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, 設備などで構成される. 環境 境界 :boundary アクター actor: 行為者 ( 人とは限らない ) Use Case1 System of interest 対

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1 ET2015/IoT2015 SEC 先端技術入門ゼミ 2015 年 11 月 日 モデルに基づくシステムズエンジニアリング (MBSE) 入門 ~ システムモデルの意味と活用について ~ 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

2 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, 設備などで構成される. 環境 境界 :boundary アクター actor: 行為者 ( 人とは限らない ) Use Case1 System of interest 対象システム Use Case 2 System of interest? 1

3 システムにはライフサイクルがある システムが生まれてから システムがなくなるまで ISO 15288:2015 システムライフサイクルステージ 2

4 システム : 製品とそれを実現するプロセス 製品階層 System ライフサイクルプロセス 製品 製品 開発 テストプロセス 製造プロセス 販売 サポートプロセス 運用 トレーニングプロセス 廃棄プロセス サブシステム サブシステム IEEE 1220 より - 設備 - 機器 - 工程 - ソフトウェアアプリ - 計算機資源 - 人員 - サプライヤ - ベンダー - 設備 - 機器 / ツール - 工程 - ソフトウェアアプリ - 計算機資源 - 部品在庫 - 人員 - サプライヤ - ベンダー - 品質管理 - 設備 - 機器 / ツール - 工程 - ソフトウェアアプリ - 計算機資源 - スペア部品在庫 - メンテナンスサプライヤ - ベンダー - 設備 - 機器 / ツール - 工程 - ソフトウェアアプリ - 計算機資源 - オペレータ - トレーナー - 設備 - 機器 / ツール - 工程 - 人員 3

5 ISO 15288:2015 システムライフサイクルプロセス 合意プロセス 取得フ ロセス 供給フ ロセス 組織的プロジェクト実現プロセス ライフサイクルモデルマネジメントフ ロセス 基盤マネジメントフ ロセス ポートフォリオマネジメントフ ロセス 人的リソースマネジメントフ ロセス 品質マネジメントフ ロセス 知識マネジメントフ ロセス 技術マネジメントプロセス プロジェクト計画フ ロセス プロジェクト評価 統制フ ロセス 意思決定マネジメントフ ロセス リスクマネジメントフ ロセス 構成管理フ ロセス 情報マネジメントフ ロセス 測定フ ロセス 品質保証フ ロセス 技術プロセス ビジネス解析, ミッション解析フ ロセス 利害関係者要求定義フ ロセス システム要求分析フ ロセス アーキテクチャ設計フ ロセス 設計定義フ ロセス システム解析フ ロセス 実装フ ロセス 統合フ ロセス 検証フ ロセス 移行フ ロセス 妥当性確認フ ロセス 運用フ ロセス 保守フ ロセス 廃棄フ ロセス 4

6 システムを構築するプロセス ( 簡易版 ) 利害関係者ニーズ システムアーキテクチャ システム設計と仕様 システム要求 システム統合とテスト システム解決策 コンポーネント要求 検証済みコンポーネント 設計のフィードバック コンポーネント設計, 実装, テスト 統合とテストからのフィードバック 5

7 システムとシステムアーキテクチャ システムズエンジニアリングプロセスでは 対象とするシステム (system of interest) に関してライフサイクル全体を見渡した上で 要求分析を行い そしてそのアーキテクチャを構築することが極めて重要となる システムアーキテクチャの決定には, さまざまな観点 (View, 例えば, 安全性, 信頼性, 可用性, 保守性 ) からの検討が必要になる. アーキテクチャの定義 :ISO/IEC/IEEE アーキテクチャは, システム要素とその関係性の中で具体化された, ある環境中のシステムの基本概念または特性であり, またシステムを設計し進化させるその原則である. 6

