乾物共有|モデルベース システム エンジニアリング (MBSE) の紹介 (パート 1)
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序文
自動車のインテリジェンスは、主に自動車自体の機能のデジタル化と自動化、および自動車と外界 (道路、クラウド、ネットワーク、地図など) との間の情報の相互作用と深い結合に反映されています。その本質は、「デジタル バーチャル ボディ」の強力なリアルタイム マッピングおよびコンピューティング推論機能を、従来の車両と道路で構成される「物理エンティティ」に深く統合し、「バーチャルとリアル」を組み合わせた複雑な大規模システムを形成することにあります。このシステムは、学際的、分野横断的、地域横断的な高複雑性、異種相互運用性を特徴とするサイバーフィジカルシステム（Cyber-Physical Systems、CPS）の典型的な特徴であり、インテリジェントネットワーク化された車両サイバーフィジカルシステム（ ICV CPS）。
典型的な複雑なシステム エンジニアリングの問題として、ICV CPS はそれを解決するための体系的なアプローチを必要とします。モデルベース システム エンジニアリング (MBSE) 手法とそれに対応するモデリング ソフトウェア ツールは、ICV CPS の効果的な適用方法と考えられています。
この記事は、MBSE を体系的に紹介するために、前半と後半の 2 つの部分に分けられます。この記事は最初の部分であり、MBSE の背景の重要性、方法の利点、および国内外の研究状況を分析します。
1. 背景と意義
典型的な複雑系システムエンジニアリングの問題として、ICV CPS は各メンバーシステムにはない多くの動作特性や要件を持っている. 各メンバーシステムが独自に開発した従来の設計モードを各メンバーシステムの研究開発に使用すると、各メンバー システムが ICV の要件を満たすことができなくなるだけであり、CPS の要件によって、メンバー システムが ICV CPS の他のメンバー システムとの調整に失敗する可能性があり、ICV CPS の失敗や崩壊につながることさえあります。
米国のマンハッタン計画と銭雪森から派生したシステムズ エンジニアリング (SE) は、複雑なシステムの開発における困難を解決するための最も効果的な方法の 1 つであることが証明されました. この方法は、最初に航空宇宙システムに適用され、その後、モデルベース システム エンジニアリング (MBSE) メソッドが確立され、対応するモデリング ソフトウェア ツールが構築されました。
MBSE は自動車分野で最初に適用されました. 米国の Ford は MBSE を適用して、スマートカーのユーザー需要分析、システム アーキテクチャ設計、および車両レベルのシステム シミュレーション検証を完了しています; フランスの Dassault Systèmes などの外国の産業用ソフトウェア サプライヤーとドイツのシーメンスは、システム要件、システム開発、詳細設計から統合テストまで、自動車の全プロセスをカバーする建設をすべて行っており、中国はICV指向のCPSのR&Dおよび設計技術パスを提案しています。
2. MBSEはシステムズエンジニアリングの有効な活用法
システム科学の一部門として、システム工学は、システムの構成、構造、および情報の流れに関する科学的かつ系統的な研究と分析を行うことにより、システムの目的をよりよく達成することができます。
国際システム エンジニア協会 (INCOSE) は、システム エンジニアリングを次のように定義しています。システム エンジニアリングは、システム開発の初期段階で顧客の要件を定義して文書化することに重点を置き、システムの運用、コスト、スケジュール、パフォーマンス、トレーニング、サポート、テスト、製造などの問題を考慮して、システムの設計と検証を行います。
システムズエンジニアリングを適用して学際的で複雑な大規模システムを構築できるため、分野、サブシステム、およびサブシステム間の調整と協力、およびシステムの全体と一部がシステムの運用を最適化できることがわかります。
需要の増加と技術革新により、従来の産業は徐々にインテリジェント化とデジタル化に移行しています。新しい産業環境では、システムの複雑さの増大によって生成される膨大な量の情報とデータが、従来のドキュメント ベースのシステム エンジニアリング (TSE) に前例のない課題をもたらしています。この文脈で、モデルベース システム エンジニアリング (MBSE) が登場し、徐々に発展してきました。実際、TSE から MBSE への変換は「ドキュメント」から「モデル」への変換であり、主な違いは表 1 に示されています。
第一に、モデルを使用することで、非標準的で一貫性のないドキュメント標準の問題を大幅に解決できます;第二に、モデルは、複雑なシステムの構成、機能、操作、およびその他の特性をより包括的かつ立体的に記述し、理解と理解を強化できます。エンジニアリング担当者の理解. 認識, コミュニケーションのあいまいさの可能性を排除. 最後に, ドキュメントと比較して, モデルのメンテナンスと更新はより便利で効率的であるため, MBSE はシステムの反復速度を速めることができます.
