MATLAB/Simulinkを利用したモデルベース開発のトレンドと将来展望

MATLAB/Simulinkを利用した

モデルベース開発のトレンドと将来展望

アジェンダ

„ はじめに ¾ The MathWorks ¾ MATLABプロダクトファミリ ¾ 自動車業界での利用 „ モデルベース開発 ¾ モデルベース開発とは ¾ 導入効果 „ 開発プロセスのトレンド „ まとめ

はじめに

ƒ 開発元： The MathWorks, Inc.

ƒ 本社：米国 マサチューセッツ州, Natick ƒ 従業員2,000名超 ƒ 25カ国に支社・代理店を展開 ƒ 350社以上のパートナー ƒ 6ヶ月毎に最新版をリリース（2006/03～） ƒ 3月と9月の年2回（R200X a/b） ƒ 導入実績 ƒ １75カ国以上、100万人以上のユーザ ƒ 3,500以上の大学 ƒ 国内での販売・サポート ƒ サイバネットシステム株式会社（～2009年6月30日） ƒ The MathWorks日本法人へ事業移管（2009年7月1日～）

MATLAB/Simulinkプロダクトファミリ

データ解析 教育 実験・計測 制御システム設計 通信システム設計

■ 適用分野

■ 産業分野

適用分野と産業分野

信号処理 画像処理 自 自 動動 車車

MATLABとは？

各種

_{Toolbox（オプション製品）}

アプリケーション展開ツール

データアクセスツール

¾強力な計算エンジン ¾豊富な関数 ・アルゴリズム開発 ¾データ解析・可視化

全世界

_{100万人が選んだ}

対話的プログラミング環境

Simulinkとは？

モデルベース開発のための

プラットフォーム

¾ブロック線図環境

¾モデリング、シミュレーションによる

設計

¾自動コード生成環境

各種

Blockset

Stateflow

コード生成ツール

R2009a（2009年3月リリース）

MATLABプロダクトファミリ新機能

ƒ fft およびその他の MATLAB 関数でのマルチコア処理をサポート

ƒ Parallel Computing Toolboxで、デスクトップPC上の8個のプロセッサコア

までが利用可能

ƒ MATLAB プログラムおよびアプリケーションで .NET クラスを直接使用するこ

とが可能

ƒ Curve Fitting Toolboxにおける曲面近似オブジェクトを含む曲面近似や

新しいGUI

ƒ Symbolic Math Toolboxにおいて数式表現からSimulinkブロックを生成

R2009a（2009年3月リリース）

Simulinkプロダクトファミリ新機能

ƒ Simulink および Stateflow において、シミュレーション状態の保存、復元、およ

び再開機能を追加

ƒ Simulink Fixed Point において、Discrete Filterブロックおよび Simulinkデー

タオブジェクトの自動スケーリングで固定小数点をサポート

ƒ Real-Time Workshop および Real-Time Workshop Embedded Coderに

おいて、メモリ使用量の削減や実行時間の短縮など、生成されるコードの効率 が向上

ƒ Simulinkモデルパラメータを推定および最適化するための新製品、Simulink

Design Optimizationを追加

自動車業界で採用されている理由

1. モデルベース開発にフィット z 設計対象システムを記述、シミュレーション可能 z 仮想検証 ⇔ 実機ベース検証 （RPT, HILS) の組合せ z 量産向けコード生成機能 2. 開発プロセスにフィット z 先行開発 ⇒ 量産開発への移行がスムース z モデルのリファインが容易 z OEM-サプライヤ間をまたいだ開発をサポート 3. 開発プロセスを支える豊富なサードパーティツール連携 4. The MathWorksと自動車業界ユーザ会との親密な関係 （MAAB/JMAAB）

JMAAB (Japan MATLAB Automotive Advisory Board)

JMAAB (Japan MATLAB Automotive Advisory Board)