8 T/M エンジン ABS CAN クラスタ 複雑なシステムの開発をいかにマネジメントするか? 自動変速 Traction control ACC 速度表示 サブシステム ( 構成要素 ) 複数の機能がサブシステム間にまたがっている複雑システム : トレーサビリティを確保した上で QCD を守って開発を進めたい コンテキストを明確にし 機能性を把握した上で 要求される機能を実現するシステムアーキテクチャを構築する 要求される機能を分解 = 機能アーキテクチャ 分解された機能を構成要素に割り当てる= 物理アーキテクチャ アーキテクチャの選定には Viewの設定が重要となる システム解析による検証 : トレードオフ分析と評価 7

9 システム境界の定義 ( コンテキストレベル ) 対象とするシステム : 自動車 外部システム : ドライバー, ガスポンプ ( 燃料供給 ), 道路など. 他にもさまざまな利害関係者が関係する. 要求 : 自動車はドライバーの運転により, 道路上を移動して, ある地点から目的の場所へ人や物を運ぶことができる.= ユーザーに提供したい価値 ドライバー 自動車 ガソリンスタンド 道路 8

10 システムの機能要求 自動車の機能の 1 つ : 加速する 機能 加速する を入出力の関係で記述する. 自動車はドライバーの加速指令を受けて, 加速する という機能を持つ. ドライバーに対して, 自動車は 速度を提示する という機能を持つ. 速度表示 加速指令入力 速度を提示する 加速する 駆動力 速度 9

11 自動車の速度 [km / h] システムの性能要求 機能の評価 : 加速する の評価 ドライバーからの指令に対して, どれだけ加速することが要求されているのか? O 時間 [ 秒 ]

12 機能の分析 (Analysis) と設計の総合 (Synthesis) システムの機能を分析する.< 振る舞い図 > 加速指令 加速する 加速力の発生 加速指令 回転力を発生する 発生した回転力を調整する 調整した力をタイヤに分配する タイヤが回転する 加速力の発生 機能を物理へ割り当てると,,,(Allocation) 11 インタフェースの明確化

13 システムの構造の明確化 自動車はタイヤ, エンジン, トランスミッション, デフなどのコンポーネントから構成される. コンポーネント間のインタフェースを明確にする. 構造図としては,,, 12

14 13 クイズの時間

15 システム思考, 論理思考 (1) システムを考える力 箸はシステムか? 14

16 箸をシステムとして考える = アーキテクチャ 1 箸の機能性 ( ユースケース ) をコンテキストで考える. 箸で食べ物をつまむ, 箸でつまんだ食べ物を口に入れる ユースケースの実現 箸の外部システム : 箸をもつ手, 食べ物, 口 2 システムの内部を分析し, 総合する.Analysis & Synthesis 構造 : 親指側で支える側の棒, 薬指側で支える側の棒 振る舞い :2 本の棒の相互作用で機能性を実現する. 箸の 要求 を充足することの確認 パラメトリック制約 : 箸の大きさ, 重さ, 重心, 使いやすさを測る指標などが関係性をもつことを記述する.= 制約 15

17 システム思考, 論理思考 (2) 機能を表現する力 朝食の前に 子供はお母さんから テーブルに牛乳を出しておいてね と言われた この子供は何をどうすれば良いのか? 1. 冷蔵庫から牛乳パックを取り出す 2. 取り出した牛乳パックをテーブルに置く 3. 食器棚からグラスを人数分取り出す 4. 取り出したグラスをテーブルに置く 5. 牛乳パックから各グラスに牛乳を注ぐ 16

18 システムズエンジニアリングは アプローチ 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コミュニケーションの重要性 ISO 15288:2015 システムライフサイクルステージ 17

