Monohakobi Techno Forum 2020

自律システム開発におけるモデルベースドアプローチ～ 自律船コンセプト「APExS-auto」を例に～2020年11月26日

株式会社MTI 船舶物流技術グループ
沓名 弘二

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自律システム開発におけるモデルベースドアプローチ～ 自律船コンセプト「APExS-auto」を例に～

目次
1. 自動運航技術による貢献
2. APExS-auto（Action Planning and Execution System-auto）
3. モデルベースドアプローチ
4. モデル活用に必要な人材・組織
5. まとめMonohakobi Techno Forum 2020

自動運航技術による貢献（短期）自動化及び高度支援
その他

ヒューマンファクター（本船関係者）

ヒューマンファクター（本船）の効果

損失削減％

顧客信頼の獲得・差別化

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自動運航技術による貢献（長期）
安全性向上
2名当直
高度支援なしルール変更
技術革新

条件付き1名当直

高度支援ありルール変更
技術革新

条件付き無人航行

高度支援ありOPEX低減無人航行完全自律

ルール変更
技術革新

• 当面の間、損失削減と差別化が目標• 長期的にOPEX削減も目標

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自律システム開発におけるモデルベースドアプローチ～ 自律船コンセプト「APExS-auto」を例に～

目次
1. 自動運航技術による貢献
2. APExS-auto（Action Planning and Execution System-auto）
3. モデルベースドアプローチ
4. モデル活用に必要な人材・組織
5. まとめMonohakobi Techno Forum 2020

APExS開発の背景（Action Planning and Execution System）
現在
2000年代• 考える機能（分析/計画）の自動化が必要• 情報統合の自動化～1990年代••INS*ECDIS*• 航海計器の発展

具体的なフレームワークが存在していない• 単一業務の自動化••••

接近距離計算（ターゲットトラッキング)
針路保持（オートパイロット）
進路保持（トラックコントロールシステム)
測位（GPS)

日本海事クラスターが有する優れた“考える機能”を利用することが出来ない* INS（Integrated Navigation System）：航海計器群の情報統合
ECDIS：電磁海図表示装置、海図と航海計器の情報統合

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自律船フレームワーク APExSとは？
現状の運航方式

乗組員

乗組員

機械

機械

自律船フレームワーク

APExS

乗組員

情報収集
例：
他船はどこにいて、どう動いているか？
自分はどこにいるか？
自分はどこを向いているか？

分析計画

乗組員

機械
乗組員

承認

実行

例：どのように行動すればよいか？
どの船が危ないか？
どの浅瀬が危ないか？

APExSとは、コンピューターが、①情報統合・分析・行動計画の策定を行い、②操船者に対して行動計画を示し、③操船者の承認の下に行動計画に従って操船を行うシステム

計画どおりに操船するには、どう操作したらよいか？

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APExSの機能範囲• 離桟から着桟までの全航海フェーズにおける衝突及び座礁防止

離桟操船出港操船
沿岸・大洋航行
アプローチ操船
着岸操船

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APExSの特徴 柔軟なパラメータと使用範囲
APExS（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（ボトルネックが制約）

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）

前方から風速25ノットの風速は、 前方から風速25ノットの風速は、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(制御対象)• 利用範囲が人間の運用レベルまで拡大し、協業が可能• 緻密な計算による明確な背景説明で、人間の技能を補完

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AiP（Approval in Principle)の取得
HAZID*/FMECA*に基づくリスク解析
概念設計仕様書に対するレビュー

2020年2月20日 AiP取得（NK殿承認第一号）→操船支援システムのあるべき姿が定まった

HAZID: Hazard identification 「ハザードの同定」
FMECA: Failure mode effects, and criticality analysis 「故障モード影響致命度解析」

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APExS-autoとは？
• APExS:計画策定までの認知タスクを実行する人間のための意思決定支援システム• APExS-auto:一連の認知タスク及び実行までを一貫して実行可能な高度自律システム

意思決定支援システム
高度自律システム• DFFAS プロジェクト（MEGURI2040）では、高度自律システム“APExS-auto”に対するAiP取得を目指す
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System of Systemsへの対応

モデルベースドアプローチが必須となる• 高度な自律システムは System of Systems (SOS)とならざるを得ない• システムが巨大である• システムの機能階層が深い• システム同士が複雑に関係し、影響し合う•

MBSE (Model-Based Systems Engineering)によるアプローチ• 全ての関係者が共通のデザインモデルにアクセス、更新を行う• 全ての関係者が最新のモデルを使用して、システムを開発

Figure: MBSE components and relationsReference) https://techfactory.itmedia.co.jp/tf/articles/1804/13/news002_2.html, (original in Japanese)11

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自律システム開発におけるモデルベースドアプローチ～ 自律船コンセプト「APExS-auto」を例に～

目次
1. 自動運航技術による貢献
2. APExS-auto（Action Planning and Execution System-auto）
3. モデルベースドアプローチ

4. モデル活用に必要な人材・組織
5. まとめMonohakobi Techno Forum 2020

モデルベースドアプローチ

CONOPS（Concept of Operations）
Requirements
Parametricconstrains

StructureBehavior

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CONOPS（Concept of Operations）
正確な上位の要件定義が必要• CONOPSとは、ユーザーによる要求仕様書である・システム導入の目的と目標
・システムの概要／システムの構想
・機能要求・品質・性能要求
・入力要求と出力要求という内容が記載される。