国内自動車メーカーと、同自動車用制御装置サプライヤーの

MATLABユーザー会

活動目的

活動目的

モデルベース開発（

MBD）の推進、MBDプロセスの早期

実現

MATLAB/Simulinkベースでの設計・開発環境の発展

自動車メーカーとサプライヤーの境界を越えた効率的な

開発環境の実現

JMAAB

ボードメンバー（ ボードメンバー（9₉名）名） 【運営、計画・活動案の策定、議題の選定など、全決議採択【運営、計画・活動案の策定、議題の選定など、全決議採択】 大井（デンソー）、大畠（トヨタ自動車） 、尾形（ミツバ） 、片山（トヨタ自動車）、久保（ｱｲｼﾝ AW)、嶋田（本田技術研究所） 、進矢（マツダ）、鈴木（デンソー） 、山中（日立製作所） 【50音順】 コアメンバー（ コアメンバー（2020社）社） 【【WGWG活動への参加が可能】活動への参加が可能】 アイシン精機、アイシンAW、アドヴィックス、いすゞ自動車、 ジヤトコ、スズキ、デンソー、トヨタ自動車、日産自動車、 日立製作所、富士重工業、本田技術研究所、マツダ、 三菱電機、三菱自動車、ヤマハ発動機、 三菱ふそうトラック・バス、日産ディーゼル、ミツバ、現代自動車 一般メンバー（ 一般メンバー（15481548名名 474474社社：： 20092009年年55月月1515日日現在現在）） WEBでの登録ユーザ数。JMAABサイトより成果物を利用できる。 自動車業界をはじめ、エレクトロニクス、航空宇宙、精密機器、教育機関など、多数の 業界からも登録 JMAAB一般メンバー ボードメンバー ボードメンバー コアメンバー コアメンバー WG WG WG 事務局

JMAABの組織構成

アジェンダ

„ はじめに ¾ The MathWorks ¾ MATLABプロダクトファミリ ¾ 自動車業界での利用 „ モデルベース開発 ¾ モデルベース開発とは ¾ 導入効果 „ 開発プロセスのトレンド „ まとめ

仕様検討 設計 実装 テスト・検証 混入 検出 8% 15% 22% 55% 60% 21% 12% 7% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 開 発 工 程 に お け る設 計 エ ラーの 混 入 /検 出

設計エラーの早期検出の重要性

Clive Maxfield and Kuhoo Goyal “EDA: Where Electronics Begins” TechBites Interactive, October 1, 2001

【解決策】

モデルベース開発

設計エラーの検出が遅れる ほど、修正に必要となる コスト・時間が増大 設計エラーの 早期検出・修正 品質・コスト・納期 改善効果大

要求･仕様 設 計 実 装 テスト・検証

従来の開発プロセス

紙ベースの仕様書 曖昧な記述 再利用が困難 プロトタイプテスト 不十分かつ 高コスト ハンドコード ヒューマンエラー混入 品質のばらつき 従来のテスト 最後でエラー検出 手戻りの発生

要求･仕様 設 計 実 装 テスト・検証

モデルベース開発の適用

フィジカル コンポーネントモデル フィジカル コンポーネントモデル 環境モデル 環境モデル アルゴリズム アルゴリズム シミュレーションに よる設計 - 試作機作成の低減 - 体系的な仮説による 解析の実現 アルゴリズム アルゴリズム C, C++ C, C++ MCU

MCU DSP_DSP FPGA_FPGA ASIC_ASIC VHDL, Verilog VHDL, Verilog 自動コード生成 - 工数と労力の削減 - コードの再利用 - コーディングエラーの 最小化 コー ド生 成 コー ド生 成 コ_ー ド 生 成 コ ー ド 生 成 システムビヘイビアモデル システムビヘイビアモデル 環境モデル 環境モデル 実行可能な仕様書 - あいまいさの除去 - 要求仕様書へのリンク

モデルベース開発

実行可能 な仕様書 コード生成に よる実装 継続的な テスト・検証 model シミュレー ションに よる設計 モデルの 詳細化 継続的な 検証 モデルからの コード生成

実行可能 な仕様書 コード生成に よる実装 継続的な テスト・検証 model シミュレーショ ンによる設計

MATLABプロダクトファミリによる

モデルベース開発環境

【適用プロダクト】

• MATLAB

• Simulink

• 適用分野に特化した各種ライブラリ

–Toolbox: MATLAB用

–Blockset: Simulink用

実行可能な仕様書

実行可能な仕様書

ƒ理想モデルによる純粋な仕様検討 ƒ機能分割、ターゲットに依存しない仕様をモデル化 ƒモデルを「実行可能な仕様書」として工程間で共 有 ƒ急な仕様変更対応、管理が容易化

