MATLAB/Simulinkを利用したモデルベース開発のトレンドと将来展望

MATLAB/Simulink を利用したモデルベース開発のトレンドと将来展望 2009 年 5 月 21 日 ( 木 ) 2009 CYBERNET SYSTEMS CO.,LTD. All Rights Reserved.

アジェンダ はじめに The MathWorks MATLABプロダクトファミリ 自動車業界での利用 モデルベース開発 モデルベース開発とは 導入効果 開発プロセスのトレンド まとめ 2

はじめに 開発元 : The MathWorks, Inc. 本社 : 米国マサチューセッツ州, Natick 従業員 2,000 名超 25 カ国に支社 代理店を展開 350 社以上のパートナー 6 ヶ月毎に最新版をリリース (2006/03~) 3 月と 9 月の年 2 回 (R200X a/b) 導入実績 175 カ国以上 100 万人以上のユーザ 3,500 以上の大学 国内での販売 サポート サイバネットシステム株式会社 (~2009 年 6 月 30 日 ) The MathWorks 日本法人へ事業移管 (2009 年 7 月 1 日 ~) http://www.cybernet.co.jp/matlab/company/transition_detail.shtml 3

MATLAB/Simulink プロダクトファミリ MATLAB を中心とした 90 以上のツール群 ( 拡張ライブラリ / 追加オプション ) 4

適用分野と産業分野 適用分野 データ解析 実験 計測 制御システム設計 通信システム設計 信号処理 画像処理 産業分野 自動車 教育 航空宇宙 電機 通信 環境 / エネルギー 医療 / 科学 5

MATLAB とは? 各種 Toolbox( オプション製品 ) アプリケーション展開ツール データアクセスツール 全世界 100 万人が選んだ対話的プログラミング環境 強力な計算エンジン 豊富な関数 アルゴリズム開発 データ解析 可視化 6

Simulink とは? モデルベース開発のためのプラットフォーム ブロック線図環境 モデリング シミュレーションによる設計 自動コード生成環境 各種 Blockset Stateflow コード生成ツール 7

R2009a(2009 年 3 月リリース ) MATLAB プロダクトファミリ新機能 fft およびその他の MATLAB 関数でのマルチコア処理をサポート Parallel Computing Toolboxで デスクトップPC 上の8 個のプロセッサコアまでが利用可能 MATLAB プログラムおよびアプリケーションで.NET クラスを直接使用することが可能 Curve Fitting Toolboxにおける曲面近似オブジェクトを含む曲面近似や新しいGUI Symbolic Math Toolboxにおいて数式表現からSimulinkブロックを生成 http://www.cybernet.co.jp/matlab/products/release/r2009a.shtml 8

R2009a(2009 年 3 月リリース ) Simulink プロダクトファミリ新機能 Simulink および Stateflow において シミュレーション状態の保存 復元 および再開機能を追加 Simulink Fixed Point において Discrete Filterブロックおよび Simulinkデータオブジェクトの自動スケーリングで固定小数点をサポート Real-Time Workshop および Real-Time Workshop Embedded Coderにおいて メモリ使用量の削減や実行時間の短縮など 生成されるコードの効率が向上 Simulinkモデルパラメータを推定および最適化するための新製品 Simulink Design Optimizationを追加 http://www.cybernet.co.jp/matlab/products/release/r2009a.shtml 9

自動車業界で採用されている理由 1. モデルベース開発にフィット 設計対象システムを記述 シミュレーション可能 仮想検証 実機ベース検証 (RPT, HILS) の組合せ 量産向けコード生成機能 2. 開発プロセスにフィット 先行開発 量産開発への移行がスムース モデルのリファインが容易 OEM-サプライヤ間をまたいだ開発をサポート 3. 開発プロセスを支える豊富なサードパーティツール連携 4. The MathWorks と自動車業界ユーザ会との親密な関係 (MAAB/JMAAB) 10

