製品設計開発における溶接・接合情報の
ライフサイクル･マネジメント

東京大学
大学院 工学研究科
青山 和浩

製品設計開発における溶接・接合情報のライフサイクル・マネジメント
東京大学大学院

青山 和浩

Lifecycle Management of Joint Information in Product Design and Developmentby Kazuhiro Aoyama
キーワード：接合情報，接合設計，ライフサイクル，PLM，製品モデル
Keyword: joint information, joint design, lifecycle, PLM, product model

１．はじめに
１．１ Engineering Chain Management と Product Lifecycle Management
BRICs と呼ばれる新興国の急成長は，世界的な経済地図を激変させ，日本の製造業に対して国際的な企業競争の激化をはじめとした多大な影響を与えている．このような状況において，製造業における業務プロセスの二つの繋がり（チェイン）の全体最適化の重要性が認識され，ビジネスプロセスの戦略的な経営管理手法の必要性が叫ばれている．二つの繋がりの一つはサプライ・チ
ェインであり，もう一つはエンジニアリング・チェインである（Fig.1）．
前者のサプライ・チェインは，供給者から消費者までを結ぶ，開発・調達・製造・配送・販売の一連の業務の「繋がり」を意味し，顧客管理から供給までの流れを一元管理し，購入物の適時適量仕入れを可能とするサプライ・チェイン・マネジメント（SCM）システムの積極的な導入が検討されている．一方，後者のエンジニアリング・チェインは，製品開発における，企画から設計・生産・保守・サービスに至るまでの一連の業務の繋がりを意味する．Fig.1 中に示すように，エンジニアリング・
チ ェ イ ン に お い て は CAD （ Computer Aided Design ） や CAE （ Computer Aided
Engineering）の活用によるシステム化だけではなく， PDM (Product Data Management：製
品データ管理)などの導入による設計情報の共有，管理を基盤としたシステムの統合化による設計の効率化，設計技術者の協業を目標としている．さらに，PDM を機能拡張するものと期待される
PLM（

Product

Lifecycle

Management） の実 現 化 が盛 んに議論され，調達・供給と密に連携を取りながら全体的に最適化するエンジニアリ
ング・チェイン・マネジメント（ECM）シス
テムの構築・整備が待望されている．
PLM は，一般的には，工業製品開発の企画段階から設計，生産，さらに出荷後のユーザ・サポートなど，エンジ
ニアリング・チェインを構成する全てのFig.1 サプライ・チェインとエンジニアリング・チェイン

業務において製品情報を包括的にマネジメントする概念を意味 する．製 品 開 発 過 程 においては，統 合 された製 品 情 報 管
理 を実 現 化 することによって，
例えば部品の CAD データをデ
ザイン，設計段階から下請け企
業 への部 品 の注 文 ，組 立 ，完成に至るまで共通して使用する
ことにより，大幅な時間短縮，コ
スト圧縮が期待される．また，製品情報の他にも生産設備管理，人員管理，流通管理，ユーザ・サポート管理などが統合的に管Fig.2 溶接構造品質を支配する因子の関連図 1)

理されている必要があるとの指摘もあり，製品のライフサイクルのマネジメント対象は拡大し，エンジニアリング・チェインの最適化を実現する PLM の実現が待望されている．
１．２ 溶接・接合情報のライフサイクル・マネジメント
溶接構造物における溶接・接合部の重要性は万人が認知するものであり，議論の余地は存在しないといっても過言ではない．前節では，エンジニアリング・チェインにおける製品のライフサイク
ル・マネジメントに対する期待と現状を述べたが，製品における溶接のライフサイクル・マネジメント
はどのような状況であろうか．多くの部品（部材）の機能が集約された製品（製品システム）と，製品要素である部品（部材）を連結する溶接・接合の取扱いにおいては，CAD データを中核とする製品情報のマネジメントに比して，いささかバランスが悪く，十分な議論がされていないと思われる．
Fig.2 は，溶接に着目し，溶接構造物の品質を支配する因子を体系的に示す図である 1)．図中の因子は，材料，設計，施工，検査・管理の視点で整理され，溶接構造物の設計に対して，構造設計と溶接設計が同じレベルで並べられている．この図からは，溶接・接合部は製品要素を連結する機能を果たす製品要素であり，構造を構成する部材と同様に構造の一部であるとの認識が重要であることが理解できる．この認識を基に議論を進めると，溶接部の品質はもとより，製品としての溶接構造物の品質を適切にマネジメントすることは重要課題であると考える．
そこで本稿では，溶接構造物における「溶接・接合部」に着目し，「溶接・接合部」のライフサイク
ル・モデルの実現の可能性を示し，そのライフサイクル・マネジメントを議論することを目的とする．
具体的には，筆者らが 1990 年初頭から約 10 年に亘り研究した「造船のための設計・生産システ
ム」2)のプロトタイプ・システム（SODAS：System of Design and Assembling for Shipbuilding）
における溶接・接合情報の生成・管理・利用を整理し，溶接構造物の設計・生産支援システムにおける溶接・接合情報のライフサイクル・マネジメントを議論したい 3)．

