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～

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1 QCon Tokyo 2012 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

2 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

3 株式会社電通国際情報サービスについて

4 会社概要 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 企業情報 事業内容 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 : 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 ) : 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 IS 91070/ISO(JIS Q)

5 ISID グループ ISID 国内拠点 ISID 海外拠点 広島支社 関西支社 本社 : 品川 三鷹オフィス 子会社 (5 社 ) ISI-Dentsu of America, Inc. ISI-Dentsu of Europe, Ltd ISI-Dentsu of Hong Kong, Ltd( 香港 深セン ) 上海電通信息服務有限公司 ( 上海 北京 ) ISI-Dentsu South East Asia Pte. Ltd. 中部支社 子会社 (6 社 ) 株式会社 ISIDインターテクノロジー 株式会社アイティアイディコンサルティング 株式会社エステック 株式会社 ISIDアドバンストアウトソーシング 株式会社アイエスアイディ フェアネス 株式会社 ISID アシスト ISI-Dentsu of Europe, Ltd ( ロンドン ) 関連会社 (1 社 ) 上海華鐘計算機軟件開発有限公司 関連会社 (2 社 ) 株式会社電通イーマーケティングワン 株式会社ボードウォーク 上海電通信息服務 ( 上海 北京 ) ISI-Dentsu of Hong Kong, Ltd ( 香港 深セン ) ISI-Dentsu of America, Inc( ニューヨーク ) ISI -Dentsu of South East Asia Pte, Ltd ( シンガポール ) 5

6 セグメント図 金融ソリューションの提供 金融ソリューションセグメント 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 エンタープライズソリューションセグメント ビジネス プラットフォーム ソリューションの提供 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 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 ビジネス系セグメント 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 業種特化ソリューションの提供 コミュニケーション IT 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 6 6

7 製品開発業務向けソリューション マップ 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企画開発設計生産技術生産 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 7

8 製品開発業務向けソリューション プロフェッショナルサービス 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 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 アプリケーションプロダクト 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 テンプレートソリューション 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 サポートサービス 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 8

9 製造業の抱える悩みとモデルベース開発

10 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 性能 機能 品質 製品全体イメージ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 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

11 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 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 単位 : 万行 自動車 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 携帯電話 カーナビ 単位 : 年 ソフトウェアの開発規模の拡大 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 11

12 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 従来の開発プロセス 構想設計段階仕様書 メカ設計 詳細設計段階 制御設計 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 モデルベース開発プロセス 構想設計段階詳細設計段階 システム設計 システムモデル メカ設計制御設計 期間短縮 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 12

13 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 要求分析 検証 受け入れテスト 要件定義 検証 システムテスト 基本設計 検証 システムテスト 外部設計 検証 サブシステムテスト 検証 検証 詳細設計 単体テスト 内部設計 コンポーネントテスト コーディング 制御分野の開発プロセス 開発実施 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

14 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) 14

15 Modelica 言語とは?

16 Modelica 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 Modelica を使用した取り組みの例 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 電力回路の現象解析 油圧バルブの設計 16

17 Modelica 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 2 d x dx F 1 = m + c + kx 2 dt dt F 2 = mg 方程式を Moelica 言語で記述 (GUI でも設定可能 ) Modelica ファイル Modelica ソルバ 方程式を自動的に連立 C のコードを自動生成 C ファイル パラメータを変更しながら 簡単に特性評価が可能 コンパイル 実行形式ファイル 17

18 Modelica 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 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 ライブラリ 1D ツール GUI (MathModelica) 1D ツール GUI (MathModelica) * ここでは 1D ツールの一例として Wolfram Research 社の MathModelica を使用しています 18

19 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 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 バネの伸び量と力の関係式 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 19

20 Modelica 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 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 コンパイル & 実行 1D ツール GUI (MathModelica) 結果表示イメージ 20

21 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 model Model Modelica.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= e-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 1D モデルファイル (Modelica で記述 ) ツール A ツール F ツール E ツール B ツール D ツール C 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 21

22 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 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 Modelica 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 22

23 Modelica 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 因果モデル 非因果モデル 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 23

24 Modelica 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 プラントモデル ( 自動車 ) (Modelica) 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 制御モデル (Matlab/Simulink) 24

