本日の話題当社のご紹介 SysMLの概要について SysMLの活用 SysML と RT ミドルウェアとの連携について

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けんじあかさか
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1 ロボット開発における SysML の活用株式会社チェンジビジョン岩永寿来

2 本日の話題当社のご紹介 SysMLの概要について SysMLの活用 SysML と RT ミドルウェアとの連携について

3 Change Vision のご紹介株式会社チェンジビジョン設立 2006 年 2 月代表取締役社長平鍋健児 h5p://blogs.itmedia.co.jp/hiranabe/ 事業領域設計支援 ( モデリング ) ツールの提供設計支援ツールカスタマイズ関連サービス教育コンサル所在地 US Office 66 Front St, Berea, Ohio, 44017, USA 本社東京都台東区上野上野 HS ビル 8 階福井福井県福井市問屋町 3-111

4 SysML の概要 SysMLの背景 SysMLとは SysMLとUML 各図の紹介要求図ブロック図内部ブロック図パラメトリック図アロケーションと各図の関係

5 SysML の背景近年システム開発は ( ロボット開発においても ) 大規模複雑化が進んでいる機械ソフトウェア電気電子制御など異なる業種の利害関係者が参加する開発においてシステムの理解や開発者間でのスムーズなコミュニケーションが難しくなってきているシステムの様々な側面からの記述が更に重要にただ文書中心の記述は困難になりつつある理解しやすいモデルを使ってシステムの様々な側面から記述できる方法がないか? システムエンジニアリングのための標準モデリング言語 = Systems Modeling Language(SysML)

6 SysML とはシステムレベルのモデリングを対象としたグラフィカルな標準モデリング言語 OMG によって標準化されている現在のバージョンは 1.3 ハードウェアやソフトウェア情報プロセス人員設備を含む広範囲の複雑なシステムについて仕様決定分析設計検証妥当性確認をサポートする 6

7 SysML と UML(1) なぜ UML ではだめなのかシステムエンジエアリングに必要な観点が用意されていない要求項目や要求に対応するテスト項目の表現非機能要件や重量といった単位が表現しにくい割り当ての表現パラメータ間の制約表現そこで UML の拡張機能 ( プロファイル ) を使って足りない部分を補う

8 SysML と UML(2) SysML ダイアグラム振舞い図要求図構造図アクティビティ図シーケンス図ステートマシン図ユースケース図ブロック定義図内部ブロック図パッケージ図 UML2.0 と同等パラメトリック図 UML2.0 から変更新規

9 SysML の 4 本柱

10 UML と SysML の主な対象範囲製品企画製品審査 SysML システム要求分析システム方式設計システムエンジニアリングソフトウェア適合性確認テストシステム結合セーフティエンジニアリング UML ソフトウェア要求分析ソフトウェア方式設計ソフトウェアエンジニアリングソフトウェア適合性確認テストソフトウェア結合ソフトウェア詳細設計単体テスト実装ハードウェア開発 10 サポート IPA/SEC 組込みソフトウェア向け開発プロセスガイドより

要求図要求と要求間の関係を整理詳細化 req [package] 要求例 [Customer Specification] Customer Specification 要求包含 <<requirement>> Operating Environment Id = S1 text = システムは 1 日 24 時間週 7

1 text = システムはすべての気象条件において侵入者を検知できる <<derivereqt>> <<derivereqt>> <<requirement>> Sensor Decision Id = D1 text = システムは侵入者を検知するためにカメラを用いる <<requirement>> 24/7

