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
ＱＣｏｎ Ｔｏｋｙｏ ２０１２
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
2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
4□子会社（６社） z株式会社ISIDインターテクノロジー z株式会社アイティアイディコンサルティング z株式会社エステック z株式会社ISIDアドバンストアウトソーシング z株式会社アイエスアイディ・フェアネス z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） z株式会社電通イーマーケティングワン z株式会社ボードウォーク □子会社（５社）
zISI-Dentsu of America, Inc. zISI-Dentsu of Europe, Ltd
zISI-Dentsu of Hong Kong, Ltd（香港・深セン）
z上海電通信息服務有限公司（上海・北京）
zISI-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） z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
5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 6 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
7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
8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 9 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 11 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 12 ・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 期間短縮適用の進むモデルベース開発
適用の進むモデルベース開発
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 13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Ｍｏｄｅｌｉｃａ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ 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） 14Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語とは？
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 16Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語とは？
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 kx dt dx c dt x d m F = 2 + + 2 1 mg F2 = ・・・・ ・・・ ・・ Ｍｏｄｅｌｉｃａソルバ― 17Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語とは？
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） （MathModelica）1DツールGUI
Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語とは？
Ｍｏｄｅｌｉｃａの使い方
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 19Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語とは？
Ｍｏｄｅｌｉｃａの使い方
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 1DツールGUI （MathModelica） 結果表示イメージ コンパイル＆実行 20 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Ｍｏｄｅｌｉｃ ａ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 21
Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語の特徴
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 22Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語の特徴
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 23Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語の特徴
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 24 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
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 26Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語の適用例
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 27Ｍｏｄｅｌｉｃａ言語の適用例
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
システムズエンジニアリングにおける
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 aninterdisciplinary 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
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Ｍｏｄｅｌｉｃａ
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 31システムズエンジニアリングとＭｏｄｅｌｉｃａ
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/） 32～ＩＳＩＤの取り組み～
上流から下流まで、製品開発を
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 34 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 35三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 36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 37 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