２．船舶を対象とした設計・生産支援システムの概要
溶接構造物である船舶の次世代の設計・生産支援システムを構築することを目的とした筆者らの研究では，計算機内部における情報モデリングを明確に定義することが最重要課題であった．
その成果として，計算機内部における製品の情報モデル，およびその情報モデルを効果的に生成し，有効に利用するための様々な情報処理モデルを提案した．本章では，筆者らの研究活動を通して得られた種々の情報モデリングとプロトタイプ・システム（SODAS）の概要を示すことにより，本稿の目的である，溶接・接合情報のライフサイクル・マネジメントの議論を始めることにする．
２．１ 製品要素の情報モデルの単位要素（部材情報，接合情報）の提案
筆者らが構築した SODAS では，設計の初期段階から，船殻構造の板部材と板部材との間に存在する接合情報が定義されている．さらに，後述するように，部材を設計すれば，接合情報を論
理的に生成できる機能をシステムに実装し，接合情報を容易に生成・管理できるように十分な工夫がされている．これは，設計者とシステムとの協調的な情報処理活動を活性化するためには必要不可欠なポイントであると認識している．また，設計上流で生成された接合情報は設計下流において溶接線情報に変換される流れを重視することにより，溶接・接合のライフサイクルをマネジメントする基盤を提案し，システムとして実現化している．筆者らは，このように製品情報が設計の進捗に応じて適切に変化することを「情報の成長モデル」と位置づけており，この「情報の成長モデ
ル」は，設計・生産システムにおける一元的な製品情報の管理，さらには製品のライフサイクル・マ
ネジメントの実現には必要不可欠であると考えている．
２．２ 設計プロセスを考慮した情報モデルと情報処理機能の提案
２．２．１ 製品機能の創成のモデル化：空間設計機能
筆者らが提案する船舶の製品モデルでは，A）空間（区画，船倉，タンクのモデル） B）空間を覆う平面（隔壁などのモデル），及び C）平面と平面とのトリミング関係（部材の取合い部のモデル）によって定義される三種類の情報モデルが，製品モデルの基本的な情報モデルとなる．これらの情報を効率的に生成・定義するために，ア）空間設計機能 イ）内部構造設計機能 が製品モデルを生成する機能として定義されている．
空間設計機能を利用すると，設計者の意図に従って既に定義されている空間（区画など）が新たな詳細な空間（区画など）に分割され，この分割とともに空間の間に仕切り，即ち隔壁となる板部材が生成される．更に空間を分割した板部材の四周には上記 C）を基に接合情報が自動的に生成される．これらの情報処理は，設計者の船舶設計を上記 A）～C）の情報モデルの生成問題としてモデル化するものである．これらの情報モデルの一連の生成処理によって，船舶の General
Arrangement（一般配置図）が定義されれば，生成された部材情報と接合情報を用いて船舶の重量，重心，接合長を算出することが可能である．さらに，貨物のモデル化ができれば，船舶のスタビリティなどに関する貨物の積み付け状態の情報を抽出することが可能である．
２．２．２ 構造物の分解のモデル化：Cut 機能
SODAS では，前節で述べた空間設計機能の他に，製品情報の分割（Cut）によって製品情報

を詳細化する機能として Cut 機能を実装している．この機能は，空間設計機能で生成された部材情報や接合情報を生産（建造）のステージで活用するために必要不可欠な機能として位置づけて
おり，SODAS の特徴的な機能と認識している．
Cut 機能は，主に設計された製品をブロック（中間製品）に分割する機能として利用され，造船設計におけるブロック分割を実現する機能である．Cut 機能を用いると，船体はブロックに分割されると同時に，分割された箇所の部材端部には自動的に新たな接合情報が生成される．Cut 機
能を用いて設計された中間製品からはそのブロックの重量，重心などの情報の他に，接合線長，溶接姿勢を考慮した接合線長などを抽出することができる．また，分割されたブロック同士の接合情報を用いると，ドック内のブロック搭載工程やその日程情報も抽出可能としている．
２．２．３ 構造物の組立のモデル化：Assembling 機能
SODAS には，空間設計機能と Cut 機能によって生成された船殻構造を構成する部材情報と接合情報を活用し，計算機内部で船舶の建造をシミュレーションする機能として Assembling 機能が定義されている．この機能では，一部材ずつを定盤上に配置させながら，溶接法などを適切に指定し仮想組立を実施する．この機能を実行する際には，既に生成されている接合情報が有効に利用され，工程の計画者が組立順序を指定するだけで，組立で必要とされる様々な情報を矛
盾無く，効果的に抽出することを可能としている．この機能は，設計用の機能というよりは，建造計
画用の機能と位置づけることができ，各中間製品に対する工程設計を支援することによって，製作順序や使用する設備などを定義する計画プロセスをシステム化している．
２．３ 部材情報の評価および詳細化と生産情報の生成
２．１節で述べた SODAS における設計・生産のための情報処理機能は，Fig.3 に示すように製CAE

Input of Design
Information(Computer Aided Engineering)

Design Function

Structural
Analysis

Management of Design

Detail Parts Design
Structural Design

Scheduling

idi
Div
ck
Blo

g
tin
Cut
NC

ttin ratin
Cu Geneoncti
un Parts
F
g g

As
s

io
F
n
of uncSt r
uc tion
tur
e

tur
ing

Co embns
tru ling
ct

Rea
l M
anu
fac

Job Estimation

Ma Virtnu
fac ual
tur
ing

ng

Input of Cutting
Information

Input of Assembling
Information

Process Planning

Fig.3 Product Definition Spiral

Production
Planning

品情報の成長に対して効果的に機能する．筆者らは，Fig.3 を Product Definition Spiral と呼び，設計機能，Cut 機能，及び Assembling 機能を実行すると，船舶の基本計画から一品図設計までが段階的に実施されることによって船殻構造の部材情報と接合情報が成長する過程を整理した．つまり，船舶の初期設計段階においては，船舶の機能的な要素として設計された板部材が，Cut 機能により詳細化（部品化）され，Assembling 機能の処理を経ることにより，溶接開先の情報も付加された部材の加工形状として生成される流れをシステムの情報処理として表現した．さらに，生産のための組立情報や一品図情報が生成された段階において，ロボットの動作情報を生成することも検討し， SODAS から定義されるワーク（部品）の情報に対して，ロボットの機能が定義されていれば，ロボットの teaching 情報が抽出される仕組みも検討した．
以上が，SODAS における製品情報の生成，詳細化，活用の概略的な流れである．この流れにおいて，特に，接合情報の利用による設計・生産のシステム支援として以下の処理などが挙げられる．本稿では，以降の章においてこれらの概要を示すことで，船舶の設計・生産支援システムにおける溶接・接合情報のライフサイクル・マネジメントの有効性を議論する．
A) 構造解析における有限要素分割の条件：接合情報は，FEM 構造解析における有限要素の適合条件として有効に利用され，設計システムである SODAS と構造解析システムとの密な連携を可能とする．
B) 溶接変形の推定：溶接線情報は，施工時の溶接変形の推定をする際の荷重情報の情報として利用される．
C) 溶接のライフサイクル管理：溶接部の腐食や衰耗の推定・保守管理へ利用される．

