システムインテグレーション

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1 IAF 第 6 回情報 モデリング 運用 WG セミナー 2015 年 2 月 9 日 ( 月 ) システムズモデリング言語 SysML の活用 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/ 1

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, 設備など複数のドメインで構成 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? 2

3 システムズエンジニアリングとは? 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 3

4 システムズエンジニアリングとは? 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を考慮する INCOSE: International Council on Systems Engineering 4

5 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 何をするのか?, なぜそれが必要か? を明確にする システム要求 : 測定可能, テスト可能 抽象度低Physical view: 機能を実現するハードウェア ソフトウエア高アーキテクチャの 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 Architecting: the art and science of designing and building systems. 5

6 エンティティ V: ビューの位置づけ 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 利害関係者の要求 1 Operational view SysML 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 2 Functional view MATLAB/Simulink 3 Physical view Mechanical CAD Electronic CAD Program code 製作, コード化に向けた仕様 見込み調査, リスク調査 Customer Confirmation Verification and Validation Planning Customer Confirmation Verification Planning Customer Confirmation 購入, 製作, コード化 解決策の達成 検証検査, テスト, 実証, 分析 妥当性確認 妥当性確認の計画 検証検査, テスト, 実証, 分析 不具合調査 6

7 二元 V 字開発モデル (Dual Vee Model) Architecture Vee 要求を満足するシステムの完成 利害関係者の要求 Entity Vee 7

8 二元 V 字モデルによるプロセスの理解 Architecture Vee 利害関係者の要求 早い段階での手戻り 要求を満足するシステムの完成 Entity Vee 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. 8

9 二元 V 字モデルによるプロセスの理解 Architecture Vee 利害関係者の要求 致命的な手戻り 要求を満足するシステムの完成 Entity Vee 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. 9

10 エンティティ V : 検証と妥当性確認 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 利害関係者の要求 Entity 要求の定義 アーキテクチャの選定とシステム仕様 製作, コード化に向けた仕様 Customer Confirmation Verification and Validation Planning Customer Confirmation Verification Planning Customer Confirmation 購入, 製作, コード化 検証検査, テスト, 実証, 分析 シナリオ妥当性確認 妥当性確認のHuman in 計画 the Loop 検証 Simulation 検査, テスト, オフノミナル実証, 分析 ノミナル HILS/SILS 10

11 IEEE 1220 systems engineering process SE プロセスへの入力 要求の分析 要求の基準要求の妥当性確認確認された要求の基準 機能の分析 機能の検証 総合 設計の検証 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統制 要求と制約の矛盾 要求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 分解割り当てのトレードオフと影響 設計解の要求と候補 設計解のトレードオフと影響 SE プロセスの出力 要求のトレードオフ分析と評価 システム解析 機能のトレードオフ分析と評価 設計のトレードオフ分析と評価 11

12 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 12

13 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 13

14 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 wiki 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 MBSE Workshop at INCOSE IW e_iw_2014 MBSE Workshop at INCOSE IW e_iw_

15 文書化と文書管理 実行可能なシミュレーションモデル 形式の変換 要求管理 コスト分析リスク分析 要求分析 システム アーキテクチャ 分析的な 統合 High Fidelity Simulations 忠実度の高いシミュレーション 物理設計 (3D CAD) PDM: Product Data Management 部品表 (BOM) 最適化視覚化 サプライチェーンマネジメント Christopher Oster, Lockheed Martin Corporationの資料より改変 15

16 正しいシステムを得ること 正しい要求 + 正しいインタフェース 正しいコンポーネント 正しい要求 整合 要求のモデル 正しいインタフェース 整合 インタフェースのモデル 正しいコンポーネント 整合 コンポーネントのモデル シミュレーションモデル : 要求のモデル をサポートする 正しいシステム 整合 シミュレーションモデル 仕様を正しく得る Ron Carson, MBSE Implementation Across Diverse Domains at The Boeing Company より改変 16

17 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 出版社 : 東京電機大学出版局 (2012 年 5 月 10 日 ) 17

18 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 構造 ibd act 振る舞い 要求 req par 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 18

19 SysML を用いた協働作業 システムモデル 構造 振る舞い 要求 パラメトリック 要求 仕様設計 統合 ソフトウェアモデル 19 要求 仕様設計 統合 ハードウェアモデル

20 コンカレントデザインを促進するフレームワーク トレーサビリティ根拠 外部からの要求 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 20

21 SysML ダイアグラムの分類 SysML: Systems Modeling Language SysML ダイアグラム 振る舞い図 要求図 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 パラメトリック図内部ブロック図パッケージ図 21

22 SysML による MBSE のサポート システム仕様の決定 以下の活動の反復 ブラックボックスのシステム要求の取得と分析 ( コンテキストレベル ) 要求管理ツールでの文書ベースでの要求の獲得 SysMLモデリングツールへの要求のインポートシステムのユースケースからシステムレベルでの機能の特定ユースケースと要求間のトレーサビリティの獲得ユースケースシナリオの実現 : アクティビティ図, シーケンス図, 状態機械図システムコンテキスト図の創出システム検証をサポートするシステムのテストケースの特定 要求を満たすシステムアーキテクチャ候補の開発 ブロック定義図を用いたシステムの分解アクティビティ図またはシーケンス図を用いたパート間の相互作用の定義内部ブロック図を用いたパート間の相互接続の定義 22