JMAAB JMAAB (Japan MATLAB Automotive Advisory Board) 国内自動車メーカーと 同自動車用制御装置サプライヤーの MATLAB ユーザー会 活動目的 モデルベース開発 (MBD) の推進 MBDプロセスの早期実現 MATLAB/Simulink ベースでの設計 開発環境の発展 自動車メーカーとサプライヤーの境界を越えた効率的な開発環境の実現 11

JMAAB の組織構成 ボードメンバー (9( 名 ) 運営 計画 活動案の策定 議題の選定など 全決議採択運営 計画 活動案の策定 議題の選定など 全決議採択 大井 ( デンソー ) 大畠( トヨタ自動車 ) 尾形( ミツバ ) 片山( トヨタ自動車 ) 久保( アイシン AW) 嶋田( 本田技術研究所 ) 進矢( マツダ ) 鈴木( デンソー ) 山中( 日立製作所 ) 50 音順 JMAAB 一般メンバーコアメンバー (20( 社 ) WG 活動への参加が可能 アイシン精機 アイシンAW アドヴィックス いすゞ自動車 ボードメンバー ジヤトコ スズキ デンソー トヨタ自動車 日産自動車 日立製作所 富士重工業 本田技術研究所 マツダ 三菱電機 三菱自動車 ヤマハ発動機 三菱ふそうトラック バス 日産ディーゼル ミツバ 現代自動車 コアメンバー WG WG WG 一般メンバー (1548( 名 474 社 : 2009 年 5 月 15 日現在 ) WEBでの登録ユーザ数 JMAABサイトより成果物を利用できる 自動車業界をはじめ エレクトロニクス 航空宇宙 精密機器 教育機関など 多数の業界からも登録 事務局 12

アジェンダ はじめに The MathWorks MATLABプロダクトファミリ 自動車業界での利用 モデルベース開発 モデルベース開発とは 導入効果 開発プロセスのトレンド まとめ 13

設計エラーの早期検出の重要性 開発工程における設計エラーの混入 / 検出 設計エラーの検出が遅れるほど 修正に必要となるコスト 時間が増大 70% 60% 60% 55% 50% 設計エラーの早期検出 修正 40% 30% 22% 品質 コスト 納期改善効果大 20% 10% 0% 8% 21% 15% 12% 7% 検出 解決策 モデルベース開発 仕様検討 設計 実装 テスト 検証 混入 Clive Maxfield and Kuhoo Goyal EDA: Where Electronics Begins TechBites Interactive, October 1, 2001 ISBN: 0971406308] 14

従来の開発プロセス 要求 仕様 設計 実装 紙ベースの仕様書曖昧な記述再利用が困難 プロトタイプテスト不十分かつ高コスト テスト 検証 ハンドコードヒューマンエラー混入品質のばらつき 従来のテスト最後でエラー検出手戻りの発生 15

モデルベース開発の適用 要求 仕様 設計 環境モデル環境モデル システムビヘイビアモデル 環境モデル環境モデル フィジカルフィジカルコンポーネントモデルコンポーネントモデル 実装 実行可能な仕様書 - あいまいさの除去 - 要求仕様書へのリンク アルゴリズムアルゴリズム シミュレーションによる設計 - 試作機作成の低減 - 体系的な仮説による解析の実現 C, C, C++ C++ アルゴリズムアルゴリズム コード生成コード生成 コード生成コード生成 VHDL, VHDL, Verilog Verilog テスト 検証 MCU MCU DSP DSP FPGA FPGA ASIC ASIC 自動コード生成 - 工数と労力の削減 - コードの再利用 - コーディングエラーの最小化 16

モデルベース開発 実行可能な仕様書 モデルの詳細化 継続的な検証 継続的なテスト 検証 model シミュレーションによる設計 コード生成による実装 モデルからのコード生成 17

MATLAB プロダクトファミリによるモデルベース開発環境 継続的なテスト 検証 実行可能な仕様書 model シミュレーションによる設計 実行可能な仕様書 理想モデルによる純粋な仕様検討 機能分割 ターゲットに依存しない仕様をモデル化 モデルを 実行可能な仕様書 として工程間で共有 急な仕様変更対応 管理が容易化 コード生成による実装 適用プロダクト MATLAB Simulink 適用分野に特化した各種ライブラリ Toolbox: MATLAB 用 Blockset: Simulink 用 18

