福岡カーエレ研究会

1 © 2011 The MathWorks, Inc.

モデルベース開発の業界動向

2011.10.14

MathWorks Japan

インダストリーマーケティング部

柴田 克久

2

Agenda



はじめに



今日のモデルベース開発とその背景

–

ユーザー事例にみるモデルベース開発のトレンド



事例紹介：東風車両

/Medrad/Faraday



モデルベース開発のトレンド

–

ユーザーニーズの変化への対応



MBDを支援するMathWorksツールの今後の展望

–

マルチドメインシステムモデリング

–

シミュレーションの高速化

–

コード生成

–

テスト検証の強化



終わりに

3

はじめに

4

会社概要

-



MathWorks, Inc.

–

1985年創業

–

本社：米国

マサチューセッツ州, Natick

–

従業員

2,300名超

–

製品：

MATLABプロダクトファミリ, Polyspace

 6ヶ月毎に最新版をリリース（2006/03～） 3月と9月の年2回（R20XX a/b）

–

25カ国に代理店を展開

–

350社以上のパートナー



導入実績

–

175カ国以上、100万人以上のユーザ

–

3,500以上の大学



日本法人

: MathWorks Japan

–

2009/7/1より営業開始

–

オフィス：東京、名古屋、大阪

Earth’s topography on an equidistant cylindrical projection, created with MATLAB® and Mapping Toolbox™. Natick本社ビル

5

MathWorks製品のご紹介

視覚的に理解可能なモデリング

/シミュレーション環境

–

ブロック線図シミュレーション環境

–

開発ツールの連携による統合された開発環境

–

自動コード生成による組込み

科学技術計算のための最先端の開発環境

–

対話的なプログラミング環境

–

アプリケーション固有の簡潔なプログラミング言語

–

データの探索、解析、計算およびグラフィックス機能

–

アルゴリズム開発、カスタマイズ可能な各種機能

MATLAB

Simulink

Polyspace

テストケースを必要としない静的なコード解析ツール

–

ソースコード内にランタイムエラーが存在しないことを証明

–

MISRA-Cなどのコーディング規約の適用

–

IEC61508, ISO26262, DO-178など各種認証のレポート

6

MATLAB&Simulinkプロダクトファミリ（機能別）

Fixed Point Toolbox,

Simulink Fixed Point

Stateflow, SimEvents Simscape, SimRF, SimElectronics, SimPowerSystems Simulink 3D Animation, Gauges Blockset, Simulink Report Generator EDA Simulator Link,

Simulink Verification and Validation, Simulink Design Verifier,

SystemTest, Polyspace xPC Target Parallel Computing Toolbox, MATLAB Distributed Computing Server MATLAB Coder, Simulink Coder, Embedded Coder, Filter Design HDL Coder,

Simulink HDL Coder Statistics Toolbox,

Curve Fitting Toolbox, Symbolic Math Toolbox,

Optimization Toolbox, Neural Network Toolbox

MATLAB Compiler, MATLAB Builder NE/JA/EX,

Spreadsheet Link EX

Database Toolbox, MATLAB Report

7

MATLABプロダクトファミリ（適用分野別）

Control System Toolbox System Identification Toolbox

Fuzzy Logic Toolbox Robust Control Toolbox Simulink Control Design Simulink Design Optimization

Signal Processing Toolbox DSP System Toolbox Communications System Toolbox

Wavelet Toolbox Fixed Point Toolbox

RF Toolbox Phased Array System Toolbox

SimRF Image Processing Toolbox

Computer Vision System Toolbox

Mapping Toolbox _{Data Acquisition Toolbox} Instrument Control Toolbox

Image Acquisition Toolbox Vehicle Network Toolbox Financial Toolbox

Econometrics Toolbox Datafeed Toolbox Fixed-Income Toolbox Financial Derivatives Toolbox Bioinformatics Toolbox SimBiology 8