３．接合情報の情報モデルの構造と設計機能による情報生成のモデル化
設計・生産システムを構築するためには，製品に関する情報を計算機が十分に解釈できることが重要であり，「必要かつ十分な製品情報の全てを記述する」ことが重要課題となる．特に，溶接構造物の設計・生産活動では，製品の接合情報は製品の性能を保証する面や，製品の製造に強く関連する面などから極めて重要であり，部品や中間製品のみではなく，それらの間の接合部を認識することが重要である．したがって，溶接構造物の設計・生産活動を支援する情報システムでは，接合部を情報モデルとして計算機内部に陽に定義し，さらに接合情報を効率的に生成するための情報処理手法について考察する必要がある．
本章では，溶接構造物の接合部を情報モデルとして定義することを目的に，接合情報のデータ構造の一例を示す．続いて，接合情報を生成するための仕組みを設計機能に組み込むことによって，効率的に接合情報を生成するための情報処理手法の概要を示す．
３．１ 接合情報の情報モデル
一般的な CAD システムでは，直接的に目に見え，認識し易い形状情報を重要視する傾向にあり，部品の材質，表面粗さ，接合関係などの情報の取扱いに関しては，あまり積極的ではない傾向にある．しかし，設計・生産過程における計算機の支援を実現するためには，設計・生産の過程

では考慮されているが，製品の表面には直接的に現れない情報を計算機内部に記述する必要がある

Parts-A

Parts-Aとの指摘も多い．一般的に，製品に関する幅広い
Parts-B

多種多様な情報を記述するモデルは製品モデル 4)と呼ばれるが，溶接構造物の製品モデルにおいてJoint (A&B)

Parts-B

は，特に，接合部を計算機内部に表現することはParts-A

Parts-B

極めて重要である．筆者らは，接合部の情報モデ

Parts

Parts

shape
relation
attribute
etc.

shape
relation
attributeetc.

ルについて検討し，製品の接合部を表現するための接合情報を定義した 5)．
（１）部材間の接合情報
SODAS では，部材を表現する製品情報として，
Surface model で形状情報が定義され，板厚は内部属性として記述される．さらに，部材間の接合部

Joint
path
targets
etc.
Joint (A&B)

Fig.4 接合情報の情報モデル

を製品情報として陽に認識するために，部材情報とは別途に接合情報が定義されている．この接合情報は，部材間の接続関係の情報というよりも，部材情報と同等の「もの」としての情報として扱う上で重要な位置付けとなる．例えば，接合情報には，部材情報と同様に接合箇所の情報として線分情報が既述され，後述するように，接合に関連する様々な情報を抽出する際に有効に活用される． Fig.4 に示すように，接合情報は，接合関係にある部材情報へのポインタを有しており，また，部材の接合部を容易に抽出できるように，部材情報にも接合情報へのポインタが記述される．
（２）中間製品間の接合情報
中間製品間の接合部を一つの情報として取り扱うために，中間製品間の接合情報を定義する．
中間製品間の接合情報は，部材間の接合情報の集合によって表現されている．また，部材間の接合情報と同様に，接合関係にある中間製品の情報へのポインタを有する．
３．２ 設計機能による接合情報の生成
船殻構造の設計における情報生成に着目すると，接合部が生成されるケースは，以下の二種類に整理することができる．
• 新たな構造要素の追加に伴う接合部の生成：新たな部材を設計する場合には，その部材と隣接する部材との間に接合部が必要である．
• 構造要素の分割に伴う接合部の生成：例えば部材を分割する場合には，分割された部材間に接合部が必要である．分割された部材と隣接部材との接合部の整合性も保証する必要がある．
以上の接合部の生成に関する特徴を計算機上に取り込むことが可能となれば，システムの利用者は接合情報の生成を特に意識せずに設計することができる．そこで，上述の設計行為を情報処理機能としてモデル化し，部材情報や接合情報の生成を支援する．この情報処理機能を設計機能と呼ぶ．筆者らは，SODAS において，以下の設計機能を定義している 6)．

CutPart-A

Part-B

Joint-D(A1&A2)
New Joints

Part-A1

New Parts

Joint-C1(A1&B)
Fig.5 接合情報と部材情報の生成手法

Fig.6

Part-A2
Joint-C2(A2&B)

Part-B

Cut 機能による情報の分割・生成• 空間設計機能：仕切り板を定義する設計基準面を指定することで，仕切り板，仕切り板と他の板部材との接合情報，および仕切り板によって分割される船倉を生成する機能である．
• 内部構造設計機能：内部構造を構成する部材を取り纏めて設計する機能である．パラメトリッ
ク設計手法が導入されており，内部構造と部材間の接合情報が矛盾無く生成される．
• Cut 機能：既に生成されている部材情報や接合情報を分割する機能である．中間製品の情報や中間製品間の接合情報も Cut 機能によって生成される．
空間設計機能と内部構造設計機能では，既に生成されている部材情報と指定された設計基準
面との交線を求めることにより，新たな部材情報や接合情報が生成される(Fig.5)．また，Cut 機能
は，既に生成されている部材情報や接合情報を分割面で物理的に分割すると同時に，分割された部材間に接合情報を生成する(Fig.6)．

