システムインテグレーション

モデルベース

システムズエンジニアリング

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/

ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会

2014年1月24日(金)

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（2013年度副会長兼務） 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，次世代車両運動統合制御，Adaptive Cruise Control，EPS，

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

System

？

システムとは何か？



システム：

相互に関連し全体として機能するコンポーネントの集まり

ハードウェア，ソフトウェア，人，設備など複数のドメインで構成

System of interest

境界：boundary

アクター

actor：行為者

（人とは限らない）

Use Case１

Use Case 2

環境

System of interest

対象システム

System of Systems



様々なシステムが複雑に関連する中で、対象とするシステ

ムを設計することは極めて難しい。

システム

System of interest

システム1

システム2

システム3

システム4

オペレータが介在するシステムの設計



オペレータと対象システムはどのような相互作用を起こすか？



オペレータによる操作とコントローラによる制御の間に矛盾が

生じないようにシステムを構築する必要がある。



Operator-in-the-loop Design

認知

判断

行動

オペレータ

外部システム，環境

コントローラ

プラント

対象システム

コミュニケーションの失敗

このシステムは、●●

と××から構成され、

△△の運用を考えた

ときに、、、

？

図を用いたコミュニケーション

このシステムは、●●

と××から構成され、

△△の運用を考えた

ときに、、、

システムズエンジニアリングとは何か？



システムズエンジニアリングの定義



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、開発のライフサイクルの初

期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

顧客の技術的要求の両者を考慮する。

“モデルベースでシステムを考える”とは？



モデル

＊

に基づくシステム開発



仕様書など文書だけ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。



モデルを再利用

することにより開発の効率化が期待できる。



モデルを用いて

抽象度を上げる

ことにより

革新

に導く。

＊

_{注：実行可能ではないモデルを含む}

システムモデルの記述



システムモデル表記法：

SysML（Systems Modeling Language）



システムを

構造

，

振る舞い

，

要求

，

パラメトリック制約

の観

点で図的に表現することができる。



図的表現により、

開発者の思考

を支援できる。



複数のドメインにまたがる開発、分業化された開発環境で、

共通言語

として利用できる。



システム開発プロセスの中で

要求のトレーサビリティ

が確

保される。



構成管理

、

変更管理

が容易になる。ーあるサブシステムや

コンポーネントの要求の変更や設計の変更が生じた際に、

他のサブシステムやコンポーネントにどのような影響が及

ぶかを判断できる。

システムズエンジニアリング

「要求」と「アーキテクチャ」



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つのビュー



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

高

抽

象

度

低

エンティティ

V:ビューの位置づけ

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

Customer Confirmation

Verification and

Validation Planning

Verification

Planning

検証

検査，テスト，

実証，分析

C us tom e r C on fi rm at io n C us tom e r C on fi rm at io n 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

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

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

アーキテクチャの検討，

決定では，サブシステ

ムやコンポーネントの

実現可能性を検討しな

がら進めることがある．

早い段階での

手戻り

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

コンポーネント，

サブシステムの

検証，妥当性確認

を順序行い，システム

としての検証，妥当性

確認を行って行く．

致命的な

手戻り

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

アーキテクチャの

選定とシステム仕様

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

Customer Confirmation

Verification and

Validation Planning

Verification

Planning

検証

検査，テスト，

実証，分析

Cus to m er Co nf irm ati on Cus to m er Co nf irm ati on

エンティティ

V : 検証と妥当性確認

ノミナル

オフノミナル

HILS/SILS

Human in

the Loop

Simulation

シナリオ

IEEE 1220 systems engineering process

要求と制約の矛盾 要求のトレードオフ と影響 分解割り当ての トレードオフと影響 分解と要求の割り当に 関する候補 設計解の トレードオフと影響 設計解の要求と候補 要求の基準 確認された要求の基準 機能アーキテクチャ 検証済み機能アーキテクチャ 物理アーキテクチャ 検証済み物理アーキテクチャ SEプロセスへの入力 SEプロセスの出力 統制 設計の検証 機能の検証 要求の分析 要求の 妥当性確認 要求の トレード分析 と評価 設計の トレード分析 と評価 総合 システム解析 機能の分析 機能の トレード分析 と評価

