技術紹介

モデルベース開発の取り組み
木谷智哉 *1

Kitani Tomoya

モデルベース開発（Model-Based Development：MBD）は 20 年以上の歴史があり、検証を行いながら設計を進めることができるため、開発時間の大幅な短縮と品質の向上が見込める開発手法である。このことから、自動車業界などを中心に広まっているが、一般化したとは言えない。
当社は 2000 年ごろから、制御装置開発にモデルベース開発を適用してきた。本稿では、当社のモデルベース開発によるプロセスおよびその取り組みについて紹介する。
キーワード：モデルベース開発、MBD、MATLAB/Simulink

1. はじめに

2. モデルベース開発の特徴

モ デ ル ベ ー ス 開 発（Model-Based Development：

モデルベース開発には大きく二つの特徴がある。

MBD）とは、コンピュータ上に「モデル」を作成し、一つは、視覚的にアルゴリズムを記述できるた

それを用いたシミュレーションにより検証を行いめ、直感的に内容を理解しやすく、言語の制約にながら制御システムの開発を進めていく手法であとらわれず設計に専念でき、かつ、機能ブロックる。繰り返し検証しながら設計を進めることがでで構築したアルゴリズムを、オートコード機能にきるため、開発時間短縮と品質の向上が見込め、よって自動でプログラムを生成できる点である。

自動車業界などを中心に広まっている。2021 年に

図 1 に、一般的な PID 制御（※ 1）をモデル化し「一般社団法人 MBD 推進センター」という組織がた例を示す。

設立されるなど、今なお関心の高い分野でもあこのように『入力に対し計算や変換を行い出力る。

させる』という一連のプログラムを、モデルベー

当社は 2000 年ごろから、高い信頼性が求められス開発では各種の機能を持ったブロックを配置しる制御装置開発にモデルベース開発を適用してきつなぐことで、一連のプログラムを視覚的に記述た。近年は一般産業向け案件への適用も増えていする。

る。本稿では、モデルベース開発について解説す

従来型の開発手法では、仕様書からシーケンスるとともに、当社のモデルベース開発プロセスと図などを書き起こし、それを手作業でコード化すその取り組みについて紹介する。

るため、管理が煩雑かつコード化の工程でヒューマンエラーが入り込む可能性があった。一方モデ*1：制御システム事業部防衛・宇宙システム部

防衛・機器グループ—30—

伝達関数：𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑠𝑠𝑠𝑠 = 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑝𝑝𝑝𝑝 +図1

𝐾𝐾𝐾𝐾𝑖𝑖𝑖𝑖+ 𝐾𝐾𝐾𝐾𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑠𝑠𝑠𝑠
𝑆𝑆𝑆𝑆

モデル例（PID 制御）

ルベース開発では、シーケンス図とプログラムがらにハードウェアを用いた検証まで問題点が発覚

図 1 のように「モデル」という形で一本化され、ましないなど、ハードウェア組込試験での時間・コたプログラムもオートコード機能を用いて生成さスト増大が一つの課題となっている。

れるため、コード化でのヒューマンエラーをなくモデルベース開発では、制御対象となるシステしている。

ムをモデル化することで、ハードウェアを必要ともう一つの特徴は、コンピュータ・シミュレーせずにコンピュータ上のシミュレーションで詳細ションによる上流設計での動作検証が可能であるな検証を行うことができる。これにより、基本設ため、ハードウェアがない状態でもシミュレー計の問題点の早期洗い出しが可能となり、高い信ションが容易にできるという点である。

頼性を確保することができるとともに、大きな後

図 2 に、従来型開発とモデルベース開発のプロ

戻り作業を生じさせることなく次工程へと進むこセスを示す。従来型の開発では、設計段階の検証とができる。

は机上の計算までしか行えず、ハードウェアに組※ 1： Proportional Integral Differential。出力値とみ込んだ後に動作を確認している。そのため全体目標値の偏差、その積分、微分の 3 要素の工程がハードウェア開発の進捗に左右され、さによって、入力値を制御する方法

図2

従来型開発とモデルベース開発のプロセス
—

31

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IIC REVIEW/2024/04. No.71

作検証を完了する。

3. 制御装置の開発※ 2： MathWorks 社が提供する数値解析ツール

当社の特徴として、自社開発した制御装置にモ（MATLAB） お よ び モ デ ル ベ ー ス 開 発

デルベース開発を用いることで、信頼性が高く耐ツール（Simulink）環境性を備えた製品を提供できる点である。

4. ガイドラインおよびフローの策定

開発環境として、MATLAB®/Simulink®（※ 2）を用いている。図 3 に、当社での制御装置開発にお4.1 ガイドライン

けるモデルベース開発フローを示す。

モデルベース開発は従来型開発と比較して大幅

図 3 の赤枠箇所が、当該手法を適用している工に開発に要する時間が短くなることから、これま程である。制御コントローラモデルと制御対象のでは個人あるいはごく少人数でシステムを設計・モデルを組み合わせ、コンピュータ上でシミュ開発を担当することが多かった。しかし、モデルレーションを実行する。また、それぞれのモデルベース開発を推し進めていく中で徐々に適用事例からオートコード機能でプログラムを生成し、ビが増え、チーム単位やグループ会社、あるいは他ルド・コンパイルした実行ファイルを自社製の制社と共同で開発する機会も増加している。

