～システムズエンジニアリングにおける役割と意義～...2012/04/17 ·...

物理現象のモデル化とＭｏｄｅｌｉｃａ言語～システムズエンジニアリングにおける役割と意義～

株式会社電通国際情報サービス

エンジニアリングソリューション事業部

石井英隆

ＱＣｏｎＴｏｋｙｏ２０１２

本日の内容

株式会社電通国際情報サービスについて

製造業の抱える悩みとモデルベース開発

Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語とは?

システムズエンジニアリングにおけるＭｏｄｅｌｉｃａ言語の役割と意義

上流から下流まで、製品開発をトータルでサポートするために

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株式会社電通国際情報サービスについて

コンサルティング・サービス

ソフトウェア・プロダクト販売／サポート

•自社開発ソフトウェアの販売／サポート

•国内外ベンダーのソフトウェアの販売／サポート

システム・インテグレーション・サービス

•アプリケーション・システムの設計／開発

•ハードウェアの選定／調達

•システム・インフラの構築サービス

アウトソーシング・サービス

プライバシーマーク認定取得

ISO27001取得

ISO14001電通グループ認証取得

商号

本社

代表者

設立

資本金

連結売上高

従業員数

URL

：株式会社電通国際情報サービス

Information Services International-Dentsu, Ltd.

：東京都港区港南2-17-1

：代表取締役社長釜井節生

：1975年12月11日

2000年11月東証1部上場

：81億8050万円

：60,232百万円（2011年3月期）

：連結 2,204名（2011年3月末現在）

：www.isid.co.jp

ISIDは誠実を旨とし、革新的で創造性あふれる専門家集団として、

情報技術の先進的活用により顧客企業と社会の発展に寄与します。

事業内容企業情報

IS 91070/ISO(JIS Q)27001

会社概要

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□子会社（６社）株式会社ISIDインターテクノロジー株式会社アイティアイディコンサルティング株式会社エステック株式会社ISIDアドバンストアウトソーシング株式会社アイエスアイディ・フェアネス株式会社ISIDアシスト

本社：品川

中部支社

関西支社

広島支社

■ISID国内拠点

□関連会社（2社）株式会社電通イーマーケティングワン株式会社ボードウォーク

□子会社（５社）ISI-Dentsu of America, Inc.ISI-Dentsu of Europe, LtdISI-Dentsu of Hong Kong, Ltd（香港・深セン）

上海電通信息服務有限公司（上海・北京）

ISI-Dentsu South East Asia Pte. Ltd.

ISI-Dentsu of Europe, Ltd（ロンドン）

ISI-Dentsu of Hong Kong, Ltd（香港・深セン）

ISI -Dentsu of South East Asia Pte, Ltd （シンガポール）

上海電通信息服務（上海・北京）

三鷹オフィス

■ISID海外拠点

□関連会社（１社）上海華鐘計算機軟件開発有限公司

ISI-Dentsu of America, Inc（ニューヨーク）

ISIDグループ

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金融ソリューションセグメント

エンタープライズソリューションセグメント

コミュニケーション I T セグメント

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金融ソリューションの提供

ビジネス・プラットフォーム・

ソリューションの提供

業種特化

ソリューションの提供

主に金融業界を対象とした「各種金融サービスに関わるソリューション」を提供する事業セグメント

基幹システムの内、主に製造業界の製品開発・製造分野を対象としたエンジニアリング系ソリューションを提供する事業セグメント

基幹システムの内、主に経営管理分野を対象としたビジネス系ソリューションを提供する事業セグメント

主に、「電通グループ会社との協業による企業向け各種ソリューション」を提供する事業セグメント

主に金融業界及び電通グループを除く全業種・業界を対象とした「各種基幹システムに関わるソリュ

ーション」を提供する事業セグメント

エンジニアリング系セグメント

ビジネス系セグメント

セグメント図

6

高度化・複雑化する製造業の製品開発プロセスを支えるために、ISIDは企画から生産まで、ワンストップで課題を解決。お客様の「ものづくり能力構築競争」におけるNo.1 ITイノベーションパートナーを目指します。