４．接合情報を利用した製品評価
前章では，設計・生産システムにおける製品情報の生成問題を中心に，溶接・接合情報の情報モデルとその生成に関係する情報処理機能に関して触れた．ここでは，適切な情報モデルと情報処理機能を定義することによって，下記に纏めるように，溶接・接合情報を重要な情報として考慮する効用が確認された．
・ 設計機能を用いると接合情報や部材情報を容易に生成できる．
・ 接合情報は様々なステージにおいて有効に利用することが可能である．
・ 接合情報を介して，部材の形状変更を関係する他の部材に伝えることができる．
ところで設計には，提案された設計案を適切に評価し，設計の目的に合致する設計解を求める
流れも存在する．設計者が設計案を適切に評価するためには，その評価に応じた解析の実行が要求され，CAE と総称される様々な解析システムとの連携が必要不可欠である．しかしながら，
CAE を実行するためには適切に解析モデルを準備する必要があり，製品情報を有効に活用した

設計システムと CAE システムの密な連携が待望されている．
本章では，設計システムと CAE システムの密な連携による製品評価を効果的に実施する手法
として，接合情報を効果的に用いた事例を紹介し，接合情報のマネジメントの重要性を議論する．
具体的には，SODAS における有限要素法解析の実行事例や溶接品質のライフサイクル評価の事例などを紹介し，接合情報の役割を示す．
４．１ 有限要素報解析による溶接構造物の評価
計算機およびその周辺技術の発展により，コンピュータ援用設計が重視されている．特に，解析技術を駆使した設計の有効性は Design by computer simulation として広く認識されている．しかし，Design by computer simulation を行うためには，従来の形状情報を主に取り扱う CAD と，解析を行う CAE との間に存在する溝（ギャップ）は依然として広く深く，設計した形状を解析するための準備や解析実施後の後処理に多大な労力が必要とされているのが現状である．
SODAS における船舶の製品モデルは，接合情報を管理する点に特徴がある．ここでは，製品モデルの持つ形状情報・属性情報・接合情報を利用して有限要素法（FEM）解析を実施する例を特に述べる 7)．
FEM 解析を実行する最大の問題点の一つは，解析そのものではなく有限要素分割
およびその実行準備のプリ・プロセッシングである．SODAS では，解析対象の有限要
素分割，すなわち FEM メッシュを生成する
際に，接合情報を幾何学的境界条件として活用する 1)．自動要素分割が実施可能となるように，例えば部材間にまたがるような不適切な形状のメッシュを生成しないために接合情報が有効に利用される(Fig.7)．さらに，FEM を用いた形状最適化を実施する
場合にも，接合情報は，部材どうしの幾何学的な適合条件を保証するために利用される．
以上から，構造設計の強度検討を実施

Fig.7 接合情報を利用した要素分割と構造解析する際に，接合情報は CAD と CAE を繋ぐものとして有効に利用できることが理解できる．
４．２ 品質評価への利用
筆者らの提案する接合情報は，設計から生産へとフェーズが進むにつれて，接合情報→溶接
情報→作業情報と変化する．ここでは，接合情報に対して，新たに溶接条件の情報が加わり溶接情報へと情報が成長した場合に，溶接情報を用いた品質を確保するための検討手法を紹介する．
具体的には，溶接構造物の溶接変形の推定や，船舶の運用時における溶接部の腐食や衰耗を推定するための溶接情報の利用方法を示す．

（１）溶接変形の推定
溶接部を，部材どうしをつなぎ，入熱量に応じた等価換算力を受けて変形する線形バネとみなした力学的なモデル化を提案し，FEM 線形解析によって簡便に溶接変形を推定するシステム 8)を筆者らは構築している（Fig.8）．この推定においては，接合情報が管理する接合箇所の情報，
溶接姿勢および溶接方法などの情報が FEM 構造解析における荷重点，荷重情報を算出する際に有効に利用される．
（２）溶接部の腐食・衰耗の推定
船舶は，長年の運用の末に，上甲板裏のロンジ材などに時には著しい腐食・衰耗を発生する場
合がある．溶接情報を用いて隅肉溶接の衰耗をモデル化することにより，構造強度全体への溶接部の衰耗が与える影響を推定する手法 9)を提案した（Fig.9）．これにより，船舶の就航後におよぶ
ライフサイクルの問題にも接合情報が有効に利用されることを示した．

５．接合情報を利用した生産計画・生産管理
溶接構造物の設計システムにおいて作成さFinite Elements

れた接合情報は，生産システムにおいては溶
Insert Springs

接情報に変換され様々に利用される．本章でConnect Nodes that are generated onz Connect Path

は，接合情報から溶接情報への変換，さらに溶接情報を用いた生産支援の事例として，筆Spring Constants(6 degrees)yBuckling Load (kgf/mm2)x20
A B C D E F G H I J K

18
BJ

16
14
12
10
8

simply supported

6
A CIK

4
2

DH

0

1

2

EG

3

F

4

6

5

STEP
Shearing Stress of Fracture Point (Fracture Stress = 56.1kgf/mm2)
A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

STEP 1 46.69 56.85 55.89 55.16 55.10 55.12 55.10 55.16 55.89 56.85 46.69
STEP 2 68.37- 76.43 55.70 54.01 54.69 54.01 55.70 76.43 68.37
STEP 3- 93.20 52.63 50.05 52.63 93.20 STEP 4- 90.17 49.81 90.17
STEP 5- 124.82 -Fig.8 溶接変形の予測計算