MATLAB プロダクトファミリによるモデルベース開発環境 シミュレーションによる設計 実行可能な仕様書 シミュレーションによる妥当性検証 ハードウェアプロトタイピングのコスト 工数抑制 継続的なテスト 検証 model シミュレーションによる設計 固定小数点化 サイクル精度の検証 システム内部の相互作用 実現構造の検証 コード生成による実装 適用プロダクト Simulink Stateflow Fixed-Point Toolbox Simulink Fixed Point 19

MATLAB プロダクトファミリによるモデルベース開発環境 コード生成による実装 継続的なテスト 検証 実行可能な仕様書 model シミュレーションによる設計 コーディングエラーの抑制 再現性の高い実装結果 3 rd パーティの提供する FPGA および評価用ボードに特化した各種の自動コード生成オプションが利用可能 コード生成による実装 適用プロダクト Real-Time Workshop Real-Time Workshop Embedded Coder Stateflow Coder Simulink HDL Coder 20

MATLAB プロダクトファミリによるモデルベース開発環境 継続的なテスト 検証 継続的なテスト 検証 実行可能な仕様書 model コード生成による実装 シミュレーションによる設計 モデルをテストベンチとして再利用 システム性能指標によるハードウェア / ソフトウェアデザイン検証 評価用ボードなどに即実装し 実機を用いたアルゴリズム検証が可能 適用プロダクト Simulink Verification & Validation Simulink Design Verifier SystemTest 21

モデルベース開発の効果 モデルベース開発 実行可能な仕様書 シミュレーションによる設計 コード生成による実装 各工程におけるテスト 検証 継続的なテスト 検証 実行可能な仕様書 コード生成による実装 シミュレーションによる設計 効率改善 シミュレーションによる - 迅速な設計 評価の確認 - 仮説 を利用した設計検討 設計結果の資産化 品質向上 あいまいな情報によるミス コミュニケーションの抑制 ( 社内部署間 / 企業間 ) ヒューマンエラーの減少 コスト削減 ハードウェアプロトタイプの削減 手戻りの抑制 22

実際の導入効果はどうなのか? 本日ご紹介する事例 ケーススタディ : IBS による調査レポート Simulink の投資対効果 自動車業界におけるモデルベース開発適用事例 他にもケーススタディや適用事例が多数公開されています 日本語 : http://www.cybernet.co.jp/matlab/library/case/ 英語 : http://www.mathworks.com/company/user_stories/index.html 23

ケーススタディ : IBS による調査レポート Simulink の投資対効果 International Business Strategies (IBS) の著名なアナリストによる調査報告 システムレベル設計にSimulinkを適用した業界有力企業 5 社においてインタビュー実施 報告には HD ビデオプロセッサの製造元も含まれる 本報告書は下記 URL にて公開されています http://www.mathworks.com/roi/ ( 英文 ) 和文版 ( サマリ ) を希望される方は別途ご連絡ください 24

ケーススタディ : IBS による調査レポート Simulink の投資対効果 Simulinkベースの開発プロジェクトは 従来手法と比較して1/3~1/2の期間で完了している Simulinkを導入したことによる直接的なコスト削減効果 = $100 万以上 コスト削減効果は全般的には導入による開発期間短縮などに基づく ケーススタディ Simulink を用いなかった場合の開発コスト ( 予測値 ) Simulink を用いた場合の開発コスト ( 予測値 ) 直接的なコスト効果 $M Data Comm Interface $3.1M $1.5M $1.6M Wireless LAN $3.7M $1.6M $2.1M Wireless Baseband IC $2.5M $0.9M $1.6M Video Processor $3.0M $1.2M $1.8M Wireless $3.1M $1.5M $1.6M 25