CONOPS
Requirements

Structure

Parametricconstrains

Behavior• DFFASにおけるCONOPS概要

・システム導入の目的と目標 ：749GRTの内航コンテナ船を使用して、：Berth to berthでの自律航行を達成すること・システムの概要：操船、推進、動力管理のサブシステム構成：陸上支援センターを設け、各種タスクを補完すること
・機能要求：長期の航海計画から、避航操船に至るまでの自律化機能：環境に応じてパラメータを変動させる自律であること
・品質・性能要求：人間の運航以上の信頼性と完結性を保持すること：狭水道、輻輳海域で使用可能であること
・入力要求と出力要求：入力は既存のセンサー・機器を前提とすること：出力は一般商船に採用可能な制御機構を前提とすること

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要求洗い出しのフレームワーク

CONOPS

機能分解アプローチが重要• 自律船のSystem of systemsに必要な機能を上位から分解し、細部の機能要求まで落とし込む

Requirements
Parametricconstrains

Structure

Behavior

Functional decomposition

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モデル構築

機能ループを正確に捉えることが必要

CONOPS
Requirements
Parametricconstrains

Structure

Behavior

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CONOPS

要求洗い出しのプロセス

Safe equivalentの証明に耐え得る要求洗い出しが必要

Requirements

Structure

Parametricconstrains

Behavior②STPA＊を用いて、システムの構成要素間の相互作用を検証①具体化したモデルを作成③Bowtieモデルを用いて、対策を検討、リスクを算定④反復＊STPA：System-Theoretic Process Analysis

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ODD（限定領域）の構成

CONOPS
Requirements

ODDの具体的な設定が必要

・ODD（Operational Design Domain）：自動化システムが適切に機能する範囲

Parametricconstrains

StructureBehavior

・MRC（ Minimum Risk Condition）：自動化システムに異常が生じた際にとる、リスクが最小となる状態若しくは行動• ODD は、内部環境に起因するものと外部環境に起因する２つが種類が存在する
External ODD: 風浪、潮流等の外部要因に起因するODDInternal ODD: 機器の稼働状態等の内部要因に起因するODD

432 1

1.
2.
3.
4.

NormalActive monitoring
Failed: Remote FB
Failed: independent FB

wind direction & speed
in which the vessel cankeep position and heading

Wind direction
Windspeed

MRC
Outside MRC

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CONOPS

フォールバックの構成

具体的なフォールバック遂行の環境を定義•

Requirements
Parametricconstrains

Structure

フォールバック：機能が異常に陥った際に、機能を制限したり別の方式に切り替えるなどして、限定的ながら使用可能な状態を維持すること。

Behavior• 操船におけるフォールバックの余裕とは、おかれた環境、手順において、どれだけの時間的余裕を有するかで表現される。

覚醒状態

船橋からの距離A（Awake, Bridge, On watch)

状況認識
H（Asleep, Non-Bridge, Off watch)

覚醒状態

船橋からの
距離

状況認識

存在可否

AawakeBridgeOn watch

〇

B

awake

BridgeOff watch〇

CawakeNon-Bridge

On watch〇

DawakeNon-Bridge

Off watch〇E

asleepBridgeOn watch×F

asleepBridgeOff watch〇

Gasleep

Non-Bridge

On watch×H

asleepNon-Bridge

Off watch〇

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Status/Modeの構成

システムのふるまいについて定義

CONOPS
Requirements
Parametricconstrains

Structure

Behavior

Mode within system state:Classification of voyage (unberth to berth)20

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モデル活用に必要な人材・組織とは？
役割

知識の深さ

知識の広さ

抽象化
能力

コンサルタント

デマンドを的確に捉え、正しい方向を指し示す。フレーム構築、モデル化、リスク分析等を支援

浅い

広い

非常に高い

アーキテクト

最適な要素技術を組み合わせて、上位からシステム全体の構造を設計

深い

非常に広い

高い非常に深い

狭い

普通

浅い

広い

高い

スペシャリスト
マネージャー

特定分野の深い知識を提供（ビジネス、運航、建造、電気、機器等）

高度なマネージメント技術を活かし、開発を管理

コンサルタント
アーキテクトスペシャリスト

マネージャー

Marine autonomous design team
Reference) 情報処理推進機構 https://www.ipa.go.jp/jinzai/itss/download_V3_2011.html

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人材と組織への対応
運航

ドメイン/ロール

ビジ
ネス

航海機関

コンサルタント

開発

ICT

駆動
機器

〇
〇

マネージャー

〇〇

〇

〇
〇

〇

ドメイン非依存課題

解決策

非常に高い抽象化能力と幅広い知識の確保

リスク管理の専門家とシンクタンクの協力

技術階層の多さ、要求知識の深さ・広さ

抽象化能力の高い複数ドメインで補完必要な人材の幅広さ

造船所、メーカー、船機長、オペレータのスペシャリストにより補完

大規模プロジェクトにおける情報共有の即時性、影響確認

開発要素の分解と管理者の設定による有機的な情報交換の仕組み構築船体・流体力学

ドメイン非依存アーキテクトスペシャリスト

電気機器

〇

TG1

アーキテクトTG5スペシャリスト

コンサルタント

マネージャー

Marine autonomous design teamPMO

TG4TG2
TG3

Crowd type project group*TG: Technical group23

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5. まとめMonohakobi Techno Forum 2020

5．まとめ
CONOPSの構成力：Process
モデルベースドアプローチ：Process
Marine autonomous design team：People・Organization
日本海事クラスターの技術力：Technology

コンサルタント

アーキテクトスペシャリスト

マネージャー

Marine autonomous design team

自動運航技術の構築には、PPTOのバランスと結合が肝要
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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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