企画・開発から生産技術・生産まで製品開発プロセスをカバー

アプリケーション・プロダクト

テンプレート・ソリューション

サポート・サービス

企画開発設計生産技術生産

製品開発業務向けソリューション・マップ

プロフェッショナル・サービス

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製品開発コンサルティング開発力の評価指標『iTiD INDEX』を用いて、「開発プロセス」と「ビジネス成果」の関係を科学的・定量的に評価。iTiDが保有する改革ソリューションを元に、お客様の課題に対して最も有効な施策を導入し、「あるべき姿」を構築。

プロフェッショナルサービス

アプリケーションプロダクト

テンプレートソリューション

サポートサービス

3軸ソリューション「構想設計領域」にフォーカスした開発の見える化ソリューションを提供。製品開発の中心となる「技術」「プロセス」「判断」の3つの要素を連携して見える化することにより形式知化します。

3次元データの徹底的な利活用3次元プラットフォームである「NX」、製品とプロセスに関する情報を一元管理する「Teamcenter」、生産準備の効率化に寄与するDM(Digital Manufacturing)システムなど、世界シェアトップクラスの様々なアプリケーションを提供。

標準サポートサービスソフトウェア最新版の提供やソフトウェア操作などへの質問対応、技術情報の提供など。

個別ポートサービスソフトウェアのトレーニングやソフトウェアを有効活用頂くためのお客様個別の技術支援サービスを提供。

CAE効率化Webシステム解析モデル・解析条件・結果レポートなどのデータと、確認項目・評価基準などのノウハウを一元管理し、容易に再利用する環境を提供。

マルチCAD対応WEBベースデータ変換・配信システム3次元CADデータ変換を「いつでも、誰でも、どこからでも」行なえるようにしたマルチCAD対応のWEBベースのデータ変換システム。