ケーススタディ : IBS による調査レポート Simulink の投資対効果 間接的なコスト効果 $10M+ プロダクトライフサイクルにおける利益機会の創出など 市場投入までの期間短縮 製品性能の最適化 競争力の維持 これらの間接的な効果は 量産設計においてもっとも顕著に表れており その試算額は $10M-$20M に及ぶ 直接的な効果のみを考慮するのではなく 間接的な効果と合わせて Simulink による MBD 導入を検討するべき 26

自動車業界におけるモデルベース開発の適用事例 トヨタトヨタ / プリウスのエンジン冷却水蓄熱システムのプリウスのエンジン冷却水蓄熱システムの ECU ECU へ実装へ実装日経エレクトロニクス日経エレクトロニクス 2003.12.22 2003.12.22 号より号より 日立ノースアメリカのラピッドプロト日立ノースアメリカのラピッドプロト ECU ECU 開発開発 http://www.mathworks.com/products/rtw/userstories.html?file=8438 http://www.mathworks.com/products/rtw/userstories.html?file=8438 メルセデス ベンツ トラックのクルーズコントロールシステムメルセデス ベンツ トラックのクルーズコントロールシステム http://www.mathworks.com/products/rtw/userstories.html?file=8140 http://www.mathworks.com/products/rtw/userstories.html?file=8140 トヨタトヨタ / デンソーが自動車量産ソフト開発においてデンソーが自動車量産ソフト開発において MATLAB MATLAB R14 R14 を本格導入を本格導入 http://www.cybernet.co.jp/ir/release/050801.shtml http://www.cybernet.co.jp/ir/release/050801.shtml 27

アジェンダ はじめに The MathWorks MATLABプロダクトファミリ 自動車業界での利用 モデルベース開発 モデルベース開発とは 導入効果 開発プロセスのトレンド まとめ 28

Studying the Impact of MBD: モデルベース開発の影響 参加者 参加者情報 対象 Aerospace Research Tool Supplier OEM Supplier (Translation by presenter) Managing Directors High-level personnel and experts in research and development Institute leaders and department heads of leading research organizations Germany United Kingdom Austria 対象国 Sweden USA 29

Front-Loading the Effort: 開発のフロントローディング化が進む Trends in Development Process 要求分析システム設計実装テスト (Translation by presenter) 1996 年 : 要求分析 5% システム設計 10% 実装 45% テスト40% 2008 年 : 要求分析 20% システム設計 25% 実装 25% テスト30% 2016 年 : 要求分析 30% システム設計 25% 実装 15% テスト30% 30

System Design and Modeling: 再利用の増加と設計エラーの減少 Trends in System Design 設計の繰り返し繰り返しの調整設計エラーモデルの再利用 (Translation by presenter) 31

Implementation: 自動コード生成の適用 Using Hand-Code in Models Production Code Generation from Models Hand Code Modeled Elements None Some Most All (Translation by presenter) 32

Test and Verification: 人員を増やすことなくテスト工程を改善 Trends in Component Testing テスト回数自動テストケース生成テストケースエラーの発見エンジニア数 (Translation by presenter) 33

アジェンダ はじめに The MathWorks MATLABプロダクトファミリ 自動車業界での利用 モデルベース開発 モデルベース開発とは 導入効果 開発プロセスのトレンド まとめ 34

まとめ MATLAB プロダクト MATLAB とは? 研究者 技術者のためのテクニカルコンピューティング環境 Simulink とは? 業界標準のモデルベース開発環境 開発元 :The MathWorks, Inc. モデルベース開発とは? 実行可能な仕様書 自動車制御システム開発において多く採用されているプロセス Simulinkで作成した1つのモデルを 開発の上流から下流までの全てのプロセスで共用し 統一された環境におけるシステム開発を可能にするプロセス シミュレーションによる設計 モデル コード生成による実装 連続したテスト 検証 35

まとめ 導入効果はどうなのか? ケーススタディ : Simulink の投資対効果 自動車業界でのユーザー事例 開発プロセスのトレンド 実行可能な仕様書 調査レポートに基づいて 今後の傾向を ご紹介しました シミュレーションによる設計 モデル 連続したテスト 検証 コード生成による実装 36

ご清聴ありがとうございました サイバネットシステムブース小間番号 122 番 37