Fig.9 溶接部の剛性モデルと溶接部の腐食による構造強度低下の推定

者らの設計・生産支援システムにおける管理物量の算出，一品図の作成，ロボット作業情報の作成について紹介する．
５．１ 接合情報から溶接情報への変換
SODAS では，設計機能と Cut 機能を用いて設計が行われ，狭義の接合情報すなわち接合する位置の情報と接合されている部材の情報が獲得される．さらに Assembling 機能を用いた仮想生産により，狭義の接合情報は，
溶接姿勢・溶接法・溶接開先などの溶接に関する情報が付加された溶接情報（広義の接合情報）に拡張される 10)．

Fig.10 管理物量の集計

５．２ 切断・溶接に関する管理物量の見積り
切断や溶接のための管理物量を収集することは，生産計画のためには不可欠である．従来の造船業においては設計図面から手作業により管理物量が集計されている場合がほとんどであった．
しかし，大型タンカーの総溶接長の合計は 200,000ｍにも及ぶことがあり，手作業による集計では時間とコストがかさみ，また見落としによる人為的な集計ミスも少なくない．そこで，精緻な管理物量を迅速に得るために，SODAS では溶接情報を用いて管理物量を自動的に集計できるようになっている 11)(Fig.10)．しかも，単に全溶接長を集計するだけでなく，溶接情報を作業ステージごと，溶接法ごとなどで集計することにより溶接管理物量を適切に算出することが可能である．また，溶接開先ごとに集計することにより切断管理物量を算出することも可能である．
５．３ 一品図の生成
溶接構造物は大抵の場合，設計当初には面部材として考えられているが，部材としての一品形
状を最終的に決定するためには，開先形状・構造と板厚を考慮したモールド面からの板逃げ・スカ

Fig.11 部材の詳細形状の算出

Fig.12 NC 切断情報の生成

Fig.13 溶接ロボットの動作情報

ラップや１C カットなどの端部の加工処理・溶接による収縮を考慮した伸ばし（収縮代）など考慮する必要がある．SODAS では，Assembling によりこれらの生産情報を加味した部材の一品形状を自動的に生成することができる 12)（Fig.11）．
５．４ ロボット使用のための off-line teaching
溶接情報は自動設備の作業の情報に変換して利用が可能である．例えば，NC による鋼板切断の作業情報や溶接ロボットの作業情報を，部材の形状情報および溶接情報から生成することが可能である．即ち，生産資源である NC 切断機や溶接ロボットの機能が定義されていれば，
SODAS の製品モデルから定義されるワークの情報から NC 切断(Fig.12)や溶接ロボットのteaching 情報(Fig.13)を容易に作成できる．

６．溶接情報から生成される作業情報の利用
船舶などの大規模な溶接構造物を建造する際の安全性確保は重要な問題であるが，計算機シ
ステムを用いて作業の安全性を事前に検討しようという試みは多くは無い．本章では，接合情報から獲得される溶接作業情報を有効に活用して，作業の安全性に関するリスクアセスメントを行い，適切な対策を講じることを支援するシステムの基本構想と筆者らの構築したプロトタイプ・システムについて報告する 13)．
６．１ 接合情報から溶接作業情報へ
計画段階で設計者が事前に安全性を検討するためには，計算機上で詳細に製造過程をシミュ
レーションできる必要がある．本報では，接合情報と Assembling 機能で仮想生産をシミュレーシ
ョンすることにより，溶接施工に関する開先・溶接法・溶接姿勢等の情報が新たに

Hazard of high place isextracted on Working Area

獲得され，溶接作業の具体的な詳細情報が決定されると考える 2) ．その溶接作

２ｍ
２ｍ

業情報から，高所作業や不安定部材などの作業時における危険源を特定することが可能になる(Fig.14)．

２ｍ
２ｍ

Fig.14 溶接作業の作業環境情報の獲得

６．２ 安全情報の構造化
６．２．１ 災害発生のプロセス
本報では，事故発生の原因やプロセス
を「原因・対策」「ハザード」というノードか(A) 労働災害の発生ユニット

ら構成される有向グラフによって表現する．
ハザードとは災害の直接原因を表しており，生産資源・作業環境・製品特性の三つのいずれかに分類できる．ハザードの分類には階層関係が存在し，統一された分類方法も検討する必要性がある．また，ハザードを打ち消す要素を対策，生み出す要素を原因とすると，ある対策は別の(B) 災害発生ユニットの連結

ハザードの要因となりうるため，両者は要Fig.15 労働災害の発生プロセスの情報化素として同じノードで表現する．その結果，原因やプロセスは Fig.15(A)のように表現することが可能であり，「要素→ハザード→要素」の一まとまりをユニットとして定義する．
６．２．２ 安全ナレッジ・サーバの構築
現在では様々な事故事例のデータベースが構築されており 14)，インターネット等の普及もあって，多くの人が事故事例データベースを簡単に参照できるようになっている．しかし，その情報の格納
形式はテキストが中心であり，また検索主体の利用方法であるため，「業界間の共有化が難しい」「検索によって得られる結果が検索者の意図に沿ったものではないことが少なくない」などといった問題点がある．そこで，事故発生の原因やプロセスをユニットによって表現し，ネットワークという形で構造化し蓄積する(Fig.15(B))ことにより，上記の問題点を解決できるようなナレッジ・サーバの構築を試みた．
６．３ シミュレーション・ベースのリスクアセスメント
構築されたネットワークと作業シミュレーションを統 合 化す
ることにより，作業に伴うリスクのアセスメントを行うことができる．

Risk Assessment
Risk Analysis
Specificationof Hazard

Risk
Estimation

Judgment

Warning of
remains risk
Work Direction

NO

その全体像を Fig.16 に示す．

Action Proposal

設計者は対話的に生産過程をシミュレーションする中で，作業

Safety control
orderにおけるハザードを抽出し，構Industrial
Accident cases

造化された知識ベースを辿ってリスクを見積もり，対策を検討す

Risk
Evaluation

Safety YES

Virtual Assembling(Computer Simulation)

Considering the Safety
at the Design Stage

Knowledge Base(Engineering Database)る．対 策は一 般には多 数 存 在
Fig.16 シミュレーション・ベースのリスクアセスメント