製品開発業務向けソリューション

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製造業の抱える悩みとモデルベース開発

製品ニーズ・製品開発の変化

近年の製品ニーズ

製品に対するニーズは近年、多様化・高度化の一途を辿っており、性能・機能・品質など全ての面で要求を満たすことが製品に求められている

製品に要求される各要件は互いに密接に関連しており、多様化・高度化が進むほど、それぞれを切り離して検討することが難しくなってくる

性能機能

品質

製品全体イメージ

製品全体を「システム」と捉えた検討が重要になってきている10

近年の製品開発の変化

近年の製品開発の変化

製品をシステムと捉えた検討が進むことで、従来のメカ設計中心の開発から、制御（ソフト・回路）設計中心の開発へのシフトが進む

従来の開発手法では制御設計の比重増加に対応できず、結果として不具合による手戻りなどが増加する

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単位：万行

単位：年

ソフトウェアの開発規模の拡大

自動車

カーナビ

携帯電話

過去数年でソフトウェアの開発規模は数倍～十倍以上にまで増大

→従来のメカ設計中心の開発手法による対応は困難

制御設計の比重増加に対応するために、「モデルベース開発」と呼ばれる開発手法が提唱され、多くの企業が取り組みを始めている

適用の進むモデルベース開発

モデルベース開発とは

書面の代わりにモデルで仕様を表現し、制御とメカなど複合領域を同時にシミュレーションで検証をしながら設計を進めていく開発手法のこと

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・仕様をモデルで表現

・システムモデルを用いることで、構想設計段階から詳細設計段階まで継続して検証・評価ができる

・各設計に並行して取り組むことができる

・急な仕様変更にも、モデル変更で即座に対応できる

制御設計

メカ設計システム設計

システムモデル

構想設計段階詳細設計段階

モデルベース開発プロセス

・仕様を書面で表現

・構想設計段階では性能評価できない

・上流の設計が終わらないと、次の設計に着手できない

・仕様変更が生じると設計変更に時間がかかる

構想設計段階詳細設計段階

仕様書

従来の開発プロセス

メカ設計

制御設計

期間短縮



従来、「モデルベース開発」という言葉は制御開発の分野で使われていたが、現在では製品設計全般の分野で使用されるようになってきている

開発実施

外部設計

内部設計

システムテスト

サブシステムテスト

コンポーネントテスト

コーディング

単体テスト

システムテスト

受け入れテスト要求分析

基本設計

詳細設計

要件定義検証

検証

検証

検証

検証

検証

制御分野の開発プロセス製品の開発プロセス

「モデルベース開発」は制御分野から製品設計全般へと適用範囲が広がってきている

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モデルベース開発とＭｏｄｅｌｉｃａ言語

モデルベース開発とＭｏｄｅｌｉｃａ言語

モデルベース開発で使用するプラントモデルの作成に適した言語として、最近特に注目されてきているのが「Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語」

欧州のＭｏｄｅｌｉｃａＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎによって開発されたオブジェクト指向の物理系モデリング言語のことで、様々な現象を数式表現できる

Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語（画像はＭａｔｈＭｏｄｅｌｉｃａ） 14

Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語とは？



分野を問わず、様々な物理現象をモデル化して、評価することが可能な言語

自動車・エネルギー・電機/精密・航空/宇宙など様々な分野で多くの実績を持ち、物理モデリングの分野では標準的に使用されている

欧州では適用が進み、多くの企業で設計開発の初期段階からＭｏｄｅｌｉｃａを使用したモデルベース開発に取り組んでいる

自動車

エネルギー

電機・精密

・車両の走行シミュレーション・ハイブリッドカーの設計・解析

・発電所のシステム設計・オフィスビル全体のエネルギー評価

Ｍｏｄｅｌｉｃａを使用した取り組みの例

・電力回路の現象解析・油圧バルブの設計

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Ｍｏｄｅｌｉｃａソルバ―の処理内容

Ｍｏｄｅｌｉｃａソルバ―は、Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語で記述された方程式を連立させて、それを数式処理してCのコードを生成し、コンパイルして実行モジュールを作成する

従来の解析ソフトは、解く方程式は変わらず、モデル・変数情報が異なるだけ

パラメータを変更しながら、簡単に特性評価が可能

方程式をＭｏｅｌｉｃａ言語で記述（ＧＵＩでも設定可能）

・方程式を自動的に連立・Ｃのコードを自動生成

コンパイル

Ｍｏｄｅｌｉｃａファイル

実行形式ファイル

Ｃファイル

kxdtdxc

dtxdmF ++= 2

2

1

mgF =2

・・・・・・・・・

Ｍｏｄｅｌｉｃａソルバ―

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Ｍｏｄｅｌｉｃａの使い方

通常は、１Dツールと呼ばれるモデリングのためのツールをGUIとして使用する

直接Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語を記述する以外に、用意されたライブラリ内のコンポーネントを配置することでＭｏｄｅｌｉｃａのモデルを作成することもできる

ライブラリ

コンポーネント

コンポーネントを配置・接続してモデルを構築自動的にModelica言語へ変換される

1DツールGUI（MathModelica）


＊ここでは1Dツールの一例として、Wolfram Research社のMathModelicaを使用しています 18



ライブラリにあらかじめ用意されたは様々なコンポーネントを組み合わせることでモデルを構築できる

各コンポーネントは様々な物理式が格納されており、コンポーネントを組み合わせることで物理式同士が連成され、複雑な現象もモデル化することができる

f：荷重c：バネ定数s_rel0：バネ自体の長さs_rel：バネの伸び量＋バネ自体の長さ

バネの伸び量と力の関係式

Springのコンポーネントにはバネの方程式が格納されており、モデル内でばね要素として作用する

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モデルをコンパイルして実行することで、各変数の変化をグラフ上で評価できる

特定のライブラリを使用してモデルを作成することでアニメーション表示もできる

パラメータを変更しながら挙動を評価することもできる


結果表示イメージ

コンパイル＆実行

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あらかじめ用意されたライブラリ内のコンポーネントを配置することで、誰もが容易にモデルを構築できる

Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語の特徴

特徴１：高い汎用性を持つ

１Dツールと呼ばれる製品開発で利用されている多くのモデリングツールがＭｏｄｅｌｉｃａに準拠しており、Ｍｏｄｅｌｉｃａで作成されたモデル・ライブラリはツールを問わずに使用できる