主要な顧客エリア



航空宇宙

/防衛



自動車



通信



エレクトロニクス



半導体



産業機器・オートメーション



エネルギー産業



教育



バイオ・製薬



金融サービス

9

今日のモデルベース開発とその背景

10

モデルベース開発の

Best Practice

ｰ車載機器開発における

MATLAB利用事例



システム設計から、制御アルゴリズムの開発、プロトタイピ

ング、組込みソフトウェアの実装、検証に

モデル

を適用



例）

–

パワートレイン制御



ガソリン

/ディーゼルエンジンの燃焼制御



トランスミッション制御

–

HEV/EVの制御



モーター制御



バッテリー制御

–

走行制御



サスペンション制御



EPS

システム開発 ソフトウェア 開発

11

ユーザー様の声： 自動車業界

アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 久保様, 「JMAAB活動紹介」, JMAAB Open Conference 2009

12

東風電動車両、モデルベースデザインを

_使用して

ハイブリッド電気自動車のバッテリ

_{管理システムを}

開発

チャレンジ

ハイブリッド電気バス用のバッテリ管理制御シス

テムを開発すること

ソリューション

コントローラー設計のコードをモデルリング、検証、

生成するために、

MathWorks のモデルベース

デザイン

_{ツールを採用}

結果



予定より早くプロジェクトを完了



設計の再利用が可能に



全てのアプリケーションコードを自動生成

“モデルベースデザインの導入により、アイデ アの発案から量産コードの生成に至るまでの 開発プロセスを統合することができました。 MathWorks ツールのおかげで、設計の早期 段階から連続的な検証が可能となり、我々が 持つ高度な技術力を活かして重要なバッテリ 管理技術の開発ができるようになりました_" Dr. Xiaokang Liu Dongfeng Electric Vehicle Link to user story

13

Medrad社はMathWorksのツールにより

MRI血管造影剤注入ポンプの安全性を確保

チャレンジ

患者への薬剤の安全レベルを管理する

MRI血管造

影剤注入ポンプの設計

ソリューション

ポンプの圧力センシング技術の改善に

MathWorks

のツールを使用

結果



設計期間を数か月短縮



名誉ある産業賞を受賞



FDA の承認を獲得

“MathWorksツールにより、シ ステムレベルでコンポーネント 間の相互作用を理解することが 可能となり、物理特性をモデル 化し、ポンプの安全限界を非常 に効率的かつ迅速に 決定するこ とができました。” John F. Kalafut Medrad Medrad 社のSpectris Solaris 造影剤注入システム

Link to user story

14

Faraday がSIP開発を加速し、

NANDフラッシュコントローラECCエンジンの

ゲート数を

_{57%まで削減}

チャレンジ

SoCおよびASICの開発の高速化

ソリューション

システムレベルシミュレーションの高速化、システム性能

の改善、および商品化までの期間短縮のためのモデル

ベースデザイン環境構築に

MathWorks製品を採用

結果



シミュレーションを

200倍高速化



スループット性能を

15%向上



ゲート数を

57%削減

“Simulink環境はシステムレベルアー キテクチャの検討に理想的です。シ ミュレーションは従来のワークフロー より200倍 速くなりました。 — そして SimulinkモデルはCにもHDLにも容易 に変換することが できます。それは高 いスケーラビリティと再利用性を実現 するでしょう。” Ken Chen Faraday Link to user story

15

モデルベース開発のトレンド

1.

MBD適用分野の拡大

–

MBDの効果は、

航空宇宙・防衛、自動車以外

の分野でも証明済み

–

MBDの適用は

制御、信号処理のいずれの分野にも可能

である

2.

自動コード生成適用の深化

–

プロトタイプ向けから

量産用

_{Cコードへ}

–

Cコード（ソフトウェア開発）から

HDL

（

_{IC, LSI開発）へ}

3.

安全性、品質保証への対応

–

FDAに代表される第三者認証機関も、MBDに基づく

開発プロセスの

信頼性

や、

開発された製品の品質

を認めている

4.