19 システムモデルで明確にすること ライフサイクルステージ コンセプト 開発 製造 運用と保守 廃棄 それぞれについて検討する必要がある. さもなければ, システムは実現しない. それぞれのステージについてコンテキスト ( 文脈, 脈略 ) を最初に考え, 抜け漏れがないことを確認する. その際, 利害関係者の要求や懸念事項をすべて洗い出す. その上で, 対象システムの境界, ユースケース, 機能性を明確にする. 次に対象システムの内部を分析し, 総合する. 最初に機能を分解して, その分解された機能をシステム構成要素に割り当てる. これにより, システム構成要素間のインタフェースが定義され, アーキテクチャの候補が導出できる. 要求や懸念事項に応じて View( 観点 ) を設定し, トレードオフ分析によりいくつかの候補の中から適切なアーキテクチャを選定する. 18

20 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 19

21 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 20

22 MBSE のモチベーション QCD を守りたい トレーサビリティを確保したい Better productのために Better engineeringを実現したい! そのために ドキュメントベースで複雑なシステムを扱うのは辛い! Systems Engineering システムズエンジニアリングをモデルに基づくことで効果的 効率的にしたい Model Based Systems Engineering 活動範囲が社内だけに限定されていない そのために モデルベースで行うシステムズエンジニアリングを国際的に認められた共通言語で行いたい そのために SysML による MBSE 21 決して SysML や MBSE がモチベーションの源泉や目的ではない

23 MBSE=Systems Engineering あくまでも Systems Engineering である システムモデルに基づいて Systems Engineering を行う Systems Engineering の無い MBSE はあり得ない Systems Engineering には大きく 4 つの活動がある システム設計 システムの解析と検証 システムの統合 システムズエンジニアリングのマネジメント 注 :MBD( モデルベース開発 ) は MBSE の一部分である システムモデル = シミュレーションモデル 22

24 SysML ダイアグラムの分類 SysML: Systems Modeling Language パッケージ図 SysML ダイアグラム 要求図振る舞い図パラメトリック図構造図 ユースケース図 シーケンス図アクティビティ図状態機械図 ブロック定義図 内部ブロック図 23

25 システムモデルを SysML ダイアグラムで表現する ( 例 ) パッケージ図 要求図 振る舞い図 パラメトリック図 構造図 pkg req act seq stm uc par bdd ibd モデル編成の定義 SoI と外部システムの関係 SoI のユースケースシナリオ SoI に対する要求 機能および物理アーキテクチャ システムの分析 システムの検証 24

26 コンカレントデザインを促進するフレームワーク トレーサビリティ外部からの根拠要求 システム仕様書 ビューポイント 構造 要求 システムモデル 振る舞い パラメトリック制約 解析 性能評価 解析モデル ダイナミクス解析 制御システム解析 1D-CAE など 製品データ管理 (PDM) 部品表 (BOM) 物理設計 (CAD) 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 25

27 システムライフサイクルのマネジメント プロジェクトマネジメント CAD 要求 システムアーキテクチャ 最適化 システム モデル シミュレーション /CAE 生産 / サプライチェーン ライブラリ / データベース PLM (Product Lifecycle Management), SCM (Supply Chain Management) 26

28 参考文献 Systems Engineering Handbook 4 th Edition, INCOSE, 2015 INTERNATIONAL STANDARD, ISO/IEC 15288:2015, First edition, INTERNATIONAL STANDARD, ISO/IEC 26702, IEEE Std , First edition, INTERNATIONAL STANDARD, ISO/IEC/IEEE st ed., Systems and software engineering Architecture description Visualizing Project Management, Third Edition Kevin Forsberg, Hal Mooz, Howard Cotterman, John Wiley & Sons, Inc. 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 ), 東京電機大学出版局,2012 The Art of Systems Architecting, Second Edition, Mark W. Maier, Eberhardt Rechtin, CRC Press, 2002 MBSE wiki: 複雑化する統合システム (SoS) の開発方法論モデルベースシステムズエンジニアリング導入の手引き,IPA/SEC: モデルに基づくシステムズエンジニアリング, 西村秀和 ( 総監修 ), 藤倉俊幸 ( 企画 監修 ), 日経 BP,

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