１Ｄモデルファイル（Ｍｏｄｅｌｉｃａで記述）

model ModelModelica.Thermal.HeatTransfer.HeatCapacitor IC(C=0.264, T.start=298.15);Modelica.Thermal.HeatTransfer.HeatCapacitor PWB(C=10.175, T.start=298.15);Modelica.Thermal.HeatTransfer.HeatCapacitor AIR(C=1.67227e-05, T.start=298.15);Modelica.Thermal.HeatTransfer.HeatCapacitor SHIELD01(T.start=298.15, C=0.378);Modelica.Thermal.HeatTransfer.HeatCapacitor SHIELD02(T.start=298.15, C=0.378);Modelica.Thermal.HeatTransfer.HeatCapacitor SHIELD03(T.start=298.15, C=0.378);Modelica.Thermal.HeatTransfer.FixedHeatFlow fixedHeatFlow1(Q_flow=1);Modelica.Thermal.HeatTransfer.Celsius.TemperatureSensor IC_TempSensor;Modelica.Thermal.HeatTransfer.Celsius.TemperatureSensor PWB_Temp_Sensor;Modelica.Thermal.HeatTransfer.Celsius.TemperatureSensor AIR_Temp_Sensor;Modelica.Thermal.HeatTransfer.Celsius.TemperatureSensor SHIELD01_Temp_Sensor;Modelica.Thermal.HeatTransfer.Celsius.TemperatureSensor SHIELD02_Temp_Sensor;・・・・・・・・・・・・・・

Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語

Ｍｏｄｅｌｉｃａを使用してモデル・ライブラリを作成することで、ツールを問わずに使用できる

ツールＡ

ツールＢ

ツールＣ

ツールＤ

ツールＥ

ツールＦ

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特徴２：分野を問わずに適用できる

機構・構造・流体・熱・制御といった複数分野の連成問題を扱うことができる

物理式を解くため、従来のシミュレーションと比較して高速に解を求められる

形状が定まらない構想段階での性能評価にＭｏｄｅｌｉｃａは最適

Ｍｏｄｅｌｉｃａ構造解析・機構解析など

・決まった方程式を解く・分野毎に個別のツールで解析を実施・複数分野に跨る解析は、難易度が高い・解析時に形状データが必要・解析に比較的時間がかかる・形状に基づいた詳細な分析・評価が可能

・方程式を最適化し、毎回実行モジュールを作成・複数分野に跨るモデルも簡単に作成できる・物理式だけで解析でき、形状データは不要・物理式を解くため、解析時間は比較的短い・形状を基にした分析・評価には向かない

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特徴３：非因果モデリングへ対応している

入出力の因果関係が示されていないモデル（非因果モデル）を解くことができる

因果モデルへの変換が不要のため、非因果モデルは扱いやすい

非因果モデル因果モデル

・入出力の因果関係を明確に示す必要がある（フローの向きが矢印で明示される）

・モデル化の前に『未知数＝』の形式に式を変換する必要がある

・入出力の因果関係を明確に示す必要がない（フローに向きがない）

・システムやコンポーネントのふるまいを保存則で記述するだけでモデル化できる

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特徴４：制御系ソフトとの連携性が高い

特にＭａｔｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋとの連携性が高く、Ｍｏｄｅｌｉｃａでプラントモデルを作り、Ｍａｔｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋで制御系を作って連携シミュレーションができる

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プラントモデルと制御モデルの連携

・プラントモデルと制御モデルを組み合わせ、走行シミュレーションを実施できる

・パラメータを変更しながら、様々な走行パターンでの解析が可能

プラントモデル（自動車）（Ｍｏｄｅｌｉｃａ）

制御モデル（Ｍａｔｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ）

デモ

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Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語の適用例

適用例１：電動パワーステアリング

ステアリングの感覚はブランド価値に直結するため、パワーアシスト機能によってどのような影響を受けるか理解することは重要

性能特性評価のために機構（シャシー）・電気・ソフトの連成について内製ツールを使っていたが、満足いく結果が出ていなかったため、Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語を適用

Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語の適用により機構と電気の相互作用を把握し、Simulinkと連携して制御まで含めて検討することできるようになった

＊『Ｍｏｄｅｌｉｃａによる物理モデリングセミナー』Ｍｏｄｅｌｏｎ社講演資料より 26


適用例２：石炭火力発電プラントの炭素吸着ユニット

火力発電プラントの二次燃焼時の炭素吸着ユニットをモデル化

従来は発電プラントの解析と化学プラントの解析に別のツールを使っており、連成がうまくいかず信頼度の低い結果しか得られなかった

Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語を使用して発電プラントと化学プラントを統合的にモデルを作ることで大幅な改善

＊『Ｍｏｄｅｌｉｃａによる物理モデリングセミナー』Ｍｏｄｅｌｏｎ社講演資料より 27


適用例３：自動車の走行シミュレーション

タイヤ・サスペンション・車体といった自動車の各部分をモデル化し、それを組み合わせることで走行シミュレーションを実施

各部分の特性値を変更することで、走行挙動の変化を確認することができる

＊『Ｍｏｄｅｌｉｃａによる物理モデリングセミナー』 Prof. Peter Fritzson 講演資料より 28

システムズエンジニアリングにおけるＭｏｄｅｌｉｃａ言語の役割と意義

システムズエンジニアリングとＭｏｄｅｌｉｃａ

システムズエンジニアリングとは？

システムを設計するための普遍的な方法論を体系的に扱う工学である

どのようにして複雑なエンジニアリングプロジェクトを設計し、ライフサイクルをマネジメントするか、に着目した分野横断的な工学

“Systems engineering is an interdisciplinary field of engineering focusing on how complex engineering projects should be designed and managed over their life cycles.”(Wikipedia)

上位階層から下位階層へ向かって具体化することでモデルを構築するＭｏｄｅｌｉｃａ言語とは、相性が非常に良い

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機構・構造・熱・流体・制御といった複数分野に跨る現象を扱えるＭｏｄｅｌｉｃａ言語はシステムズエンジニアリングに適した言語

構想設計段階でシステム全体の性能評価を行う際にＭｏｄｅｌｉｃａ言語は最適

商品企画構想設計詳細設計試作出図

製品開発の流れ

システム全体の性能設計システムを構成する個別要素の設計

各要素で必要とされる性能を見積もる必要性能を満足する要素を設計する

Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語ＣＡＤ・ＣＡＥ

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Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語とＳｙｓＭＬ

ＳｙｓＭＬがシステムをモデリングするために開発された標準言語であるのに対し、Ｍｏｄｅｌｉｃａは数値解析により実際の性能評価を行うための言語

SysMLとのModelica IF規格が検討されている

ＭｏｄｅｌｉｃａＭＬの技術

ＯｐｅｎＭｏｄｅｌｉｃａホームページより（http://www.openmodelica.org/）

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～ＩＳＩＤの取り組み～

上流から下流まで、製品開発をトータルでサポートするために

製品開発をトータルでサポートするために

ＩＳＩＤが提案する、製品開発をトータルでサポートするソリューション

モデルベース開発と企画段階、詳細設計段階以降のソリューションを組み合わせることで、製品開発の上流から下流まで手戻りの無い製品開発が可能となる

２．ＭＢＤ

商品企画構想設計詳細設計試作出図

要求構成モデル

論理モデル

設計・検証

実験

制御設計

３．ＣＡＤ・ＣＡＥ・実験１．三軸ソリューション

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システムモデル

三軸ソリューションとは？

技術・業務・判断の三つの軸で製品開発を見える化する手法

製品開発を見える化することで、手戻りの無い開発が可能となる

１．三軸ソリューション

技術の見える化

判断の見える化

業務の見える化

技術の成り立ちをモデル化する

合理的な検討計画を導く

検討課題を洗い出す

開発の見える化

三軸ソリューション

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三軸ソリューションを実現するソフトウェア「iQUAVIS」