御装置およびシミュレータに組み込む。その後、そのような中で、モデル製作に関する指標が課ハードウェア組み合わせ試験を実施し、シミュ題の一つとなっている。MathWorks 社や MBD 推

レーション検証結果と一致することで、製品の動進センターから、モデルベース開発に関するガイモデルベース開発
シミュレーションするため制御対象もモデル化

システム設計ソフトウェア設計（モデル構築、机上シミュレーション）

シミュレーション結果

制御コントロー
ラモデル

プログラム作成（オートコードビルド・コンパイル）

制御
対象モデル

実行ファイル

実行ファイル

一致
確認組み合わせ試験結果（波形）自社開発
制御装置(耐環境品)

ソフトウェア検証
適合・評価（制御装置とシミュレータにて組み合わせ試験実施）
制御装置

図3

シミュレータ

推進系ロジックのモデルベース開発フロー—32—

4.2 開発フロー

ドラインが開示されているが、それらは命名規則などの基本的な内容にとどまっており、モデルのガイドラインを掲げる目的の一つに品質の担保製作や開発フロー全体にそのまま適用できる内容があるが、そのためにはガイドラインが適切に運となっていない。また、自動車業界特有のルール用される必要がある。ガイドラインの運用でとくに基づいているものが多く、一般的でない内容もに重要なことは、策定したガイドラインを状況にある。

応じてアップデートすることと、開発案件で確実に適用することである。

当社では、既存のガイドライン、および当社のこれまでの開発事例で設定していたモデル製作ガイドライン適用にあたっては、ガイドラインルールを元に、独自のモデル製作ガイドラインをの項目数が多いことが課題であるが、モデルベー策定する活動に取り組んでいる。

ス開発フローのステップ（要素）をライブラリ化

図 4 に策定したガイドラインの一部を示す。既し、ガイドラインとの紐づけを行うことで、必要なガイドラインを明確化することとした。

存のガイドラインを取り入れながらも独自に規定
ひも

図 5 に開発フローライブラリ、図 6 に開発フしており、後述する開発フローとの紐づけ、モデルの検証方法を規定することで、ガイドラインがロー作成イメージを示す。

適切に運用されることをサポートする。

図4

開発開始時に、開発フローライブラリから必要ガイドラインの抜粋—

33—

IIC REVIEW/2024/04. No.71

ステップID

SP_CM_0001

タイトル

入出力の定義また、開発フローの作成で都度ガイドラインが抽出されるため、アップデート要否を併せて検討する

インプット図書

アウトプット図書

XXX-XX-XXXX_要求仕様書

XXX-XX-XXXX_入出力信号表

適用ガイドライン

nr_cm_0006

ことで、ガイドラインを適宜見直すこととした。

md_cm_0007
ステップID

SP_CM_0002

タイトル

仕様の可視化

当社ではガイドラインと並行して、開発フローのライブラリの策定活動についても取り組んでいる。

インプット図書

アウトプット図書

XXX-XX-XXXX_要求仕様書

XXX-XX-XXXX_機能ブロック図XXX-XX-XXXX_入出力信号表

XXX-XX-XXXX_タイムチャート

適用ガイドライン

xx_xx_XXXX※ 3： Work Breakdown Structure。プロジェクトを作業単位に分解して構造化する手法

xx_xx_XXXX

5. おわりに

xx_xx_XXXX
ステップID

SP_CM_0003

タイトル

スケルトンモデルの作成

従来は、シミュレーション結果を数値およびグ

インプット図書

アウトプット図書

XXX-XX-XXXX_入出力信号表

スケルトンモデル

ラフなどで評価していたが、自動運転制御など制御対象の挙動を視覚的に表示することが当たり前

XXX-XX-XXXX_機能ブロック図
nr_cm_0006

適用ガイドラインとなっている。その流れの中で、広く使われるよmd_cm_0007

図5

開発フロー ライブラリイメージ

うになってきたモデルベース開発による当社のプロセスおよびその取り組みについて紹介した。

なステップを選択し、ラインでつなぐことで開発

今後は、これまでの経験を活かし、制御技術だフローを規定、WBS（※ 3）としての機能も持ちなけでなく、その結果が正しいか否かを容易で直感

がら各ステップで必要なガイドラインを明確にす的に検証できるシミュレーション技術の強化につることで、ガイドライン整合性確認を容易とした。

いても取り組んでいく。

要求仕様
ステップID

SP_CM_0002

ステップID

SP_CM_0001

タイトル

仕様の可視化

タイトル

入出力の定義インプット図書

アウトプット図書

インプット図書

アウトプット図書

XXX-XX-XXXX_要求仕様書

XXX-XX-XXXX_機能ブロック図XXX-XX-XXXX_要求仕様書

XXX-XX-XXXX_入出力信号表

XXX-XX-XXXX_入出力信号表

XXX-XX-XXXX_タイムチャート

適用ガイドライン

nr_cm_0006

適用ガイドライン

xx_xx_XXXX

md_cm_0007

xx_xx_XXXX
xx_xx_XXXX

ステップID

SP_CM_0003

タイトル

スケルトンモデルの作成

インプット図書

アウトプット図書

XXX-XX-XXXX_入出力信号表

スケルトンモデル

XXX-XX-XXXX_機能ブロック図
適用ガイドライン

nr_cm_0006
md_cm_0007

図6

開発フロー 作成イメージ
制御システム事業部
防衛・宇宙システム部
防衛・機器グループ

木谷 智哉
TEL. 045-759-2488
FAX. 045-759-2491—34—