するため，設計者は対策のコスト，並びに対策によって新たに生じるハザードなどを考慮し，総合的に判断する．そのため，以下の対策の決定支援を行う．
• 対策の全組み合わせにおけるリスク及びコスト• 最も費用対効果が高い対策の提案
以上の対策検討を繰り返し，最終的に得られた安全情報を作業指示書として出力する．

７．接合情報の段階的詳細化を考慮した製品設計支援システム
本稿の６章までは，溶接構造物である船舶を題材に，筆者らの研究における溶接・接合情報の情報モデルの概要と，溶接・接合情報の生成と利用を具体的に示すことによって，設計・生産における溶接・接合情報のライフサイクル・マネジメントに関して議論した．これらの議論において，製品情報として溶接・接合情報が果たす役割は重要であり，部品と同様に製品を構成する要素として扱うことの有効性が示唆されたと考えている．
ところで，製品は様々な部分を組織化した全体であり，「システム」であると認識することが可能であると言われる．したがって，製品を設計するということは，個々の要素を設計すると同時に，それらを組合せて如何に全体を組織するか，つまり要素間のインタフェイス情報も同時に設計することが重要であると認識できる．そこで本章では，この認識に基づき，６章までの議論を拡張し，溶接・接合情報をインタフェイス情報として一般化し，そのライフサイクル・マネジメントに関して考察することを試みる．具体的には，製品開発・設計におけるインタフェイス情報のマネジメントの実現の試みである「トップダウン指向設計支援システム」 15) を紹介することによって，溶接・接合情報の
ライフサイクル・マネジメントの可能性を議論する．
７．１ 段階的詳細化における設計対象の表現要求仕様を満たし，かつ製造可能な設計対象を実現する設計解を導き出す過程では，設計案
は設計の進捗に応じて広い解空間から徐々に狭い解空間に絞られ，最終的には一つの設計解に絞り込まれるといった特徴が存在する．この設計案を絞り込む過程では，設計対象についての様々な情報が生成され，それが次の段階の設計における一種の制約となる．このような設計の特徴はトップダウン性と一般的に呼ばれ，設計とは「当初は全体的な情報を決定し，その情報を次第に詳細化・具体化していくトップダウン的な過程を経る活動である」と認識できる．
このようなトップダウン性を備えもつ設計活動では，設計の進捗に応じて視点が移動し，抽象的な設計要求から具体的な設計対象の情報への情報変換が段階的に行われる．したがって，全体的・概略的な段階からより部分的・詳細な段階へと視点が遷移する設計では，各視点での粒度と範囲に応じた適切な設計対象情報を明確にする必要があり，設計対象モデルは設計者の設計対象への共通かつ多種多様な「認識」を表現するモデルであることが望まれる．
共通の設計対象を異なった詳細度の段階で用いるためには，異なった詳細度に対してモデル
構造の枠組み自体が対応可能である必要がある．例えば，ある粒度では一つの塊として考えられていたものが，別の粒度では，複数の要素の集合体として考えられるような枠組みが要求される．

設計学」における「実体」と「属性」の定義 16)を参考に，実体・属性・インタフェ
イス・制約関係の四種類の情報を用いて，設計の段階的詳細化に対応できる
設計対象のモデルを提案する．この設計対象のモデルでは，実体はものを認識する単位であり，属性から構成されている．属性は，何らかの手段で認識（測定）できる性質を示し，属性値を持概念
設計

モデルN-1

詳細
設計

モデルN-1製品モデルの成長モデル構造の変化

そこで，吉川・冨山らが提唱する「一般

モデルN

モデルN

モデルN+1

機能

モデルN+1モデル状態の変化

実体

Fig.17 設計プロセスにおける製品情報の成長 17)

つものと定義する．インタフェイスは，実体間の物理的接続などの位相情報を表現し，制約関係は，
属性どうしの従属や参照などの関係を示す情報として定義する．
また，この設計対象のモデルにおいては，Fig.17 に示すように「モデル構造の変化」と「モデル状態の変化」の組合せによる「製品モデルの成長」として設計を整理することができる 17)．この「モデル構造の変化」は，設計対象の認識の「粒度」の変化が相当し，設計者の視点に応じた設計対象の認識として設計対象や構成要素の範囲を宣言する外延的定義であると見なすことができる．
また，「モデル状態の変化」は設計対象の定義を確実にするためにその規準や条件を列挙し，設
計対象の性質を宣言する内包的定義であると考えることができる．
７．２ インタフェイス情報の表現と設計
製品を複数の構成要素の集合体として定義し設計を進めていく場合，構成要素間の接続関係に関する情報のマネジメントは重要となる．先述のように，提案する設計対象のモデルでは，構成要素間の機能的接続および物理的接続などを表現する情報の総称としてインタフェイス情報を定義する．このモデルでは，インタフェイスは構成要素と同様に設計される必要がある．すなわち，インタフェイス情報は陽に表現すべきであり，設計対象情報を段階的詳細化する過程において，構成要素間のインタフェイス情報を定義される必要がある．これにより様々な設計段階において，設計者が必要に応じてインタフェイス情報を参照できるようにインタフェイス情報が表現され，管理されることが可能になる．また，段階的詳細化を進める設計では，インタフェイス自体も段階的に詳細化される対象であり，設計の粒度に応じた情報表現が要求される 18)．
７．３ 段階的詳細化とインタフェイスの実体化
例えば，船舶におけるインタフェイスとして以下に示すようなものが考えられる．
－区画の配置設計：区画と区画とのインタフェイスは隔壁である．
－部材の形状設計：板部材と板部材とのインタフェイスは溶接である．
－機器の配置設計：機器と機器とのインタフェイスは管である．
区画配置の検討で実体（区画）間に生成されたインタフェイスは，この段階では単なるEntity[区画]と Entity[区画] の間に存在する隣接面という意味を示している（ここで，Entity は
実体の情報モデルを指す）．この隣接面を示すインタフェイスは，設計がある程度進行した後には，