11 要求図要求と要求間の関係を整理詳細化 req [package] 要求例 [Customer Specification] Customer Specification 要求包含 <<requirement>> Operating Environment Id = S1 text = システムは 1 日 24 時間週 7 日すべての気象条件において侵入者を検知できる <<requirement>> Availavility Id = S2 text = システムは設置期間において0.999の稼働率を示す 11 派生 ( 導出 ) <<requirement>> All Weather Operation Id = S1.1 text = システムはすべての気象条件において侵入者を検知できる <<derivereqt>> <<derivereqt>> <<requirement>> Sensor Decision Id = D1 text = システムは侵入者を検知するためにカメラを用いる <<requirement>> 24/7 Operation Id = S1.2 text = システムは 1 日 23 時間週 7 日侵入者を検知できる <<satisfy>> <<verify>> 最も費用対効果の高い方法トレードオフ検討 T.1 参照満足 <<block>> Camera <<testcase>> AvailavilityTest 検証参考書籍 [2] より (p312)

12 ブロック内部ブロック図

13 ブロック定義図システムの構成要素とその関係を定義する bdd [package] HUV [ パワーサブシステム ] ブロックパワーサブシステム部品関連 ecu epc パワー制御ユニット ice 電子パワー制御 tsrm 内燃エンジントランスミッション 13 SysML 仕様書 v1.3 p195 より

14 ブロックシステムの構成要素を定義するブロック区画制約操作部品参照値プロパティフロープロパティポート... インタフェースブロック給湯器 constraints { 設定温度に近いお湯を30 秒以内に提供すること } operations 給湯する () : void flow properties in 給水量 : Real out 給湯量 : Real parts : 加熱装置 references : 給湯操作パネル values 設定温度 : Real 14

15 親となるブロック名このブロックの内部構造を表現内部ブロック図 ibd [block] パワーサブシステム [ 提供要求機能 ] epc : 電子パワー制御 ctrl : EPC ブロックの内部構造を示す内部構成要素間の接続関係も示すプロパティ ( パート ) 外枠のブロックの内部の構成要素プロパティ名 : ブロック名親ブロックと部品関連を持つプロパティ epc : ~EPC ecu : パワー制御ユニット tsrm : ~TSRM ctrl : TSRM tsrm : トランスミッション 15 ice : ~ICE コネクタプロパティ間やポート間の接続関係ブロック定義図の関連に対応 ctrl : ICE ice : 内燃エンジンポート他のプロパティとのやりとりの口名前と型を持ち近くにポート名 : 型名と表示 SysML 仕様書 v1.3 p74 より

16 ブロック定義図と内部ブロック図の関係 bdd [package] HUV [ パワーサブシステム ] パワーサブシステム ecu epc パワー制御ユニット電子パワー制御 ice tsrm 内燃エンジントランスミッション ibd [block] パワーサブシステム [ 提供要求機能 ] epc : 電子パワー制御 ctrl : EPC epc : ~EPC ecu : パワー制御ユニット ice : ~ICE tsrm : ~TSRM ctrl : TSRM tsrm : トランスミッション 16 ctrl : ICE ice : 内燃エンジン

17 パラメトリック記法

K1 * K2} parameters K1: Real K2: Real K:

18 制約ブロックシステム内の制約を定義する bdd [Package] パラメトリック例ブロック定義図 <<constraint>> K parameters a: Real b: Real c: Real d: Real K: Real 制約ブロック <<constraint>> K1 constraints {K1 = a * b} parameters a: Real b: Real K1: Real 18 eq1 eq2 eq3 制約文法は自由計算式や OCL プログラム言語などパラメータ <<constraint>> K1 * K2 constraints {K = K1 * K2} parameters K1: Real K2: Real K: Real <<constraint>> K2 constraints {K2 = c * d} parameters c: Real d: Real K2: Real

19 パラメトリック図 par [ConstraintBlock] K 親となる制約ブロック a a eq1 : K1 {K1 = a * b} 複数の制約のパラメータ間の関係を示しパラメータの解析に活用制約プロパティ b 拘束コネクタ b K1 パラメータ K1 eq2 : K1 * K2 {K = K1 * K2} K2 K K c c eq3 : K2 K2 {K2 = c * d} 親の制約ブロックのパラメータ d d 19

