ソフトウェア・シンポジウム 2022 in 盛岡

建築設備自動制御のソフトウェアへの問題フレーム適用について
井口日文 中谷多哉子
放送大学教養学部教養学科情報コース

1520810114@campus.ouj.ac.jp

要旨の専門家がその責を担っている。そのため、ソフトウェ
アの機能を定義するにあたり，ハードウェアの機能と区

近年，建築物の冷房用冷熱源設備の自動制御設備（以別することができず，コメント，箇条書きと若干の図表で下、自動制御設備）で利用が増えている Programmable

ソフトウェアの振る舞いを記述する方法がとられている。

Logic Controller(以下、PLC）のソフトウェアを開発す

従って，る際、ソフトウェアの機能を記述する手法は，建築設備• 機能の記述が体系的でなく、複雑な制御になった場設計者に任されている。従来，案件ごとの制御の内容が合、解釈の多義性や矛盾が生じる大きく違わなかったことや，ソフトウェアの定義が必要• 設計図書の読み手によって、理解の内容が異なり、設ない制御で済んでいたため，ソフトウェアの機能定義の計図書の機能を果たさない要領が確立されておらず，機能の記述をコメントで済ま• ソフトウェアの開発と検証作業を再現可能なプロセせる設計者も多い．その結果，PLC ソフトウェアのテススとして定義できない．

トや改修の際，ソフトウェアに建築設備設計者の設計意図が反映されていることを確認することが困難になって• ZEB（Zero Energy Building）など，エネルギーをいる．自動制御設備に期待される機能は高度化，多様化効率的に利用するための要求が高度化する一方，十しており，ソフトウェアの機能が複雑になってきている．

分な仕様記述ができない

ソフトウェアの機能を分析し，定義をする手法が必要でなどの課題が生じている．

あると考えられる．
本研究では，PLC の機能を構造化する手順として，問問題フレームは，ソフトウェアが使われる環境の問題

題フレーム（Problem Frame) を導入することで，ソフトとその問題を構成するドメインを定義し，現実世界とドウェア機能記述の構造化を試みた．また，作成した問題メインの構造と特徴を明らかにする枠組み（フレーム）

フレームが建築設備の実務者に理解されるものであるこである [1]．現実世界とドメインの関係を構造化することとをインタビューで確認した．

で，マシンとドメインとの間の関係を関心事として明記してマシンの要求仕様を定義する．
複雑な問題の場合は，段階的詳細化という作業を経て，1. はじめに粒度の小さい問題を発見し，本稿では，問題フレームを自動制御設備の要求仕様を定義するために適用する．

近年，自動制御設備に PLC が導入されるようになって建築設備エンジニアが直観的に対応している現在の状いる．PLC の機能はソフトウェアで実装されており、そ況を解決するためには，分析プロセスを変え，思考の成果の機能を定義するためには、ソフトウェア設計図書を作を表記するという二つの変革を遂行していかなければな成する必要がある．しかし，ソフトウェアの設計を専門とらない．我々の課題は，問題フレームによる表記が，建築する技術者が設計図書を作成するのではなく、建築設備75

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設備エンジニアに理解されるか否かを評価することであ

表 1. 自動制御設備設備の設計図書の構成る．本稿では，自動制御設備の仕様の記述に問題フレー
図面名称ムを導入し，建築設備エンジニアがこの技術を導入する

概要

ときの効果と課題を明らかにする．

説明
建物の用途，建築設備の仕様，制御の目的などの全体像を示す．

本稿では，これらの問題を解決するために，建築設備の制御図

専門家が、現実世界とソフトウェアとの境界に着目してポイントリスト

発停制御，ループ制御などを示す．
起動，停止，監視，測定，演算，センシングするポイントなどの全体を示す．

ソフトウェアの要求仕様を定義することを試行した．こ
機器表の手段として要求工学で開発された，問題フレームを適使用する制御機器を記述する．指示調節計，リレー，タイマー，センサー，モー用する．

ターダンパ，モーターバルブなど．

本稿は，以下のように構成されている．次の２節では

配線図

建物の中の機器配置，配線経路を示す．

本研究の関連研究を紹介し，３節で問題フレームを用いた要求仕様の定義と建築設備技術者へのインタビュー結果を示す．続く４節で考察を述べ最後の５節で本稿をまアへの要求が複雑化していることに作図要領が追い付いとめる．ていない．機能を明確に矛盾ない PLC ソフトウェアの仕様を記述する要領がもとめられている。

2関連研究

2.1

自動制御設備の設計手順と設計図書構成

表 2. 自動制御の用語定義
用語定義

調節部

自動制御設備は，フィードバック制御とシーケンス制

センサーからの検出値と設定値の差から、その差を小さくするよう操作部に信御の組み合わせを中心に設計されている．複数台の機材号を出すドメイン．原則として１入力にの台数制御などの少数の例外的な機能を除いて，センサ，１出力の対応関係となっている．

調節部，操作器などをインプット/アウトプットが 1 対 1操作部になるように組み合わせて構成されている．制御設備が調節部からの信号で動作する、制御対象を操作する機材．電動弁，電動ダンパ，ポンプインバータ，ヒートポンプなど．

ハードウェアで構成されているため，調節部，操作部，セセンサ部

ンサ部，制御対象を明確にし，対応する機材を適切に選定

制御対象の状態（温度，流量など）を検出する機材．

することで，確実に動作する制御設備を構築することが制御対象でき，その制約の中で設計されている．そのため、機能の制御される対象．本稿では，熱を運ぶ熱媒．

あいまいさ，矛盾は制御図やポイントリストを精査する

PLC

Programmable Logic Controller ．汎用コントローラ．ソフトウェアで機能をことで回避することができる。表 1 に設計図書の構成を定義する．