地域的な広がり

–

北米・ヨーロッパ・日本から

アジア

へ

16

MBD Cost

Non-MBD

Cost

Advantage

MBD

Telecom/Datacom

$3,224,478

$6,279,861

94.9%

Auto/Transportation $2,270,597

$3,151,078

38.8%

Industrial

Automation

$1,605,783

$1,593,047

-0.8%

Medical

$1,265,059

$2,269,310

79.4%

Military/Aerospace

Special Analysis

出展：Model-Based Design in Practice – A Survey of Outcomes for Engineers and Business Leaders/Embedded Market Focus

MBD適用分野の拡大の背景には…

17 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 1990's 2002 3G 2010

KLOCS Engineering Man Months



組込みソフトウェアの開発規模は増大中。



開発要員を増やせば解決できる問題か？

出展: Bob Frankel, Chief SW strategist & TI Fellow

自動コード生成の適用深化の背景

18

Visteon, SAE Technical Paper 2004-01-0269, March 2004

http://www.mathworks.com/mason/tag/proxy.html?dataid=4361&fileid=20307

自動生成されたコードはハンド

コードよりもよい結果に

19

安全性、品質保証への対応の背景



機能安全規格への対応

–

IEC61508

–

ISO26262

–

DO-178B

–

DO-254



ガイドラインへの準拠

–

AUTOSAR

–

MISRA-C

–

MAAB Style Guide

–

NASA Orion GN&C Guideline

20

地域的な広がりの背景には

…

地域別比較

: MBD vs. non-MBD

MBD Cost

Non-MBD

Cost

Advantage

MBD

North America

$3,153,452 $3,921,519

24.4%

Europe

$2,722,134 $3,744,894

37.6%

Asia

$3,374,067 $10,189,266

202%

実際、アジアにおける開発プロジェクト毎に比較すると

_{non-MBD開発}

では

_{MBD開発の約２倍の人数の開発者が投入されている。}

21

1.

新しいテクノロジーへの対応

2.

実現手段は多様化・複雑化

3.

安全性・品質への厳しい要求

1.

マルチドメイン

システムモデリング

2.

コード生成

3.