23 SysML による MBSE のサポート ( 続き ) 所望のアーキテクチャの評価と選択のためのエンジニアリング解析と トレードオフ分析の実行 性能, 信頼性, コスト, その他の重要なプロパティの分析をサポートするためのパラメトリック図を用いたシステムプロパティの制約の獲得システムプロパティの予算を決定するためのエンジニアリング解析の実行 ( 通常, 別のエンジニアリング解析ツールで行われる ) コンポーネント要求の規定とシステム要求に対するコンポーネント要求のトレーサビリティの規定 アーキテクチャにおける, 各コンポーネント ( ブロック ) のための機能要求, インタフェース要求, 性能要求の獲得システム要求へのコンポーネント要求のトレース システムレベルでのテストケースの実行 システム設計に関する要求の充足の検証 23

24 SysML-Lite とは? SysMLの9つのダイアグラムの内 6つのダイアグラム パッケージ図 要求図 アクティビティ図 ブロック定義図 内部ブロック図 パラメトリック図を用いてシステムモデルを記述する考え SysML ダイアグラム 振る舞い図 要求図 構造図 24 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 ブロック定義図パラメトリック図内部ブロック図パッケージ図

25 機能の明確化とインタフェース (1) コンテキストレベルでの外部システムとのインタフェース システムのユースケース ( 使われ方 動作 ) を考える シーケンス図による記述パート間の相互作用 外部システム システム メッセージ ( 相互作用 ) 自己メッセージ 機能を記述するユースケースをシーケンス図で記述し システムの機能の抽出を行う システムは 外部システムからメッセージを受けるという機能 1 をもつ システムは 自己メッセージを処理するという機能 2 をもつ 次に 抽出された各機能を実現するシーケンスを考える 25

26 機能の明確化とインタフェース (2) システムの分解を検討する ブロック定義図 システム サブシステム 2 はサブシステム 1 から同期メッセージを受け 自己メッセージを処理する サブシステム 2 はサブシステム 1 にメッセージを返信する サブシステム1 サブシステム2 機能 1, 2を実現するシーケンスを検討サブシステム間の相互作用を明確にする 各サブシステムの生存線上にそれぞれの機能が抽出される サブシステム 1 サブシステム 2 同期メッセージ 返信メッセージ 26

27 機能のコンポーネントへの割り当て アクティビティ図でさらに信号のフローを検討する コンポーネントとインタフェースを明確化する サブシステムサブシステム 1 開始ノード サブシステム 2-1 スイムレーイン or アクティビティ区画 サブシステム 2-2 パラメータ 1 アクション 1-1 アクション 2-1 制御フロー アクション 1-2 ピン オブジェクトフロー アクション 2-2 パラメータ 2 アクティビティ終了ノード 27

28 ブロック定義図 シーケンス図とアクティビティ図での検討により サブシステム 2 は サブシステム 2-1, 2-2 に分解された システム サブシステム 1 サブシステム 2 サブシステム 2-1 サブシステム

29 内部ブロック図 内部ブロック図によるコンポーネント間のインタフェースの記述 [ サブシステムの内部構造 ] サブシステム 2 サブシステム 1 サブシステム 2-1 サブシステム

30 要求の詳細化とトレーサビリティの確保 <<Requirement>> 対象システムの要求 対象システムはxxの状況で へ すること + <<Requirement>> R1 外部システムが xx の状況で すること <<Requirement>> R2 に対応すること <<Functional Requirement>> 機能要求 1 <<block>> サブシステム 1 <<derived>> <<satisfy>> <<Functional Requirement>> 機能要求 2-1 <<satisfy>> <<block>> サブシステム 2-1 <<derived>> <<derived>> <<Functional Requirement>> 機能要求 2-2 <<satisfy>> <<block>> サブシステム

31 SysML の活用で見えてくること システムをモデルで表現する 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 31

32 エレベータに対する要求 ( 例 ) エレベーターは ビルの各階から コール ( 呼び ) を受けること ( 入力に関する要求 ) エレベーターは 想定される乗員に対して エレベーターを呼んでいることを表示すること ( 出力に関する要求 ) エレベーターは 緊急コールに対してビルにある標準電話を利用すること ( 外部インタフェースに関する要求 ) The Engineering Design of Systems, - Models and Methods -, 2 nd Edition, Dennis M. Buede, John Wiley & Sons, Inc. 32

33 ユースケース図 33

34 シーケンス図 ( コンテキストレベル ) 34

35 シーケンス図 ( コンテキストレベル ) 35

36 コンテクストレベルでの機能分析 エレベータシステムの機能 36

37 ユースケース ドアを開く シーケンス図 37

38 アナリシスレベル 01 での機能分析 エレベータコントローラの機能 38

39 ブロック間のインタフェース 39

40 要求を詳細化したユースケース テストケース 詳細化 40

41 サブ機能 エレベータを呼ぶ 41

42 サブ機能 目的階に移動する 42

43 サブ機能 ドアを開く 43

44 サブ機能 ドアを閉じる 44

45 ブロック定義図 ( アナリシスレベル ) 45

46 エレベータシステムの状態機械図 46

47 ブロック定義図 : フロアでのエレベータ待ち時間 47

48 パラメトリック図 : フロアでのエレベータ待ち時間 48

49 まとめ 複数のドメインで構成されるシステムを設計するために 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の適用手順を概説するとともに エレベータ開発の事例を紹介し MBSEで思考する過程を示した 49

50 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 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 -, 2 nd Edition Dennis M. Buede, John Wiley & Sons, Inc. 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: 50