実行可能 な仕様書 コード生成に よる実装 model

【適用プロダクト】

• Simulink

• Stateflow

• Fixed-Point Toolbox

• Simulink Fixed Point

MATLABプロダクトファミリによる

モデルベース開発環境

シミュレーションによる設計

シミュレーションによる設計

ƒシミュレーションによる妥当性検証 ƒハードウェアプロトタイピングのコスト・工数抑制 ƒ固定小数点化、サイクル精度の検証 ƒシステム内部の相互作用、実現構造の検証 継続的な テスト・検証 シミュレーション による設計

実行可能 な仕様書 コード生成に よる実装 継続的な テスト・検証 model シミュレーショ ンによる設計

【適用プロダクト】

• Real-Time Workshop

•

Real-Time Workshop Embedded Coder

• Stateflow Coder

• Simulink HDL Coder

MATLABプロダクトファミリによる

モデルベース開発環境

コード生成による実装

コード生成による実装

ƒコーディングエラーの抑制 ƒ再現性の高い実装結果 ƒ3rd パーティの提供するFPGA、および評価用ボー ドに特化 した各種の自動コード生成オプションが利用可能

【適用プロダクト】

• Simulink Verification & Validation

• Simulink Design Verifier

• SystemTest

MATLABプロダクトファミリによる

モデルベース開発環境

継続的なテスト・検証

継続的なテスト・検証

ƒモデルをテストベンチとして再利用 ƒシステム性能指標 によるハードウェア/ソフトウェアデ ザイン検証 ƒ評価用ボードなどに即実装し、実機を用いたアルゴ リズム 検証が可能 実行可能 な仕様書 コード生成に よる実装 継続的な テスト・検証 model シミュレーショ ンによる設計

モデルベース開発

ƒ 実行可能な仕様書 ƒ シミュレーションによる設計 ƒ コード生成による実装 ƒ 各工程におけるテスト・検証

モデルベース開発の効果

実行可能 な仕様書 シミュレーシ ョンによる設 計 コード生成に よる実装

コスト削減

¾ ハードウェアプロトタイプの削減 ¾ 手戻りの抑制

品質向上

¾ あいまいな情報によるミス・コミュニケーションの 抑制（社内部署間/企業間） ¾ ヒューマンエラーの減少

効率改善

¾ シミュレーションによる - 迅速な設計・評価の確認 - “仮説” を利用した設計検討 ¾ 設計結果の資産化 継続的な テスト・検証

実際の導入効果はどうなのか？

他にもケーススタディや適用事例が多数公開されています。

日本語：

http://www.cybernet.co.jp/matlab/library/case/

英 語：

http://www.mathworks.com/company/user_stories/index.html

本日ご紹介する事例

¾ケーススタディ: IBSによる調査レポート“Simulinkの投資対効果” ¾自動車業界におけるモデルベース開発適用事例

ƒ

International Business Strategies (IBS)

の著名なアナリストによる調査報告

ƒ

システムレベル設計に

Simulinkを適用した

業界有力企業

5社においてインタビュー実施

ƒ 報告にはHDビデオプロセッサの製造元も含まれる ※ 本報告書は下記URLにて公開されています。

http://www.mathworks.com/roi/

(英文） 和文版（サマリ）を希望される方は別途ご連絡ください。

ケーススタディ

:

IBSによる調査レポート“Simulinkの投資対効果”

ƒ Simulinkベースの開発プロジェクトは、従来手法と比較して1/3～1/2の期間で完 了している。 ƒ Simulinkを導入したことによる直接的なコスト削減効果 ＝ $100万以上 → コスト削減効果は全般的には導入による開発期間短縮などに基づく $1.6M $1.5M $3.1M Wireless $1.8M $1.2M $3.0M Video Processor $1.6M $0.9M $2.5M Wireless Baseband IC $2.1M $1.6M $3.7M Wireless LAN $1.6M $1.5M $3.1M

Data Comm Interface

直接的なコスト効果 $M Simulinkを 用いた場合の 開発コスト （予測値） Simulinkを 用いなかった場合の 開発コスト （予測値） ケーススタディ