テスト

&検証

ユーザーニーズの変化への対応

統合開発環境へのステップ

22

MBDを支援する

MathWorksツールの今後の展望

23

モデルベースデザインにおける

MATLAB＆Simulinkの位置付け



対象となるシステムを記述した“モデル”を仕様とし

て定義し、このモデルをよりどころとして開発プロセ

スを再構築する手法。

ソフトウェアの分析

/

設計モデル

信号処理や制御

アルゴリズムのモデル

広義のモデルベース開発

狭義のモデルベース開発

（

MathWorks製品の適用範囲）

（日経エレクトロニクス2月号/2008 より） 24

テ

ス

ト

&

検証

システム設計

環境モデル

タイミング_{/制御ロジック}

アルゴリズム

アナログモデル デジタルモデル

研究

要件定義

システムモデリング

実行可能な仕様書

–紙ベースの仕様書を補完する「モデル」 –チーム間コミュニケーションを改善

シミュレーションによる設計

–複合ドメインシステムをモデルに統合 –設計のトレードオフ探索 –サブシステム間の相互作用検証

性能向上や全体最適化を実現するには

異なる

技術ドメイン

を組み合わせた検討が必要

25

マルチドメインシステムモデル

風力発電システムの「実行可能な仕様書」モデル

26

様々なモデリングアプローチ

太陽電池セルのコンポーネントモデル

第

_1原理

Simulink

物理コンポーネント

Simscape

より高度な電気コンポーネントライブラリ

SimElectronics

27

シミュレーション事例：安川電機様

アプリケーション

出典：MATLAB EXPO2008「メカトロ機器開発における連成シミュレーション」

メカトロ機器開発用連成シミュレーション環境の構築

課題

試作検証に課題

・

機能開発、機器開発コスト大

・

実機による統合検証の工数大

・

_{最終実機検証後の手戻り}

メリット

連成シミュレーション環境構築

・

機械装置、周辺環境必要なし。

・

実機による統合検証の性能評価

・

問題点の分離が容易

・ 設計資源の有効利用

http://www.mathworks.co.jp/mason/tag/proxy.html?dataid=11776&fileid=65793 28

コンポーネント開発

_{/ 実装}

RF, Analog MCU DSP FPGA ASIC

Electric VHDL, Verilog C, C++

テ

ス

ト

&

検証

システム設計

環境モデル

タイミング_{/制御ロジック}

アルゴリズム

アナログモデル デジタルモデル

コード生成 ・ テスト＆検証

自動コード生成

–事前に検証されたC, HDLを自動生成 –再現性の高い実装結果 –プロトタイプテストを効率化

連続したテスト・検証

–モデルを再利用した検証用テストベンチ –協調シミュレーション/テストの自動化 –より分かりやすい指標で可視化

実現性や性能見込を早期に確認し、検証を

効率化するには

アルゴリズムと実装の架け橋

が必要

29

自動コード生成を利用したテスト検証の例



アルゴリズム検証のためのコード生成

–

開発早期に実現性を見極める手段の一つ



ラピッドプロトタイピング



シミュレーション高速化



他の設計

/開発プラットフォームへデザインをエクスポート



実装を検証するためのコード生成

–

実装対象となるコンポーネントモデルからコード生成



PILS

–

実装対象以外のコンポーネントモデルからコード生成



HILS

30

MATLAB & Simulinkからのコード生成機能

Simulink Coder (C)

DSP & µC

FPGA & ASIC

MATLAB

Coder (C)

Embedded Coder (C)

Simulink HDL Coder

(Verilog or VHDL Code)

31

異なるターゲットを対象としたコード生成の適用例

Virtual Platform

Simulink 高抽象度モデル

モ

デ

ル

の詳細化

H/W実装用 HDLコード生成

Simulink HDL Coder

Simulink 詳細モデル

32

IDE

Embedded

Coder

HDL Simulator

EDA

Simulator

Link

Simulink

データ解析

C/HDLを統合したマルチドメインシステム開発



システムモデル～シミュレーション～

C/HDLコード生成～検証



組込み用コードを協調シミュレーションにより検証



フィードバック系で検証可能

入力信号 速度制御 MPU

C

電流制御 FPGA SW電源 AC Motor

HDL

生成 生成 AC モーター

33

標準規格への対応

34

35 MATLAB code

マルチ

ドメイン

Stateflow Simulink Block

マルチ

ターゲット

C C++ HDL PLC Simscape

コンポーネント間の相互作用分析

システム全体の最適化

マルチドメインモデルからマルチターゲットへ実装

“実行可能な仕様書”

Simulink Model

コード生成

モデルのエントリー

36

システムシミュレーションの高速化



並列処理技術へのスケーラブルな対応

並列処理リソースを自動

的に利用可能なコンポー

ネントライブラリ、モデリン

グ環境の整備

モデルに変更を加えるこ

となく、シミュレーションを

実行する環境を変えるだ

けで高速化が実現

シングル

プロセッサ

マルチコア

マルチ

プロセッサ

クラスタ

グリッド、クラウド

GPU

37

コーディングからモデルの詳細化へ

システムレベルの

高抽象度モデル

全体最適化

アルゴリズム検証

詳細設計

詳細設計

ブロックレベル

（

_HW部）

ブロックレベル

（

SW部）

コード生成設定

•デバイス指定 •リソース共有 •パイプライン化, etc.

コード生成設定

•プロセッサ指定 •メモリマップ •スケジューラ, etc.

自動生成

実装用コード

（

HDL or C）

38

モデル・コード・実機による協調検証環境

モデル

実機

コード

39

シミュレーション実行前にエラーを検出

• テストベクタ生成の自動化

• より速く振舞いの正しさを

検証



エラー検出を自動化



バグの発見を自動化

シミュレーションを実行し、

エラーを検出

エラーを検出、修正した後に

シミュレーションを実行

Before

After

40

実行可能な仕様書

–紙ベースの仕様書を補完する「モデル」 –チーム間コミュニケーションを改善

シミュレーションによる設計

–複合ドメインシステムを同一環境でモデル化 –設計のトレードオフ探索 –サブシステム間の相互作用検証

自動コード生成

–事前に検証されたC, HDLコードを自動生成 –再現性の高い実装結果 –プロトタイプテストを効率化

連続したテスト・検証

–システムモデルを検証用テストベンチに再利用 –協調シミュレーション/テストの自動化 –より分かりやすい指標で可視化

シミュレー

ションに

よる設計

実行可能な

仕様書

連続した

テスト・検

証

自動

コード生成

Models

MATLAB & Simulinkによる

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