業績...

Copyright©2012 Hidekazu Nishimura.

モデルベースシステムズエンジニアリングとSysML -システムズモデリング言語-

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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モデルベース開発技術セミナー

主催：独立行政法人情報処理推進機構技術本部

ソフトウェア・エンジニアリング・センター

2012年8月24日(金)

Copyright©2012 Hidekazu Nishimura. Copyright©2012 Hidekazu Nishimura.

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

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

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講演内容の抜粋

１．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，エンティティV

アーキテクチャの３つの視点とは？

２． SysMLによる機能要求分析

SysMLで何ができるのか？

ユースケース／振る舞い／機能

３．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

ユーザーニーズは何か？

コンテキストレベルのユースケース分析

動作シーケンスとインタフェース

機能アーキテクチャ，パラメトリック図の利用例

４．まとめ

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1-1 Dual Vee（二元V字）開発モデル

1-2 エンティティV

1-3 アーキテクチャの３つの視点とは？

1-4 要求定義と検証・妥当性確認の位置づけ

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システムズエンジニアリング：

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、開発サイクルの初期の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を考慮する。

INCOSE: International Council on Systems Engineering

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モデルベースシステムズエンジニアリング

モデルに基づくシステムズエンジニアリングの必要性

文書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。

モデルの再利用による開発の効率化，生産性の向上

SysML（Systems Modeling Language）

有力な図的表現方法として注目されている。

複雑なシステムを構造、振る舞い、要求、パラメトリック制約の面から図的に表現することができる。

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二元V字開発モデル (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

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．

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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

検証


実証，分析

見込み調査，

リスク調査

不具合調査

解決策の達成

顧客による確認

検証と妥当性確認の計画

検証の計画



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２つの鉄則、３つの視点

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つの視点

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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アーキテクチャの３つの視点

Operational view（オペレーション）

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（機能）

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（物理）

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．

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エンティティV: 要求定義の位置付け




概念設計，アーキテクチャの選定，設計に向けた仕様


検証


実証，分析

妥当性確認


要求の

抽出概念設計



運用

Customer Confirmation

Verification and

Validation Planning

Verification

Planning

検証


実証，分析

Custo

mer

Confirm

ation

Custo

mer

Confirm

ation

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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アーキテクチャの選定とシステム仕様


検証検査，テスト，実証，分析

妥当性確認


要求の

抽出概念設計



運用

Customer Confirmation

Verification and Validation Planning

Verification Planning

検証検査，テスト，実証，分析

Cus

tom

er

Conf

irm

atio

n

Cust

omer

C

onfirm

atio

n

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 Loop Simulation

シナリオ

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２．SysMLによる機能要求分析

2-1 SysMLで何ができるのか？

2-2 ユースケース／振る舞い／機能

2-3 開発するシステムの機能

2-4 ブロック間のインタフェース

2-5 機能の検証と妥当性確認の方法

書籍のご紹介（Practical Guide to SysMLの翻訳本）

システムズモデリング言語 SysML

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

著者：Sanford Friedenthal, Alan Moore, Rick Steiner

出版社：東京電機大学出版局

発売日：2012年5月10日

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SysMLダイアグラムの分類

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

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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

req par

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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

構造

要求

振る舞い

パラメトリック

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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

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

構造

要求

振る舞い

パラメトリック

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エレベーターに対する要求（例）

エレベーターは、ビルの各階から“コール（呼び）”を受けること。（入力に関する要求）

エレベーターは、想定される乗員に対して、エレベーターを呼んでいることを表示すること。（出力に関する要求）

エレベーターは、緊急コールに対してビルにある標準電話を利用すること。（外部インタフェースに関する要求）

The Engineering Design of

Systems, - Models and Methods -,

2nd Edition, Dennis M. Buede,

John Wiley & Sons, Inc.

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Elevator System

ユースケース図

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シーケンス図

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インタフェース


コンテクストレベルでの機能分析

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階層的なユースケース分解 Context Level

Analysis Level

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システムの分解の考え方

システムへの要求から機能を明確にし，構成するサブシステムやコンポーネントに機能を割り付ける．

構成するサブシステムやコンポーネント間のインターフェースを明確にし，構成要素の仕様を明確にする．

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機能１

機能2ｰ1 機能3ｰ1

機能3ｰ2


システム

サブシステムA

サブシステムB

サブシステムC


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

要求を満足する

システムの完成

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．

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検証と統合の考え方

機能１


機能3ｰ2


システム

サブシステムA

サブシステムB

サブシステムC

検証しながら統合

要求・機能を検証、確認するためのテストケースを計画する。

要求・機能が満足されているかをテストケースで検証する。

ハードウェア／ソフトウエアに関する個々の検証が済んでから、統合する。

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テストケースの計画と管理

テストケースの検討

「要求」は測定可能，テスト可能でなければならない．

ユースケースシナリオから導き出された「要求」を検証

ユースケースシナリオのとおり検証することが理想

これには外部システムが必要

HILS/SILS等で何をなすべきか？

開発されたシステムが要求を満たすことを検証

外部システムの一部あるいはすべてをsimulateする

オペレータが必要 → Human-in-the-loop Simulation

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３．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＞

3-1 ユーザーニーズは何か？

3-2 オペレーション／機能／物理の視点

3-3 コンテキストレベルのユースケース分析

3-4 動作シーケンスとインタフェース

3-5 システムレベルでの機能・物理モデリング

3-6 機能アーキテクチャ

3-7 パラメトリック図の利用例

3-8 妥当性確認の方法

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制御実験

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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要求図

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


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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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

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O O

Z Z

Y Y

A

A

ZA

ZW

YA

YW

θwxθxW

ZA

ZW

YA

YW

a3 K

wx

Cwx

W

Rider'supper torso

Roll angleof motorcycle

Lean angleof upper torso

Rolling

wxτ

ACD

U

XA

XD

XU

ZAZ

D

ZU

XC

ZC

mA

mU

mD m

CZ

O

Xrτ

XW

W

ZW

mW

a1 a

2

b1 b2

e1

f1

Rf Rr

c1

a3

Pf Pr

τf

Hλ

hb

Kwz

, Cwz

Rider'supper 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

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.

エンジニアリング解析のための

機能・物理モデルの構築

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ライダー操縦モデル

wx

fr1( ) dT s

P IK K es

( )y t

*( )py t t*( )y t

221

2

PP

TT s s

dT s

PLK 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

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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]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以降

未熟練ライダーの補償動作は1.0 s以降

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４．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．

コンテキストレベルではユーザーとシステム間のインタフェースが明確になり，アナリシスレベルではシステム内部のサブシステム間のインタフェースが明確になる．

システムの評価検証で用いるテストケースは，コンテキストレベルで検討したユースケースシナリオに基づくべきであり，そこで要求が満足されていることが検証・確認される必要がある．

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．

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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.

A Practical Guide to SysML

Sanford Friedenthal, Alan Moore, and Rick Steiner, The Morgan

Kauffman OMG Press

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，発売日：2012年5月10日

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, Keelung, Taiwan October 4-6, 2010

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モデルベース開発技術セミナー - ipacopyright©2012 hidekazu nishimura. 略歴と業績...

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