ケーススタディ

:

IBSによる調査レポート“Simulinkの投資対効果”

ƒ

間接的なコスト効果 →

$10M＋

ƒ プロダクトライフサイクルにおける利益機会の創出など ƒ 市場投入までの期間短縮 ƒ 製品性能の最適化 ƒ 競争力の維持

これらの間接的な効果は、量産設計においてもっとも顕著に表れ

ており、その試算額は

$10M-$20M に及ぶ。

→ 直接的な効果のみを考慮するのではなく、間接的な効果と合

わせて

SimulinkによるMBD導入を検討するべき

ケーススタディ

:

IBSによる調査レポート“Simulinkの投資対効果”

z トヨタ／プリウスのエンジン冷却水蓄熱システムのECUへ実装 日経エレクトロニクス 2003.12.22号より z 日立ノースアメリカのラピッドプロトECU開発 http://www.mathworks.com/products/rtw/userstories.html?file=8438 z メルセデス・ベンツ・トラックのクルーズコントロールシステム http://www.mathworks.com/products/rtw/userstories.html?file=8140 z トヨタ／デンソーが自動車量産ソフト開発においてMATLAB R14を本格導入 http://www.cybernet.co.jp/ir/release/050801.shtml z トヨタ／プリウスのエンジン冷却水蓄熱システムのECUへ実装 日経エレクトロニクス 2003.12.22号より z 日立ノースアメリカのラピッドプロトECU開発 http://www.mathworks.com/products/rtw/userstories.html?file=8438 z メルセデス・ベンツ・トラックのクルーズコントロールシステム http://www.mathworks.com/products/rtw/userstories.html?file=8140 z トヨタ／デンソーが自動車量産ソフト開発においてMATLAB R14を本格導入 http://www.cybernet.co.jp/ir/release/050801.shtml

自動車業界におけるモデルベース開発の適用事例

アジェンダ

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Studying the Impact of MBD:

モデルベース開発の影響

Aerospace Supplier Tool OEM Research Supplier Germany United Kingdom Austria Sweden USA Managing Directors

High-level personnel and experts in research and development

Institute leaders and department heads of leading research organizations

(Translation by presenter)

参加者情報 対 象 参加者

“Front-Loading” the Effort:

開発のフロントローディング化が進む

Trends in Development Process

要求分析 システム設計 実装 テスト (Translation by presenter) １９９６年： 要求分析 ５％、システム設計１０％、実装４５％、テスト４０％ ２００８年： 要求分析２０％、システム設計２５％、実装２５％、テスト３０％

System Design and Modeling:

再利用の増加と設計エラーの減少

設計の繰り返し 繰り返しの調整 設計エラー モデルの再利用

Trends in System Design

Implementation:

自動コード生成の適用

Using Hand-Code in Models Production Code Generation from Models

Hand Code Modeled Elements None Some Most All (Translation by presenter)

Test and Verification:

人員を増やすことなくテスト工程を改善

テスト回数 自動テストケース 生成 テストケース エラーの発見 エンジニア数

Trends in Component Testing

アジェンダ

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まとめ

ƒ MATLABプロダクト ƒ MATLABとは？ ･･････研究者・技術者のためのテクニカルコンピューティング環境 ƒ Simulinkとは？ ･･････業界標準のモデルベース開発環境

ƒ 開発元：The MathWorks, Inc.

ƒ モデルベース開発とは？ 自動車制御システム開発において多く採用されている プロセス。 Simulinkで作成した1つのモデルを、開発の上流から 下流までの全てのプロセスで共用し、統一された環 境におけるシステム開発を可能にするプロセス 実行可能 な仕様書 コード生成に よる実装 連続した テスト・検証 モデル シミュレー ションに よる設計

まとめ

ƒ 導入効果はどうなのか？ ƒ ケーススタディ: “Simulinkの投資対効果” ƒ 自動車業界でのユーザー事例 ƒ 開発プロセスのトレンド ƒ 調査レポートに基づいて、今後の傾向を ご紹介しました。 実行可能 な仕様書 コード生成に よる実装 連続した テスト・検証 モデル シミュレー ションに よる設計

ご清聴ありがとうございました。

サイバネットシステムブース