隔壁という構造物すなわち実体を示す Entity[隔壁]船体に変換される．さらに，この Entity[隔壁] は，設計が

外部
区画の設計

さらに詳細化されるに従い複数の部材の集合体である{ Entity[部材 1], Entity[部材 2], …, Entity[部材 n],}によって定義されるようになる．これは，主要機

船体
区画１

外部
区画２
部材の設計

器をつなぐ配管や電線などでも隔壁と同様で，初期が詳細化されるに伴って，物理的な存在である
Entity[配管]，Entity[電線]に変換される．
以上より，重要なインタフェイスは，後続する詳細な設計段階で実体に変換されて設計される必要があり，

外部

船体

段階ではインタフェイスとして扱われるが，設計対象
区画１

区画２
外板
隔壁

接合情報

Fig.18 インタフェイスの実体化

段階的詳細化におけるインタフェイスから実体への情報表現の変化を検討することは重要である．
インタフェイスに関する情報の詳細化を「インタフェイスの実体化」と名付け(Fig.18)，段階的詳細
化における情報処理の一手法として定義する．この「インタフェイスの実体化」の設計における意
味は次のように解釈することができる．
• 設計者の視点は実体中心であるが，ある実体に着目している段階ではインタフェイスとして扱われる設計対象が背後には存在する．
• 設計の視点が移動（詳細化）し，そのインタフェイス自体を詳細に検討する段階に移行した際に，初めてインタフェイスは実体として認識される．
• 実体化されたインタフェイスには，他の実体との間に新たに詳細なインタフェイスが適切に設計される必要がある．
７．４ トップダウン指向設計支援システムの特徴
製品情報を「実体層のネットワーク：実体とインタフェイス，およびそれらの階層関係により構成されるネットワーク」と「属性層のネットワーク：属性，制約により構成されるネットワーク」の二つのネットワークで表現し(Fig.19)，それらのネットワークの操作によって設計における段階的な詳細化プロセスを計算機に記述することによって設計支援を実現するトップダウン指向設計支援システムを提案する．ここで，設計における「属性」の記述を単純化するために，以下の原則に従って設計を進める．

「属性」または「属性値」は，「実体」の部分について記述してはならない．「実体」の全体について記述する．
この原則により，複雑な属性の発生を回避し，属性を単純な表現で記述することが可能になる．
ここで，この原則を矛盾なく展開するために，実体は，その構成要素である実体に分割できるとする．すなわち，実体は，その構成要素である実体，つまり，その実体の一部分を表現する実体に展開して，その部分の実体の属性を記述する．この実体の分割によって，実体と属性の原則を守りな
がら，部分に情報を追加していくことが可能になる．実体を分割し展開し，属性を記述する手順の繰り返しにより，トップダウン指向設計では段階的詳細化を実現する．具体的には，以下に示す
実体と属性およびインタフェイスと制約ネットワー
クの操作によって設計が進められる．
• 実体およびインタフェイスの情報を決定し，実体とインタフェイスから構成される実体層のネットワーク（＝モデル構造）を決定する．

Fig.19 トップダウン指向設計支援システム
における製品情報の情報モデル• 属性および制約の情報を決定し，これら属
性・制約から構成される属性層のネットワー
ク（＝モデル状態）を決定し，具体的な属性値を定める．
実体の定義においては，実体を分割(decomposition)する情報操作モデルを採用している．相対的に概略な認識は分割前の実体によって提供され，詳細な認識は分割後の実体によって提供される．また，分割後の実体間にはイ

Fig.20 トップダウン指向設計支援システム
における製品情報の段階的詳細化

ンタフェイスが生成されることを基本としている．設計対象の情報は，詳細度が異なる実体の階層
関係と，設計されたインタフェイスによって構成される階層構造を持つネットワークで表現される(Fig.20)．
７．５ トップダウン指向設計支援システムを用いた船舶の設計例
トップダウン指向設計支援システムはオブジェクト指向言語である Smalltalk(VisualWorks
2.5.1j)上に構築されている．設計対象の特徴を考慮し，必要に応じて設計機能や制約関係，および実体や属性などを Smalltalk 上にクラスとして実装するなどのカスタマイズを施し，目的とする設計支援システムを構築する．Fig.21 に船舶の設計に適用した例を示す 15)．

８．接合情報のマネジメントによるモジュール化設計
製品のライフサイクルのコストおよび環境適合が厳しく求められている状況において，製品構造のモジュール化が注目されている．製品構造のモジュール化は製品の再利用性を向上させ，ライ
フサイクルでのコストダウンと環境対応とを同時に大幅に向上させる．現在，モジュール化設計は，有望な設計・生産コンセプトとして期待され，多くの製品設計・生産での取り込みが検討されている．
適切なモジュールを定義するためには，製品の機能性・生産性，さらにはライフサイクル全般を考慮し，製品の分割位置（即ち，接合位置）について十分な検討を実施する必要がある．本章では，前章の「トップダウン指向設計支援システム」におけるインタフェイス情報のマネジメントを有効に利用した製品のモジュール化設計を紹介し，接合情報のマネジメントの有効性の一例を示す 19)．

B．区画の設計

A．RoughBody決定

区画の分割

Hold Ｅｎｔｉｔｉｅｓ Shape 隔

壁
の
実
体

Hold Interface Shape

Plates Structure and Connect Line
C．隔壁の設計

Fig.21 トップダウン指向設計支援システムによる船舶の設計例

８．１ 段階的詳細化によるモジュール化設計の提案
７章でも述べたが，一般的に設計は，上流の段階で概略的な製品情報が決定され，下流へ進
むにしたがってそれらの情報は段階的に詳細化される．このような設計の各段階で積極的にモジュール化の検討を行うことができれば，モジュール化を考慮した構成要素および関係情報の仕様を段階的に検討することが期待できる．そこで，概念設計から詳細設計へと展開する製品設計におけるモジュール化設計の支援手法として，段階的にモジュール構造を詳細化する手法を提案する．その概略フローは次のように示される（Fig.22）．
Product Design