20 例制約ブロック定義の例 <<constraint>> 豆電球の点灯時間による熱 parameters Q : ジュール熱 I : 電流 V : 電圧 t : 時間パラメトリックの例 par [constraintblock] 豆電球の点灯時間による熱 [ 豆電球の点灯時間による熱 ] V : 電圧 <<constraint>> オームの法則 constraints { E = RI } parameters V : 電圧 R : 電気抵抗 I : 電流 <<constraint>> ジュールの法則 constraints { Q = I * I * R * t } parameters Q : ジュール熱 I : 電流 R : 電気抵抗 t : 時間 V : 電圧 I : 電流 I : 電流 I : 電流 : オームの法則 { E = RI } R : 電気抵抗 R : 電気抵抗 : ジュールの法則 { Q = I * I * R * t } t : 時間 Q : ジュール熱 t : 時間 20 Q : ジュール熱

21 振舞いを構造へ要求をモデル要素へ論理モデルを物理モデルへアロケーションソフトウェアモデルをハードウェアモデルへ各種モデル要素間の割り当て関係を定義する 21 SysML v1.3 仕様書より引用 (p137)

22 SysML 4 本柱の関係各モデルは相互に関係している構造振舞い allocate satisfy value binding 22 verify 要求パラメトリック

23 SysML の概要まとめシステムズエンジニアリングがターゲット異なる業種の利害関係者がそれぞれシステムに対して考えていることをモデルという目に見える共通的な言語を用いコミュニケーション出来る環境を整えるソフトウェア機械電気などの担当者の共通言語システムの仕様化分析設計確認検証に活用できるシステムの構造振る舞い要求パラメトリックをモデリングできる 23

24 SYSML の活用

25 SysML の活用コミュニケーションのためにを超えてモデルを活用したい例 DSL 生成 ( 例.RTC ドメイン固有言語 ) シュミレーション可能な制御モデルとの連携 (Modelica,MATLAB/Simulink ) 安全設計のために活用するソースコードを出力いきなり S/W,H/W コードを出力するには SysML で扱う抽象レベルが適していない場合が多い

$Implementa\on RTC$ (Skeleton) Executable

26 DSL SysML と RT ミドルウェアとの連携 (1) SysML SysML Requirements requirements SysML SysML Use Use cases cases SysML SysML Context requirements (Block) astah SysML SysML SysML Components Component (Block) (block) SysML STMs FSM RTC Plugin Component spec. RTC.xml OpenRTM- aist RTCBuilder RTSystemEditor RTC FSM FSMs SysML Component RTCs (block) another RTM astah RTM SysML Component RTCs (block) Implementa\on RTC source codes (Skeleton) Executable RTC Restore connectors RTC source codes (Skeleton ) Analysis RTS.xml Design Executable RTC Implementa\on

27 DSL SysML と RT ミドルウェアとの連携 (2) SysML のコンポーネントモデルと RTC のコンポーネントモデルが類似ブロック = コンポーネントポート / インタフェース SysML RTC / OpenRTM-aist

28 DSL SysML と RT ミドルウェアとの連携 (3) ブロック図から RTC プロファイルを生成 RTC にマッピングする SysML ブロックモデルから RTC の構造 ( ポートやインタフェース ) を RTC として生成内部ブロック図から RTS プロファイルを生成ロボットシステムがどのようなコンポーネントで構成され相互接続されているかといったロボットシステムの構成を RTS として生成内部ブロック図

29 DSL SysML と RT ミドルウェアとの連携 (4) ステートマシンよりステートマシンモデルから直接実装を生成確実に設計に沿った形で実現ソースからはつかみにくい構造が視覚化される OMG RTC を拡張し Finite State Machine for RTC 標準 (FSM4RTC) の策定が進んでいる OMG RTC と組み合わせるとツールによる FSM コンポーネントの実装が非常に容易になる

Diagrams Internal Block Diagram Block Definition Diagram Requirement Diagram Requirement Table Parametric Diagram UseCase Diagram Activity Diagram