25 デモ 25

26 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 26

27 Modelica 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 27

28 Modelica 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 * Modelica による物理モデリングセミナー Prof. Peter Fritzson 講演資料より 28

29 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

30 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? Systems engineering is an interdisciplinary field of engineering focusing on how complex engineering projects should be designed and managed over their life cycles. (Wikipedia) 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 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 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 30

31 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 製品開発の流れ 商品企画構想設計詳細設計試作出図 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 Modelica 言語 CAD CAE 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 31

32 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 OpenModelica ホームページより ( ModelicaML の技術 32

33 ~ISID の取り組み ~ 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

34 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 商品企画構想設計詳細設計試作出図 1. 三軸ソリューション 要求構成モデル 2.MBD 3.CAD CAE 実験 設計 検証 実験 論理モデル システムモデル 制御設計 34

35 1. 三軸ソリューション 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 判断の見える化 検討課題を洗い出す 開発の見える化 技術の見える化 三軸ソリューション 業務の見える化 合理的な検討計画を導く 技術の成り立ちをモデル化する 35

36 1. 三軸ソリューション 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 要件 要素ツリー目的と手段を明確にする 機能ブロック図着目要件の働きを明確にする 状態遷移図 DMM 表振る舞いや使われ方 相関関係を明確にする 36

37 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 プラントモデル 解析実行 必要な要素をモデル化 + 制御モデル 結果を見ながら 各要素の必要性能を見積もる 三軸ソリューション システムモデル (Modelica 言語 ) CAD CAE 実験による検証へ 37

38 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 38

39 将来的な発展方向 製品開発をトータルでサポートするために ISID グループでは さらに以下のソリューションを検討している 1. 三軸ソリューション (iquavis) と数値解析の連携 2. プラントモデル構築支援 3. 特定分野のライブラリ構築支援 39

40 1. 三軸ソリューションと数値解析の連携 三軸ソリューション (iquavis) と数値解析の連携 製品の要件 要素を見える化し 見える化したツリーから数値解析を実行できるようにすることで 性能の妥当性をすぐに評価できる 3 計算結果が要件側に出力される 2 解析を実行する Modelica の解析が裏で実行される 1 値を技術バラシツリーの要素項目に対して入力する 技術の見える化と数値解析の連携イメージ 各要素について数値を入力し 解析を実行することで 性能評価 寄与度評価を行うことができる 形状の無い構想設計段階で簡単に性能評価を行うことができ 様々な検討ができる バックではModelicaモデルが数値計算を行う 40

41 2. プラントモデル構築支援 プラントモデルの構築支援 長年にわたって培われた解析 実験技術を背景に過去の実験データ 詳細解析モデルを縮退してプラントモデルを構築する実験データや詳細モデルを縮退し プラントモデルに反映しているため 高い精度を保ちつつ詳細解析と比較して高速での解析が可能となる 詳細 CAE モデル ( 路面モデル ) 詳細解析モデル 詳細 CAE モデル ( タイヤモデル ) 詳細解析モデル 自動車プラントモデル プラントモデル (Modelica モデル ) 詳細 CAE モデル ( 車体モデル ) 詳細解析モデル 詳細 CAE モデル ( ギヤモデル ) 詳細解析モデル 41

42 3. 特定分野のライブラリ構築支援 ライブラリ構築 詳細解析 実験の知見を活かし 目的に応じた実用度の高いライブラリを構築する ライブラリを活用することで プラントモデルを簡単に構築することができる 製品に特化したライブラリ コピー機用ライブラリ モーター用ライブラリ 車体構造用ライブラリ 解析分野に特化したライブラリ 振動解析用ライブラリ 光学解析用ライブラリ 化学用ライブラリ 電気系ライブラリ 機構系ライブラリ 化学系ライブラリ ライブラリ構想例 既存ライブラリの例 42

43 まとめ Modelica 言語物理式を使用することで 分野を問わず現象を表現することができる高い汎用性を持ち 高速な解析が可能製品開発において システム全体性能評価が必要な構想設計段階で 特に有効 ISID グループの取り組み 三軸ソリューション CAD CAE 実験 物理モデルやライブラリの構築 提供により 製品開発の現場をサポート 本セッション 資料に関するお問い合わせは 下記連絡先まで 連絡先 43