表 1 従来の複合システムの研究開発モデルと MBSE の研究開発モデルの相違点
3. MBSE方式のメリット
複雑なシステムを開発するための MBSE 手法の意義や利点は、「速い」「節約できる」「良い」の 3 つの言葉に要約できます。
● **「高速」は以下に反映されます: **複雑なシステム開発の初期段階で、MBSE はスキーム設計のループ イテレーションを実現でき、各段階での要件の確認とシステム スキームの改善を最大限に加速できます。範囲;
● 「都道府県」は、複雑なシステム開発の過程で、多分野・多分野のモデルを再利用できる一方で、時間的コストが大幅に削減され、プログラムの修正、改善、改善の経済的コストが削減されます。最適化はほぼゼロです。
● 「良い」は、複雑なシステムをモデルに基づいた物理的検証から多分野のジョイント シミュレーション検証によって検証し、設計の各段階で継続的なジョイント シミュレーション評価を保証し、「過剰設計」や「アンダーデザイン」。
4. 研究状況
システム エンジニアリングは 20 世紀初頭に始まり、第二次世界大戦で初めて適用されました。米国のベル社がマイクロ波中継通信網を構築した後、「システムエンジニアリング」という用語を正式に提案したのは1951年のことでした。1972年、米国のアポロ有人月面着陸計画がシステムズエンジニアリングの手法を用いて大成功を収め、システムズエンジニアリングが初めて世界に知られるようになりました。その後、米国国防総省の指導の下、請負業者の標準が導入され、システム エンジニアリングが民間航空の分野で徐々に採用されました。1990 年まで、高度に複雑な産業や製品の開発ニーズを満たすために、INCOSE はボーイングやロッキードなどの航空宇宙および防衛企業の強力な支持の下に設立され、学界におけるシステム エンジニアリングの発展のための強固な基盤も築きました。と業界の良い基盤。
Elm らは、システム エンジニアリング能力がプロジェクト全体の効果に与える影響について調査を行ってきました。彼らは「システムエンジニアリングの有効性に関する調査」で、システムエンジニアリングの能力を向上させることが、プロジェクトの全体的な効果を明らかに向上させることができると指摘しました。特にプロジェクト全体の課題が少ない場合は、システム エンジニアリング能力を向上させることで、プロジェクトの全体的な効果を 2 倍にすることさえできます。
Buckle と Wilma は、Systems Engineering Effectiveness: A Complexity Point Paradigm for Software-Intensive Systems in the Information Technology Domain で、大規模な統合プロジェクトの情報技術分野でシステム エンジニアリングの手法と実践を使用することの有効性を評価する方法を提示しています。
彼らは、システム エンジニアリングをプロジェクトの開発、テスト、および管理に適用すると、プロジェクトの生産性が大幅に向上し、プロジェクトがコスト、スケジュール、および技術範囲の要件を満たすのに役立つと結論付けました。
海外での研究状況
システム エンジニアリングの重要な分野と将来の傾向として、MBSE の起源は 20 世紀半ばから後半にさかのぼることができます。Nam の公理的設計理論や Tarski モデリング理論などのシステム モデル理論の出現により、モデル理論をシステム エンジニアリングに適用する方法の開発が加速しました。
1993年、ワイモアは「Model-Based Systems Engineering」でシステム工学における数式に基づくモデリング手法を提案しました。システムエンジニアリングで要素を抽象化することにより、さまざまな要素間の接続を確立する方法です。1997 年にオブジェクト管理グループ (OMG) が統一モデリング言語 (UML) をリリースし、UML に基づいて、2003 年にシステム モデリング言語 (SysML) が提案されました。視覚化機能を利用して、SysML は大規模または最先端のエンジニアリング プロジェクトに適用され、開発効率の向上と開発コストの削減を実現します。2007 年、INCOSE は「Vision of Systems Engineering 2020」で MBSE の定義を提案しました。システム開発とその後のライフサイクルを通じて。