Map to PowerPoint System Requirements Astah SysML was made possible in part from a grant from the Measures to Support Global Technical Collaboration

30 Diagrams Internal Block Diagram Block Definition Diagram Requirement Diagram Requirement Table Parametric Diagram UseCase Diagram Activity Diagram Statemachine Diagram Sequence Diagram Mind Map Input-Output Printing, Print options, Print Preview Exporting to JPEG, PNG, EMF, SVG files Exporting Mind Map to PowerPoint System Requirements Astah SysML was made possible in part from a grant from the Measures to Support Global Technical Collaboration program 初回起動後最長 20 日間は無償で評価利用できますさらに 270 日分の評価延長も可能です 2014 年春 astah SysML version 1.1, SysML / RTC 連携プラグインリリース

31 安全設計のために活用する SysML 安全設計のためのリスクアセスメントではまず対象となるシステムの理解対象範囲の設定から始まる SysML を用いてシステムを理解定義する IEC による安全ライフサイクル

32 ( 参考 ) 安全性の保証技術安全設計の対象となるシステムを SysML モデルを用いて理解し対象範囲を設定する安全性の保証技術も注目されつつある Goal Structuring Nota\on 自動車ロボットなど高信頼性システムの開発においてその安全性を第三者に説明する必要がクローズアップされてきたその説明の理論的枠組みであるセーフティケースおよびその視覚的に議論を構造化して図示する方法として GSN(Goal Structuring Nota\on) が提案使われている ex) 自動車業界 /ISO26262 でもセーフティケースの記述が義務付けられている GSN によってどのような規格ガイドラインシステム範囲が想定されどのような根拠資料がどのように利用されて安全性が保証されているかをその議論構造を明確に示すことが可能に安全性保証のための議論構造の参照先に SysML などのモデルが活用できる

Example GSN Goal (Claim) InContextOf Context C1 Operating Role and Context G1 Control System is acceptably safe to operate SupportedBy C2 Control System Definition C3 Tolerability targets (Ref Z) G2

33 Example GSN Goal (Claim) InContextOf Context C1 Operating Role and Context G1 Control System is acceptably safe to operate SupportedBy C2 Control System Definition C3 Tolerability targets (Ref Z) G2 All identified hazards have been eliminated or sufficiently mitigated C4 Hazards identified from FHA (Ref Y) Assumption Strategy A1 All hazards have been identified A S1 Argument over each identified hazards SysML などのモデルは Context の参照先として活用できる G4 Hazard H1 has been eliminated G5 Probability of Hazard H2 occuring < 1x10-6 per year M2 Module Probability of Hazard H3 occuring < 1x10-3 per year Sn1 Formal Verification Solution (Evidence) GSN COMMUNITY STANDARD VERSION 1 より

Diagrams GSN Diagram Input-Output Printing, Print options, Print Preview Exporting to JPEG, PNG, EMF, SVG files Exporting Mind Map to PowerPoint NOTE Astah GSN is currently in its alpha release,

34 Diagrams GSN Diagram Input-Output Printing, Print options, Print Preview Exporting to JPEG, PNG, EMF, SVG files Exporting Mind Map to PowerPoint NOTE Astah GSN is currently in its alpha release, diagrams and features may be changed without notice. Any file created with Astah GSN alpha may not be compatible with future releases. System Requirements GSN (Goal Structuring Notation) is a graphical notation developed at the University of York for specifying safety cases for safety critical systems. Several standards such as ISO26262 (Automotive E/E systems) and IEC62278 (Railway) mandate the use of safety cases and GSN supports their argumentation structures and its relation to evidences in a comprehensible yet compelling form. *Astah GSN was made in collaboration with AIST alphaリリース無償公開中初回起動後最長 20 日間は無償で評価利用できますさらに評価延長も可能です