モデルベースシステムズエンジニアリング

の海外動向



MBSE Workshop at INCOSE IW 2013 in Jacksonville,

Florida



http://www.omgwiki.org/MBSE/doku.php?id=mbse:incose_

mbse_iw_2013



最新の

MBSEアクティビティと応用



MBSE関係者とのネットワークづくり



複数分野にわたるエンジニアリング環境内でのシステム

モデリング



SoS (System of Systems) modeling, Systems Modeling and

Requirements Flowdown, Model Management, as well as

Usability Considerations Associated with MBSE

SysMLで何ができるのか？



システムを構成するサブシステムに対する機能要求とその振

る舞いを把握できる。



設計変更があった場合にも、要求のトレースが可能なため、

その影響を容易に把握できる。



SysMLを用いることで、開発者の思考を支援し、ドメインをまた

がる協働作業が可能となる。



コンカレントデザインを促進するフレームワークが実現可能と

なる。ただし、組織の硬直化などが弊害となり得る。

参考資料：システムズモデリング言語 SysML （A Practical Guide to SysML翻訳本)



西村 秀和（監訳）



訳者：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

構造

要求

振る舞い

パラメトリック

制約

・数式表現

・運動方程式

・パラメータによる

性能評価

など

SysMLのダイアグラムは，互いに関連している。

→ 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

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

システム 仕様書

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

パラメトリック制約

トレーサビリティ

根拠

ビュー

ポイント

製品データ管理

（PDM）

・部品表（BOM）

・物理設計（CAD）

SysMLの活用で見えてくること



システムのモデル表現



構造／振る舞い／要求／パラメトリック制約



- What – そもそも、何をしなければならないのか？

革新に導く。



オペレータや外部システムとの相互作用の明確化



サブシステム間のインタフェース



最適化“問題”やトレードオフ“問題”の設定・定義



アーキテクチャと仕様決定までの要求のトレース

低速域でのバイクの不安定性

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)

Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会

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)

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

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

要求図

FACS

路面

ライダ

既存車両

インタフェース インタフェース インタフェース 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との相互作用

O O Z _Z Y Y A A Z_A Z_W Y_A Y_W θ_wx θ_x W Z_A Z_W Y_A Y_W a_{3 K} wx C_wx W Rider's upper torso Roll angle

of motorcycle_{of upper torso}Lean angle

Rolling wx τ A C D U X_A X_D X_U Z_A Z_D Z_U X_C Z_C mA m_U m_{D m} C Z O X τr X_W W Z_W m_W a₁ a₂ b_{1 b} 2 e₁ f₁ R_f R_r c₁ a₃ P_f P_r τ_f H λ h_b K_wz, C_wz Rider's upper 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

θ

τ

θ

+ =

+

∆

∆

=

+

∆





x

A x

B

C x

D

Side view

Rear view

arm

Steering torque

Lean torque

Δθ

x

: roll rate, the feedback signal,

Δτ

_fc

: control steering torque, control output.

何をモデル化するべきか？

ライダー操縦モデル

wx

τ

fr

τ

1

(

)

T sd P I

K

K

e

s

−

+

( )

y t

*

(

_p

)

y t t

+

*

( )

y t

2 2

1

2

P P

T

T s

s

+

+

d T s PL

K e

− P T s

e

Dynamical model of

rider-motorcycle system

(

_P

)

y t T

+

+

_-

Rider Driving Model

Lean torque Steering torque Lateral displacement Target Time delay T_d Prediction time T_p Proportional gain K_P Proportional gain K_PL Integral gain K_I 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

2

nd

_{order prediction model}

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

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 インタフェース インタフェース インタフェース インタフェース インタフェース インタフェース インタフェース 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

実験用プロトタイプ

Servo motor

Controller (PC)

Roll rate sensor

Controller(PC)

Servo amp.

Roll rate

Steering

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

レーンチェンジ時の妥当性確認

0

2

4

6

8

10

0

2

3.6

4

Time [s]

L a te r a l d is p la c e me n t [ m]

0 1

2

4

6

8

10

-30

-20

-10

0

10

20

30

Time [s]

R ol l a ngl e [ de g]

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

最後に



複数のドメインで構成されるシステムや、オペレータの介在す

る複雑なシステム（

_{System of Systems (SoS)の一つ）を設計する}

ために、

_{MBSE（モデルベースシステムズエンジニアリング）の活}

用が重要であることを述べた。



モデルを用いたシステム開発では、システムモデルの記述に

際して、

構造／振る舞い／要求／パラメトリック制約

の４つの柱で考えることが重要である。SysMLはこれをサポート

している。



SysMLの活用例として、二輪自動車の前輪操舵アシスト制御シ

ステム設計を紹介した。

MBSEで思考する過程でやるべきことが

見えてくることを示した。

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.

 IEEE 1220: For Practical Systems Engineering, Teresa Doran

 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1631953&userType=inst

 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，2012

 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 (APCOSE 2010), Keelung, Taiwan October 4-6, 2010