「新しいパラダイムとしての MBSE は、米国国防総省や欧州宇宙機関などの政府機関によって、さまざまな主要プロジェクトに適用されています (図 1 は、米国国防総省が MBSE を研究対象として挙げていることを示しています)。 ドイツ産業4.0 は、今後の重要な活動分野の 1 つとして、「モデルを使用してシステムの複雑さをマスターする」というリストにも含まれています。
従来のテキストベースのシステム エンジニアリングと比較して、MBSE の独自の利点により、多くの政府機関や企業が技術的なルートを TSE から MBSE に移行するようになりました。NASA は、システム デモンストレーションの成果物がモデルでなければならないことを明示的に要求しています。ロッキード マーチンの潜水艦設計チームは、新しい潜水艦電子システムの設計プロセス中に、すべてのオリジナル ドキュメントをシステム モデルに変換するのに 1 年を費やしました。さらに、自動車分野では、自動車の電気システムの開発における MBSE の適用が、Siemens などのティア 1 サプライヤーにとって主流のソリューションになりました。Ford などの自動車会社も、製品開発プロセス全体に MBSE を適用し始めています。
図 1 国防総省システム エンジニアリング研究センター (SERC) は、MBSE を研究対象として挙げています。
（画像出典：Industrial Internet Innovation Center ウェブサイト）
中国の研究状況
システムズエンジニアリングやMBSEに関する外国の研究と比較すると、国内の研究は主に21世紀初頭に集中しています。これらの研究は、中国の国情をどのように組み合わせてシステム エンジニアリングを実行し、MBSE を実際に適用するかに重点を置いています。一般的な MBSE 手法は主に中国の航空宇宙分野で使用されており、システム エンジニアリングと MBSE が主に使用されています。たとえば、Aviation Industry Group は IBM と協力して、IBM Harmony-SE メソッドと完全なツール システムを導入し、航空システム エンジニアリングを実行し、システム設計のシミュレーション テスト、検証、および最適化を行いました (図 2 は 2016 年のアプリケーションを示しています)。 ）。COMAC では、Harmony-SE メソッドを使用して、航空機システムの設計要件と機能ロジックの検証を実行し、複雑な航空機要件と困難な検証の問題を解決します。国内の産業技術の継続的な更新と反復により、スマートシティ、スマート輸送、インテリジェントネットワーク車両など、他の分野のシステムの複雑さが増し、MBSE がより広く使用されるようになりました。
図 2 Aviation Industry Group の MBSE アプリケーション
（写真提供元：航空産業第一航空アカデミーの公式アカウント）
前編はここまでで、次回はMBSEのモデリングプロセス、手法、ツール、今後の展開について紹介していきますので、お楽しみに。
乾物共有|モデルベース システム エンジニアリング (MBSE) の紹介 (パート 2)
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自動車のインテリジェンスは、主に自動車自体の機能のデジタル化と自動化、および自動車と外界 (道路、クラウド、ネットワーク、地図など) との間の情報の相互作用と深い結合に反映されています。その本質は、「デジタル バーチャル ボディ」の強力なリアルタイム マッピングおよびコンピューティング推論機能を、従来の車両と道路で構成される「物理エンティティ」に深く統合し、「バーチャルとリアル」を組み合わせた複雑な大規模システムを形成することにあります。このシステムは、学際的、分野横断的、地域横断的な高複雑性、異種相互運用性を特徴とするサイバーフィジカルシステム（Cyber-Physical Systems、CPS）の典型的な特徴であり、インテリジェントネットワーク化された車両サイバーフィジカルシステム（ ICV CPS）。
典型的な複雑なシステム エンジニアリングの問題として、ICV CPS はそれを解決するための体系的なアプローチを必要とします。モデルベース システム エンジニアリング (MBSE) 手法とそれに対応するモデリング ソフトウェア ツールは、ICV CPS の効果的な適用方法と考えられています。