シュミレーション可能な制御モデルとの連携システムエンジニアリングではシステムの本質的な振る舞いを明確にし特定の要求 /

モデルで表現した要求 / 機能 / 設計の妥当性を確認することも重要トレード分析

$ex)omg SysML- Modelica Transforma\on 要求構造振舞い SysML 連携$

35 シュミレーション可能な制御モデルとの連携システムエンジニアリングではシステムの本質的な振る舞いを明確にし特定の要求 / 機能 / 設計のトレードオフを行い実現する機構を決める必要があるトレードオフ分析自体や結果から得られた SysML モデルで表現した要求 / 機能 / 設計の妥当性を確認することも重要トレード分析妥当性を確認できる実行可能なモデルが必要 MATLAB/Simulink や Modelica との連携も注目されている ex)omg SysML- Modelica Transforma\on 要求構造振舞い SysML 連携 MATLAB/Simulink Modelica テストケース構造振舞いトレード分析評価トレーサビリティシミュレーション制御 ( ソフト ) とプラント ( ハード )

$参考 :SysML 書籍や WEB [ 書籍 ][1] A Prac\cal Guide to SysML, Second Edi\on: The Systems Modeling Language [ 書籍 ][2] システムズモデリング言語 SysML [1] の第一版の日本語翻訳 [WEB] OMG SysML h5p://www.omgsysml.$

36 参考 :SysML 書籍や WEB [ 書籍 ][1] A Prac\cal Guide to SysML, Second Edi\on: The Systems Modeling Language [ 書籍 ][2] システムズモデリング言語 SysML [1] の第一版の日本語翻訳 [WEB] OMG SysML h5p:// [WEB] SysML チュートリアル h5p:// OMGSysML- Tutorial- Final pdf h5p:// report.jp/archive/sysml_tutorial_2008.pdf [WEB] IPA/SEC セミナー h5p://sec.ipa.go.jp/seminar/2011/ _pre.html [WEB] QCon 資料 ( 豆蔵 ) h5p://qcontokyo.com/data_2012/tatsukiinoue_qconsysml_100.pdf [WEB] オージス総研 WEB マガジン (SysML 関連 6 記事 ) 36 h5p:// ri.co.jp/rad/webmaga/rwm html

37 DSL - SysML と RT ミドルウェアとの連携のデモ

38 問題記述 l 自律ロボットを遠隔操作し 2 つの動き (Spiral と Back-and- Forth) をさせる Operator は自律モードとデモモード切り替えることができる Controller PC kinect Operator l ハードウェアアーキテクチャはあらかじめ決まっている PCを乗せたRoombaを Wi-Fi 通信で Kinectを使ってモードスイッチする Wi-Fi Receiver PC Roomba

$aist Run\me Kinect input RTC (OpenRTM- aist) Another$ $RTM Run\me Controller RTC Controller PC Receiver PC$ $Another RTM Run\me Robot RTC libroomba Roomba SCI$ (Serial Control Interface) Roomba Roomba SCI (Serial

(Serial Control Interface) Roomba Roomba SCI (Serial

39 Demo System architecture Kinect SDK Kinect OpenRTM- aist Run\me Kinect input RTC (OpenRTM- aist) Another RTM Run\me Controller RTC Controller PC Receiver PC for OpenRTM- aist OpenRTM- aist Run\me Robot RTC (OpenRTM-aist) libroomba Receiver PC for another RTM Another RTM Run\me Robot RTC libroomba Roomba SCI (Serial Control Interface) Roomba Roomba SCI (Serial Control Interface) Roomba RTC connector Software I/F Serial Bus (USB/RS232C)

SysML SysML Requirement Diagram Block Definition Diagram Internal Block Diagram Parametric Diagram Activity Diagram Package Diagram Use Case Diagram S

SysML SysML SysML Requirement Diagram Block Definition Diagram Internal Block Diagram Parametric Diagram Activity Diagram Package Diagram Use Case Diagram Sequence Diagram State Machine Diagram SysML SysML

本日の話題 当社のご紹介 SysMLの概要について SysMLの活用 SysML と RT ミドルウェアとの連携について

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