Module Plan

Product Model

Generating Plans

Modularizing Specification

Decomposing Product Model

Evaluatio

Selecting Favorate Plans

Decomposing Modularizing
Specification

Product Design

Module Plan

Product ModelA
A

Generating Plans

Modularizing Specification

Evaluatio
Selecting Favorate Plans

Fig.22 段階的詳細化によるモジュール化設計

Step_1: 製品設計システムを用いて，製品モデルを記述する．
Step_2: 記述された製品モデルをもとに，実現可能なモジュール案を生成する．
Step_3: モジュール案を評価し，望ましい案を選択する．
Step_4: 選択したモジュール案をモ
ジュール仕様と位置付け，モジ
ュール化戦略の情報を記述す
る．
Step_5: 製品設計の進行に伴い製品構造を詳細化し，Step_1 を経ることによって，モジュール仕様 に 基 づ い て 詳 細 な モ ジ ュー
ル構造を決定する．

８．２ モジュール化設計支援システム
本稿で紹介するモジュール化設計支援シス
テムは，７章で紹介したトップダウン指向設計
支援システム上に構築されている．システムでは，「実体」及びそれらの「インタフェイス」，実体の「属性」とそれらの「制約関係」で表現された製品情報をベースに，以下に示すモジュー
ル化案の生成および評価が実行され，モジュール化設計が試行錯誤的に検討される．
（１）モジュール案の生成

Fig.23 モジュール案の生成

モジュール案の生成は，製品を構成する部

Parts A

Parts C

品/コンポーネントの接続関係を表現するグラParts B

フと設計者が意図するモジュール化戦略の情

inherit報が条件として処理される．具体的には，インタフェイス間に記述されるモジュール化戦略の情報であるモジュール間インタフェイスに対する優先順序を考慮し，グラフのカットセットが算出され，複数のモジュール化案を生成する①

Parts A1

Parts CNew interface
Parts A2

Parts D②

Fig.24 モジュール化戦略の継承(Fig.23)．この際に，設計意図として指定した
優先順序はカットセットとして選択されるグラフのリンクの選択条件として利用される 20)．
（２）モジュール案の評価とモジュール化戦略の情報化
上記（１）によって生成される複数のモジュール案を適切に評価し，意思決定することによってモジュール化戦略を確定する必要がある．システムでは，製品情報として記述管理されている情報を利用した以下に示す評価を可能としており，設計者は意思決定に必要な評価基準を設定し，適切な評価を選択することで好ましいモジュール案を選択する．
• 製品のライフサイクルを通じて行われる組立・分解作業のコストなどを評価する．（閉ループ型
ライフサイクルの評価）• 他製品への部品・モジュールの再使用・再利用性も勘案したコストなどを評価する．（開ループ型ライフサイクルの評価）
上記の評価を基準にモジュール案を選択すると，そのモジュール案を実現するインタフェイス情報に優先順序の情報が記述され，設計者のモジュール化の意図が設計情報として記述される．このモジュール化の意図は，製品設計の進捗に応じて製品のグラフ構造が詳細化されることに応じて継承され，後続する設計段階において利用可能となる(Fig.24)．
８．３ モジュール化設計の実行例
提案するモジュール化設計支援のプロトタイプ・システムによる実行例として，Fig.25 に「レンズ(B) Attributes(A) Product Data

(E) Design Step N

Decomposing
component/parts(D) Module Evaluation Sheet(C) Tree of Module Alternatives(F) Design Step N+1

Fig.25 モジュール化設計の実行例（レンズ付きフィルム）付きフィルム」を示す．紙面の都合上，詳細な説明は出来ないが，図は，上流設計で決定された方針にしたがって，製品機能の展開，実体の展開を行い，詳細なモジュール化設計を進めていく
様を示している．この際に，製品情報の定義→モジュール案の生成→モジュール案の評価→製品情報の詳細化の一連の設計ループが繰り返されることによって，環境に適合した製品のモジュール案が提案される．

９．おわりに本稿では，溶接・接合情報のライフサイクル・マネジメントの話題提供に際して，溶接・接合情報に関係する筆者らの研究成果を纏めた．ライフサイクルという言葉が持つ意味は非常に広いものであり，今回，紹介した研究が全てカバーできているとは言い難い．しかしながら，溶接・接合，さらにはその一般形となるインタフェイスに関する情報は，製品情報として積極的に扱うべき重要な情報であり，情報を陽に記述することにより，その情報を利用した様々な支援システム，評価システムが議論可能となる．
また，それらの情報を効率的に生成する仕組みを考えるためには，設計における製品情報の詳細化の過程は無視することができなく，設計者の情報処理を如何に抽出し，処理機能としてモデル化するかが重要な鍵を握るものと理解している．今後も，溶接・接合情報の重要性を再認識し，これらのモデル化，活用方法に関して研究を進めて行く所存である．
今回紹介した筆者らの研究は，東京大学 名誉教授 野本敏治 先生をはじめ，広島大学 濱
田邦裕 先生，東京大学 武市祥司 先生，非常に多くの方々との議論，ご助言によって進められ
た．最後に，皆様に深く感謝する．

参考文献
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部門講演会,pp. 192-195 (2003)

20) R. Mantripragada, D.E.Whiteney：The Datum Flow Chain: A Systematic Approach to
Assembly Design and Modeling, Proc. of DETC98 ASME Design Engineering TechnicalConference，ASME (1998)