この記事は上下2部に分かれており、MBSEを体系的に紹介しています。最初の部分では、MBSE の背景の重要性、方法の利点、および国内外の研究状況を分析します (詳細については、乾物共有 | モデルベース システム エンジニアリング (MBSE) の紹介 (on) を参照)。この記事は次回の記事で、MBSE のモデリング プロセス、方法、ツール、および今後の開発について紹介します。
図1 MBSE法のVフロー
1. MBSEの3本柱
MBSE は方法論であり、関連するプロセス、方法、およびツールの集まりです。MBSE 法は、システム エンジニアリングのアイデアを組み合わせたものであり、システムのライフ サイクル全体のプロセス全体をモデル (図 1 を参照) で実行します。モデルは、MBSE 法の全体の中核であり、MBSE 法の基礎でもあります。システム研究開発における効率的な研究開発と高品質な設計を実現するために、システム研究開発の過程におけるシステム技術とエンジニアリング経験の蓄積と具現化である基盤は、企業の核となる資産です。
したがって、MBSE 手法の適用は、システム モデルの構築、特にモデリング プロセスに関与するモデリング言語、モデリング ツール、およびモデリング手法に焦点を当てる必要があります。これら 3 つは「MBSE の 3 つの柱」とも呼ばれます。以下、「三本柱」について簡単に紹介します。
モデリング言語
標準化された堅牢なモデリング言語は、MBSE を達成するための重要な要素と見なされています。システム モデリング言語 (OMG SysML™ システム モデリング言語) は、マルチレベル モデリングのニーズ (動作、構造、パフォーマンスなど) を満たすことができる一般的なモデリング言語であり、多くのサブジェクト交換と多分野協力をサポートしています。直感的で、プロセス全体が測定可能で制御可能であり、強力なスケーラビリティと複数のツールのサポートという利点があります。
SysML は、システムの要件、動作、構造、およびパラメーターをモデル化するために、ハードウェアと機器、ソフトウェア、データ、人、プロセス、および設備を含むシステムの仕様、設計、分析、および検証をサポートするグラフィカル モデリング言語です。他のエンジニアリング分析モデルと統合するためのセマンティック基盤。
これは、システム モデルを作成する際に MBSE の実践者が "話す" 言語であり、システム デザイン ビューを視覚化し、利害関係者に伝達することができます。視覚化された SysML の「通信」方法は、次の 9 つの図 (図 2 に示す) によって完成されます。
図 2 SysML 言語の 9 つの写真
モデリング ツール
モデリングは、MBSE アプリケーションを実装するための直接的な技術的手段です. 使用されるツールは、市場に出回っている多くの商用ツール ソフトウェアです. 海外メーカーのシステム アーキテクチャ モデリング ツールには、IBM の Rhapsody、Siemens が推進する Capella of Tales ツール、Dassault Systèmes の MagicDraw、Sparx があります。 Systems のエンタープライズ アーキテクト (EA) およびその他の関連ツール (図 3 に示すように、2 つのソフトウェアのモデリング スケマティックが抜粋されています)。また、国内メーカーも近年、Modelook などの国産 SysML システムモデリングツールソフトを発売している。
図3 システムアーキテクチャモデリングツールソフトウェアの模式図
モデリング方法
MBSE の適用と開発に伴い、MBSE の適用とモデリングを実現するために、MBSE のさまざまな方法論が出現しました.その中で、INCOSE は 7 種類以上を認識しており、共通のものは IBM の Harmony-SE です (図 4( a)). 、INCOSE の OOSEM (図 4 (b) に示すように)、Dassault Systèmes の MagicGrid など。
図 4 2 つの一般的な MBSE メソッド (概略図)
2. 機会と課題
