Monohakobi Techno Forum 2021

自律船の設計・実装アプローチ～DFFAS PJの取り組みから～2021年12月2日

株式会社MTI 船舶物流技術グループ
栁原 智哉

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本講演のスコープ

要求分析

基本設計

詳細設計

実装・製作
すざく（提供：イコーズ）© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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システムの開発を”成功”に導くには？

①網羅的な検討による“安全性の担保”© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

②フロントローディングによる”手戻りの最小化”

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システムの開発を”成功”に導くには？
設計の妥当性の検証

複雑なものの単純化

様々な観点でシステムを捉えるモデルで解決！
全体最適の視点

関係者との円滑なコミュニケーション

自律航行システムのような高度なシステム→モデルベースドアプローチが有効© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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モデルベースドアプローチ© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

参考: モデルベースシステムズエンジニアリング入門(著:David Long 出版:ブイツーソリューション）

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要求の洗い出しユーザの課題（要望や悩み、ミッション等）

享受
側
視点

ConOps (Concept of Operations) 提Requirements

•
•
•
•

• 機能要求• コンポーネント要求• 非機能要求

システム導入の目的/目標
システムの概要
システムの品質システムの使用における前提条件

懸念事項
・システムは信用できるのか？
・壊れたらどうするのか？
© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

供者
側
視点

• システム要求• 〇〇だから信用できます• 〇〇だから大丈夫です5

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要求の洗い出し –ConOpsCONOPS目標 /ゴール
概要
品質・性能
前提

DFFAS PJにおけるCONOPS（一部抜粋）
• 目標
• 概要

：749GRTの内航コンテナ船により、Berth to Berthでの自律航行を達成すること：操船、機関、陸上支援センター、通信、システム管理からなるシステムである：長期の航海計画から、短期の避航操船（行動計画）に至るまでの自律機能を持つ• 品質/性能：現行の運航体制以上の信頼性を保持すること：非常時に人間が介入できること など• 前提：大洋航路だけでなく、狭水道や輻輳海域でも使用する：本船既存の設備（センサーや航海機器）が使用できる など© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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要求の洗い出しCONOPS
目標 /ゴール
概要

STPAを用いて、安全制約を脅かす要因を網羅的に洗い出す
例）

モジュールA（他船の検出）情報モジュールB（行動計画策定）

品質・性能
前提

安全制約の設定
自船の動静把握
他船の動静把握
行動計画の策定

・・・© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

STAMP（Systems-Theoretic Accident Model and Processes）:大規模・複雑化するシス
テムの安全解析手法として提案された、システム理論に基づく新しい安全解析方法論
STPA（System-Theoretic Process Analysis）: STAMPに基づく安全解析手法

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要求の洗い出し例）誤った情報・センサーの故障
・センサーの仕様限界
・サイバーアタック etc.

要因A・Designに関連する要求
対 例) 人間による計画策定
策 ・Operationに関する要求例) トレーニングの実施

例：行動計画の策定

衝突要因B
要因C

安全制約違反

座礁・Designに関連する要求
対例) 機器冗長性の確保、情報の比較検証
策 ・Operationに関する要求例) マニュアルの作成© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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振る舞いと構造の検討
Behavior・Requirementsに応えるためのシステムの動作を規定する・構造とは分けて考える

Structure

・どのBehaviorをどの構造（HW／SW）
が提供するかを割り当てる

APExS-auto（最上位のBehaviorとStructure）を用いて具体化© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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信用できるのか？
故障
壊れないか？
非常時対応
適切に動作しているか？

情報が正確か？

© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

情報信頼性

オペレーション上の懸念点

システムのヒューマンマシン稼働状態

コミュニケーション

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高性能なセンサーの導入
実行

計画
分析
情報認識
情報認識は分析・計画・実行の土台
準天頂衛星システムみちびき（出典：内閣府 https://qzss.go.jp/ ）FOG姿勢方位センサ（提供：東京計器）“高性能なセンサー”による信頼性の担保© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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情報の比較・統合
既存のレーダー（Xバンド/Sバンド)＋
近距離高分解能レーダー（ミリ波）
Sバンド

物標情報A

Xバンド

物標情報B

ミリ波物標情報C

統合物標情報（信頼度高）

ミリ波レーダー（提供：古野電気）“情報の比較・統合”による信頼性の補完© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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性能特性の補完
カメラによる物標の検知と特定

距
離方位レーダー

◎

カメラ

△

物標の特定
大きさ形

色

◎

△××

◎

〇〇〇

物標検知カメラ（提供：ORCA AI）“性能特性の補完”による信頼性の担保© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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高い柔軟性と正確な判断
システム：
柔軟で正確な判断が可能<環境による運用設計領域（EODD）>
自律システム

単純な自動化システムパラメータの対象細分化した環境条件

画一的な環境条件

パラメータの柔軟性

環境に応じて変動

環境に依らず固定

使用範囲

柔軟、且つ、広い使用範囲硬直的、且つ、狭い使用範囲

例）前方から25ノットの風速制御可能であり着桟可能使用範囲外であり着桟出来ない例）前方から25ノットの風がある場合

風向

風速
システムが制御可能な
風向と風速の条件© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

電子海図上に実装されたEODD表示（提供：古野電気）

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情報の可視化
人間：判断の根拠を理解することが可能
危険注意
注視
安全

熟練海技者の感覚に基づく、危険を示す色

避航アルゴリズム（提供：日本海洋科学)

OZTによる衝突エリア表示

衝突危険領域（提供：古野電気）© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

避航経路（提供：古野電気）
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壊れたらどうするんですか？
故障壊れないか？
非常時対応
適切に動作しているか？

情報が正確か？

© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

情報信頼性

オペレーション上の懸念点

システムのヒューマンマシン稼働状態

コミュニケーション

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システムの冗長化
No.1
GPS
No.2
GPS

測位OK

QZSS*

No.1
GPS
No.2
GPS
QZSS*

人間の確認を前提に自律航行を継続

測位OK

No.1
GPS
No.2
GPS

人間の介入が必要

測位NG

QZSS*

・冗長化による運用設計領域の拡大
・人間による確認/介入が必要な状態の明確化© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved. *QZSS:準天頂衛星システム

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自律航行の継続可否の判定
システム：自身の状態を判定する© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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自律航行の継続可否の判定
操船サブシステムの目的：信頼できる計画を策定し、実行する
計画策定不可能
人間の確認を前提として計画が策定可能

十分に信頼できる計画が策定可能

RFB,IFB相当
環境への適応不可
測位不可、など
AM相当機器の故障による信頼性低下 など
Normal相当
正常・外部要因・内部要因を捉える
・目的に照らして健全性を定義する（必要に応じて多段階）© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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自律航行の継続可否の判定

システム管理画面（提供：BEMAC）

システムの状態の判断根拠が分かる→人間が適切にシステムに介入できる© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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非常時に対応するための環境（出典：日本経済新聞 2021年9月2日
無人運航船、2月に実証へ 日本郵船など監視施設開設 https://www.nikkei.com/article/DGXZQOUC028K80S1A900C2000000/）

本船と同等以上の情報が得られる環境を構築© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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改めて：APExS-autoとは（提供：JRC）© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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まとめ
• 網羅的な検討による安全性担保• フロントローディングによる手戻りの最小化：モデルベースドアプローチが有効• 適切な機器選定、情報の統合、可視化：信頼できるシステムに• システムの状態把握、非常時への対応環境：人間による適切な介入が可能なシステムに

DFFAS PJを通して実効的なフレームワークの構築、関係者との共有を実現© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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ご清聴どうもありがとうございました。

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