要件（機能要件・システム要件など）と要素（ハード構成・諸元情報など）の関係性をツリー形式と表形式を組み合わせて表現

製品のメカニズム・挙動を明らかとし、システムモデル構築に必要な要件を明確化

１．三軸ソリューション

目的と手段を明確にする要件・要素ツリー

着目要件の働きを明確にする機能ブロック図振る舞いや使われ方、

相関関係を明確にする

状態遷移図・DMM表

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システムモデル（Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語）

プラントモデル

制御モデル

＋

２．モデルベース開発

モデルベース開発

製品システム全体の性能を評価し、システムを構成する各要素の必要性能を見積もる

上流段階で三軸ソリューションを適用すると、目的を達成するために必要な要件と要素があらかじめ明確となり、システムモデルを構築しやすくなる

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三軸ソリューション

結果を見ながら、各要素の必要性能を見積もる

必要な要素をモデル化

解析実行

ＣＡＤ・ＣＡＥ・実験による検証へ

３．ＣＡＤ・ＣＡＥ・実験

ＣＡＤ・ＣＡＥ・実験による検証技術

システムを構成する各要素が必要性能を満たすか、検証する

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将来的な発展方向

製品開発をトータルでサポートするために、ＩＳＩＤグループでは、さらに以下のソリューションを検討している

①．三軸ソリューション（ｉＱＵＡＶＩＳ）と数値解析の連携

②．プラントモデル構築支援

③．特定分野のライブラリ構築支援

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①．三軸ソリューションと数値解析の連携

三軸ソリューション（ｉＱＵＡＶＩＳ）と数値解析の連携

製品の要件・要素を見える化し、見える化したツリーから数値解析を実行できるようにすることで、性能の妥当性をすぐに評価できる

技術の見える化と数値解析の連携イメージ

・各要素について数値を入力し、解析を実行することで、性能評価、寄与度評価を行うことができる・形状の無い構想設計段階で簡単に性能評価を行うことができ、様々な検討ができる・バックではModelicaモデルが数値計算を行う

①値を技術バラシツリーの要素項目に対して入力する

②解析を実行する→Ｍｏｄｅｌｉｃａの解析が

裏で実行される

③計算結果が要件側に出力される

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②．プラントモデル構築支援

プラントモデルの構築支援

長年にわたって培われた解析・実験技術を背景に過去の実験データ・詳細解析モデルを縮退してプラントモデルを構築する

実験データや詳細モデルを縮退し、プラントモデルに反映しているため、高い精度を保ちつつ詳細解析と比較して高速での解析が可能となる

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プラントモデル（Ｍｏｄｅｌｉｃａモデル）

詳細解析モデル




自動車プラントモデル

詳細ＣＡＥモデル（車体モデル）

詳細ＣＡＥモデル（タイヤモデル）

詳細ＣＡＥモデル（ギヤモデル）

詳細ＣＡＥモデル（路面モデル）

③．特定分野のライブラリ構築支援

ライブラリ構築

詳細解析・実験の知見を活かし、目的に応じた実用度の高いライブラリを構築する

ライブラリを活用することで、プラントモデルを簡単に構築することができる

製品に特化したライブラリ

ライブラリ構想例

解析分野に特化したライブラリ

・コピー機用ライブラリ・モーター用ライブラリ・車体構造用ライブラリ・・・・・・・・・

・振動解析用ライブラリ・光学解析用ライブラリ・化学用ライブラリ・・・・・・・・・

既存ライブラリの例

化学系ライブラリ

機構系ライブラリ

電気系ライブラリ

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まとめ

Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語

物理式を使用することで、分野を問わず現象を表現することができる

高い汎用性を持ち、高速な解析が可能

製品開発において、システム全体性能評価が必要な構想設計段階で、特に有効

ＩＳＩＤグループの取り組み

三軸ソリューション、ＣＡＤ・ＣＡＥ・実験、物理モデルやライブラリの構築・提供により、製品開発の現場をサポート

連絡先：[email protected]

・本セッション・資料に関するお問い合わせは、下記連絡先まで

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