INCOSE は、「Vision of Systems Engineering 2020」で初めて MBSE の長期計画を提案しました.2020 年までに、完全な MBSE 理論と実践システムが定義され、2025 年までに、成熟したクロスドメイン モデル ライブラリと統合開発環境を構築します。これにより、国内の MBSE アプリケーションに確固たる理論的基礎が提供されます。さらに、MBSE の多くの利点に基づいて、そのアプリケーションは中国でますます複雑化するクロスドメイン システム システムの確立をサポートできるため、システム システムの反復が技術更新の速度に追いつくことができます。
同時に、中国における MBSE の全体的な推進と適用は、多くの課題に直面しています。MBSE のモデル反復速度は非常に高速ですが、最初に複雑な大規模システムを標準化し、標準化し、モデル化するには多くの時間がかかります。さらに、従来のシステム開発者も、MBSE と変換の学習に一定の時間を費やします。国産MBSEは、航空宇宙以外の分野で実用化されている例が少なく、これも国民の受け入れをある程度制限しています。
インテリジェント ネットワーク化された自動車産業の分野では、car-road-cloud-network-map のメンバー システムは閉鎖的で独立しているため、従来の独立した研究開発モデルでは ICV CPS の研究開発ニーズを満たすことが難しくなっています。したがって、ICV CPS 固有の設計手法や研究開発プロセスを明確にする必要がある場合、国内の ICV CPS 関連企業や研究機関は、従来の研究開発モデルを組み合わせた上で、MBSE に基づいた体系的な手法体系やツールの設計を行う必要があります。 ICV CPS メンバー システムのチェーン プロトタイプ (詳細については、「Intelligent Connected Vehicle Cyber-Physical System Reference Architecture 2.0」のツール チェーン構築の説明を参照) により、ICV CPS の研究開発と開発を迅速にサポートし、インテリジェント コネクテッド カー向けの中国のソリューションを構築します。 、および外国の技術研究のプロセスを取り除く 多依存は、インテリジェントなネットワーク化された車両の世界的な産業上の利点を形成します。
3. まとめと展望
新世代の情報およびデジタル技術は、自動車、輸送、通信、およびその他の分野の深い統合を促進し、複雑なシステム特性を持つインテリジェントなネットワーク化された車両サイバーフィジカル システム (ICV CPS) を形成します。この複雑なシステムでは、車両-道路-クラウド-ネットワーク-マップは閉じた独立した R&D モデルであり、ICV CPS の研究開発と開発に適応することはできず、この段階では明確な ICV CPS の設計方法と研究開発プロセスはありません。そのため、航空宇宙分野から派生した複雑なシステム エンジニアリング手法である MBSE 法は、ICV CPS の開発における困難を解決するソリューションとなっています。
従来の R&D モデルと比較して、MBSE にはシステム開発効率の向上と開発コストの削減という利点があり、将来のシステム エンジニアリングの開発方向です。しかし、MBSE 方式は、標準化申請、関係者の変革、モデル ライブラリの構築などに多くのリソースと時間を費やす必要があり、中国での普及を大きく妨げています。これらの障害を克服するための有効な手段は、MBSE に習熟していなくても、すべてのエンジニアと技術者が複雑なシステムの共同設計を短時間で適切に完了することができるように、MBSE に基づいて体系的な方法システムと設計ツール チェーンのプロトタイプを構築することです。 .
現段階では、ICV CPS の設計、研究開発、シミュレーション、検証、展開、適用などの問題に直面しており、中国にはまだ完璧な基本理論、コア手法、特別な設計ツールがありません。センターはMBSE方法論を組み合わせて、アーキテクチャ構築、統合統一モデリング、デジタルツイン設計、検証評価、実装確認などの主要な基本技術を研究および標準化し、理論システム、技術ルート、および生涯にわたる実装方法のセットを構築します。 ICV CPSのサイクル、そしてICV CPSシステムアーキテクチャの設計と構成の最適化、ICV CPS参照アーキテクチャモデルライブラリ、学際的なモデル融合、データトレーサビリティ設計、全体的な検証と評価は、革新的な技術的成果を形成し、科学的根拠と実装パスを提供します中国スキームICV CPSの技術開発とアプリケーション実現のために。****