ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 2014年1月24日(金) モデルベース システムズエンジニアリング 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 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 略歴と業績 略歴 1985年3月 慶應義塾大学理工学部機械工学科卒業 1987年3月 同大学院理工学研究科機械工学専攻修士課程修了 1990年3月 同大学院理工学研究科機械工学専攻博士後期課程修了 工学博士 1990年4月より千葉大学工学部機械工学科助手 1995年より同助教授 2006年9月～10月 デルフト工科大学訪問研究員 2007年2月～3月 バージニア大学訪問准教授 2007年4月 慶應義塾大学先導研究センター教授 「SDM研究科設立準備」 西村秀和 2008年4月 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 2011年4月～2012年3月 日本機械学会 機械力学・制御部門 部門長 2012年2月～2014年1月 計測自動制御学会 総務担当理事（2013年度副会長兼務） 著書 1998年『MATLABによる制御理論の基礎』 （共著） ，『MATLABによる制御系設計』（共著） 2007年『運動と振動の制御の最前線』 （共著） 2012年『システムズモデリング言語 SysML』 (監訳 A Practical Guide to SysML) 共同研究実績 車両衝突時の乗員保護制御，次世代車両運動統合制御，Adaptive Cruise Control，EPS， エンジンベンチ制御，タワークレーンのアシスト制御，熱設計マネジメント，次世代プレス開発など ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 2 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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 境界：boundary 環境 アクター actor：行為者 （人とは限らない） Use Case１ Use Case 2 System System of interest ？ System of interest 対象システム ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 3 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. System of Systems 様々なシステムが複雑に関連する中で、対象とするシステ ムを設計することは極めて難しい。 システム2 システム3 システム System of interest システム1 システム4 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 4 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. オペレータが介在するシステムの設計 オペレータと対象システムはどのような相互作用を起こすか？ オペレータによる操作とコントローラによる制御の間に矛盾が 生じないようにシステムを構築する必要がある。 Operator-in-the-loop Design 外部システム，環境 対象システム 認知 判断 行動 プラント オペレータ コントローラ ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 5 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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、、、 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 6 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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、、、 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 7 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. システムズエンジニアリングとは何か？ 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、開発のライフサイクルの初 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 顧客の技術的要求の両者を考慮する。 INCOSE: International Council on Systems Engineering ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 8 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. “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 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 9 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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。 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 10 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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 “それは何か？”，“なぜそれが必要か？”を明確にする。 要求は“測定可能”で“テスト可能”でなければならない。 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 高 抽象度 低 Functional Physical view：システムへ要求される機能 view：機能を実現するハードウェア、ソフトウエア Architecting: the art and science of designing and building systems. ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 11 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. エンティティV:ビューの位置づけ 利害関係者の要求 ① Operational view 見込み調査， リスク調査 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 製作，コード MATLAB/Simulink 化に向けた ③ Physical view 仕様 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 Verification and Validation Planning Verification Planning 購入，製作， コード化 解決策の達成 12 製造， 試験，検証 Customer Confirmation Entity要求の定義 Mechanical CAD Electronic CAD Program code 詳細設計 運用 妥当性確認 妥当性確認の計画 検証 検査，テスト， 実証，分析 検証 検査，テスト， 実証，分析 不具合調査 SysML アーキテ クチャ Customer Confirmation 抽出 概念設計 Customer Confirmation 要求の Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 二元V字開発モデル (Dual Vee Model) 要求を満足する システムの完成 Architecture Vee 利害関係者 の要求 Entity Vee ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 13 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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． ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 14 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 二元V字モデルによるプロセスの理解 Architecture Vee 要求を満足する システムの完成 致命的な 手戻り 利害関係者 の要求 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． ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 15 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. エンティティV : 検証と妥当性確認 利害関係者の要求 詳細設計 Customer Confirmation Entity要求の定義 アーキテクチャの 選定とシステム仕様 試験，検証 製造， 運用 妥当性確認 シナリオ 妥当性確認のHuman in the Loop 計画 Simulation 検証 検査，テスト， オフノミナル 実証，分析 HILS/SILS 検証 ノミナル 検査，テスト， 実証，分析 Verification and Validation Planning 製作，コード 化に向けた 仕様 Customer Confirmation 抽出 アーキテ クチャ 概念設計 Customer Confirmation 要求の Verification Planning 購入，製作， コード化 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 16 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. IEEE 1220 systems engineering process SEプロセスへの入力 要求と制約の矛盾 要求の分析 要求のトレードオフ と影響 要求の基準 要求の 妥当性確認 確認された要求の基準 分解と要求の割り当に 関する候補 機能の分析 分解割り当ての トレードオフと影響 機能アーキテクチャ 機能の検証 検証済み機能アーキテクチャ 総合 システム解析 機能の トレード分析 と評価 設計解の要求と候補 設計解の トレードオフと影響 物理アーキテクチャ 要求の トレード分析 と評価 設計の検証 設計の トレード分析 と評価 検証済み物理アーキテクチャ 統制 SEプロセスの出力 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 6 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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 Workshop at INCOSE IW 2013 in Jacksonville, Florida http://www.omgwiki.org/MBSE/doku.php?id=mbse:incose_ mbse_iw_2013 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 複数分野にわたるエンジニアリング環境内でのシステム モデリング SoS (System of Systems) modeling, Systems Modeling and Requirements Flowdown, Model Management, as well as Usability Considerations Associated with MBSE ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 18 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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） ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 19 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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 要求 ibd req act par 振る舞い 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 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 20 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. コンカレントデザインを促進するフレームワーク システムモデル トレーサビリティ 根拠 外部からの 解析 振る舞い 構造 要求 解析モデル ダイナミクス 解析 システム 仕様書 性能 評価 ビュー ポイント 要求 パラメトリック制約 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 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 電気回路 設計モデル 21 ソフトウェア 設計モデル テスト方法 テストモデル Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. SysMLの活用で見えてくること システムのモデル表現 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 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 22 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 低速域でのバイクの不安定性 検証試験: 操舵軸まわりからのインパルストルク外乱（10 Nm）に対する応答 without control, 15 km/h in control, 15 km/h Yutaka Kamata, Hidekazu Nishimura, Hidekuni Iida，System Identification and Front-Wheel Steering Control of Motorcycle, Trans. of the JSME, Series C, Vol.69, No.688, pp.3191-3197, (2003) Yutaka Kamata, Hidekazu Nishimura, System Identification and Attitude Control of Motorcycle by Computer-Aided Dynamics Analysis, JSAE Review, Vol.24, No.4, pp.411-416, (2003) ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 23 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 二輪自動車の安定化制御 二輪自動車の安全な走行にはライダーによる適切な操作が 必要． 突発的な外乱に対して，ライダーが瞬時に正確に二輪自動 車を操縦できるとは限らない． ライダーの操縦をアシストする方法はないか？ ABS (Anti-lock Brake System) TCS (Traction Control System) … パワーステアリングのように 前輪操舵をアシストしてはどうか？ FACS (Front-steering Assist Control System) ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 24 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. コンテクストレベルのユースケース分析 前輪フレーム ユースケース図 路面 開発範囲 Front-steering Assist Control System 既存車両 下体 前輪 ライダ 前輪操舵 アシスト制御 手動停止 上体 後輪フレーム 後輪 属性： ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 25 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 前輪操舵アシスト制御のシーケンス図 1:車両を起動する 2:パワーを提供する 3:システムを開始する 4:レーンチェンジ操縦をする 5:ロールレートを検知する 4.1:路面状況の認識をする 6:外乱を受ける 5.1:車両を安定化させる 4.2:外乱を受けたことを認知する 5.1.1:ライダをアシストする 7:操縦を調整する ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 26 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 要求図 req [Package] System requirements [ 前輪操舵アシスト制御] ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 27 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 前輪操舵アシスト制御システム： FACSと外部関連システムとの相互作用 インタフェース FACS インタフェース 既存車両 ライダ 路面 インタフェース 車両起動、 路面状況の認識、 車両操縦、操縦補償 （操舵操作と体のリーン運動） ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 28 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 何をモデル化するべきか？ システム解析のための機能・物理モデルの構築 ライダー二輪自動車モデル Side view XU XD Rf Rear view ZW ZU arm e1 K , C wz ZW wz Rider's W upper torso a3 YW Rider's mW W upper torso XW U hb mU ZC H a1 ZA a3 a ZD 2 λ τf m b1 X A b2 Steering A A D c1 C torque mD XC mC τ Z r X O Pf Pr f1 ZA A YA Roll angle Lean angle of motorcycle of upper torso θx ZA Rolling YA Z θwx Kwx Y W ZW W Cwx τwx Lean A torque Z Rr Y O Y O 低次元化モデルに基づく制御システム設計 xkd (= k + 1) Akd xkd (k ) + Bkd ∆θxd (k ) ∆τ = (k ) C x (k ) + D ∆θ (k ) fc kd kd kd xd ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 Δθx: roll rate, the feedback signal, Δτfc: control steering torque, control output. 29 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. ライダー操縦モデル delay Rider Driving Model 2nd KPL e−Td s order prediction model y (t ) Target y (t ) Steering y (t + tp ) * * TP s e + TP2 2 1 + TP s + s 2 Lateral displacement Lean τ wx torque 1 ( KP + KI )e−Td s s - τ fr torque y (t + TP ) Dynamical model of rider-motorcycle system Time delay Td Prediction time Tp Unskilled rider 0.2 s 1.2 s 8 1.6 5 Skilled rider 0.1 s 1.5 s 5.2 1.04 4.5 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 Proportional Proportional gain KP gain KPL 30 Integral gain KI Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. ユースケース分析とテストケース コンテクスト レベル 前輪操舵アシスト制御 手動停止 アナリシスレベル システム 開始 停止命令を受ける 車両を安定化させる ロールレートを 検知する レーンチェンジ中 のアシスト タイヤのスリップを防ぐ ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 直進走行状態 でのアシスト 31 旋回運動中の アシスト システム 停止 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 機能アーキテクチャの例 前輪操舵アシスト制御システム 外部システム インタフェース データ記録 インタフェース FACS インタフェース 手動停止 サーボモータ作動 CPU処理 前輪操舵軸 A/D変換 インタフェース インタフェース 既存車両システム インタフェース D/A変換 インタフェース 制御器実行 ロールレート検知 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 32 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 実験用プロトタイプ Servo motor Controller (PC) Roll rate sensor Steering torque Roll rate Servo amp. Controller(PC) build by Real time workshop ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 33 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 制御システム設計評価のためのパラメトリック図 外乱 操舵トルク ロール角 操舵 トルク 横変位 リーン トルク 横変位 ロールレート 制御操舵 トルク 制御操舵 トルク ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 34 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. レーンチェンジ時の妥当性確認 ：未熟練ライダー（制御あり） ：未熟練ライダー（制御なし） ：熟練ライダー（制御なし） 横変位 4 3.6 2 0 0 Roll angle [deg] Lateral displacement [m] 非線形モデルシミュレーション 横変位3.6 mのレーンチェンジ 車速：60 km/h インパルス外乱：25 Nm, 0.7 s～0.88 s アシスト制御開始：0.7 s以降 未熟練ライダーの補償動作は1.0 s以降 転倒 2 4 6 Time [s] 8 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 10 35 30 20 10 0 -10 -20 -30 0 1 2 ロール角 4 6 Time [s] 8 10 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 最後に 複数のドメインで構成されるシステムや、オペレータの介在す る複雑なシステム（System of Systems (SoS)の一つ）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の活用例として、二輪自動車の前輪操舵アシスト制御シ ステム設計を紹介した。MBSEで思考する過程でやるべきことが 見えてくることを示した。 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 36 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura. 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 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1631953&userType=inst 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 -, 2nd Edition Dennis M. Buede, John Wiley & Sons, Inc. 西村秀和，二輪自動車のコーナリング特性と走行安定化制御 ，自動車技術会， Vol.64, No.12, (2010), pp.43-48 Shaopeng Zhu, Hidekazu Nishimura, Laurent Balmelli, Model-Based Design of FrontSteering Assist Control System for Motorcycles , 4th Asia-Pacific Conference on Systems Engineering (APCOSE 2010), Keelung, Taiwan October 4-6, 2010 ISIT第14回カーエレクトロニクス研究会 37 Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
© Copyright 2024 Paperzz