示す．ソフトウェアの機能を記述する項目がない。
近年、制御の高機能化を図るために PLC が利用されるようになっている．PLC の機能は PLC 内部のソフト

2.2ウェアで定義される．これにより，台数制御，データの演算・集計，制御出力，ネットワークとの接続など多様な機自動制御設備 設計図書

機能表現の研究例

Edward L．Gotowski,P.E. が自動制御における自動能を一つのコントローラで実現できるようになった．そ制御ソフトウェアの設計意図を記述するための要領とのため，設計図書に PLC ソフトウェアの機能を記述するして，設計図書とは別に Sequece of Operations[2] と呼ことが必要になってきた．しかし，表 1 に示す設計図書

ばれるドキュメントの作成要領と構成を提案している．には，記述する図面はなく，箇条書きやコメントとして補Gotowski の業績は以下のものであった。

足のような要領で記述されることが多い．さらに，IoT の• 自動制御設備の設計図書を利用する技術者は，プロ導入、制御対象設備の高機能化が進み，PLC ソフトウェ

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グラマ，コミッショニングエイジェント，運用者，将プロセスを通じて標準的に使えるモデリング言語とした．

来の運用者・エンジニアなど，専門分野が異なる多く

しかし，SysML はモデリング言語であり，現実世界とソの専門家の集まりであることを定義した

フトウェアの関係を直接検討する手法ではない．そこで，• 専門分野の異なる専門家が共有する情報をまとめる

本研究では制御ソフトウェアの機能を表現するためだけため，「Overall System Descrption」を重視したでなく，機能を検討する段階の手順を検討した。

Overall System Description では，専門用語を利用せずに，主要な制御対象機器とその機器が対象とする範囲

3

問題フレームでの分析例と，実務者インタビュー

3.1

分析対象の概要を記述することを推奨している．制御ロジック，変数，設定値，制御ループなどを Overall System Description に続いて，すべて記述することを主張している．記述の必要性を宣言したが、具体的な記述要領は定義されていな

本稿では，空気調和設備のうち，自動制御設備を備えたい。これらの内容を「システム全体の説明」としてまと冷熱源設備を対象として問題フレームの適用を検討する．

め，次に，実務に必要な動作の説明，定義に必要な変数の冷熱源設備は冷房に必要な冷熱を製造し，熱媒を循環し定義，変数の範囲の定義，制御シーケンス，表示方法，機て建物内に供給するシステムである．熱媒は水が使われ器や機能の命名ルールなどを順次記載する．

ることが多い．

我々は，近年の ICT 技術の高度化に伴う課題に対応するため，PLC ソフトウェア機能を構造化して記述する方冷熱源設備を構成する機材である主な冷熱源機器を以法が必要であると考えている．

2.3

下に示す．原則として PLC からの指示で起動/停止/設定変更などを行う．

組込み制御の要件定義について• 冷熱を製造するヒートポンプ
SESSAME は，「ハードウェア出身のマネージャーに分• 熱媒に循環するエネルギーを与えるポンプ

かっておいてほしい 7 つのこと」[3] において，組込みソ• 配管

フトウェア開発の課題をまとめている．その中で，生産• 熱媒の流量を測定する流量計工程が未成熟であること，詳細を決めずに作ることが多• 熱媒の温度を測定する温度計

いことを課題として指摘している．我々は自動制御設備• 熱媒の圧力を測定する圧力計の設計図書にソフトウェア開発の上流工程の知見を導入• 熱媒の流れを切り替える電動弁することで，ソフトウェアの仕様を現実世界から求めら
冷熱源設備は、これらの冷熱源機器で構成されているシれている事項として詳細化する手法を検討する．

ステムである．冷熱源設備は建物内各所に設置した空調

2.4

MBSE(Model Based Software Engineer-機と，配管により接続されており，熱媒は配管を介して冷ing）との関係熱源設備と空調機の間を循環する．

MBSE(Model Based Software Engineering）を組込み

3.2

分析対象のドメイン

ソフトウェア開発の上流工程に導入する例が IPA(独立行
本稿での検討対象のドメイン定義を表 3 に示す．ドメ政法人情報処理推進機構）によって提案されている [4]．

イン構成を図 1 に示す．

モデルの表現には，SysML[5] が使われている。SysMLは，UML をシステムエンジニアリング向けに適用させ

図 1 左手の冷熱源設備で，温度管理された熱媒 (往）は，たものである．検討対象を，着目点ごとにユースケース

配管を介して建物内各所の空調機に供給され，建物の冷図，ブロック定義図，要求図，シーケンス図など複数の観房に利用される．冷房に利用されて温度が高くなった熱点から作成した図で表現する方法を定義している。開発

媒 (復) は，冷熱源設備に戻り，冷熱源設備内のヒートポ

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図 1. 空気調和設備のドメイン構成従することが求められる．また，用途によっては，無停止表 3. 検討対象のドメイン定義を求めれらるため，さらにドメイン
冷熱源設備

定義
冷房に必要な冷熱を製造し供給するシス• 冷熱源機器のメンテナンスや故障など起因の停止

テム• 電源設備の切り替えによる一時停止/自動再起動

マシン

冷熱源設備の PLC．PLC ソフトウェア

監視操作設備

冷熱源設備を監視する設備などの要求を満足することが求められる．

で機能を定義される今回対象となるマシンである PLC は冷熱源設備を構成する一部であり，その機能は PLC のソフトウェアで定義されている．

ンプにより熱を奪われ，冷熱源設備内で温度管理され，ポンプにより加圧され、再び熱媒（往）として建物内各所3.3の空調機へ供給される．熱媒（往）と熱媒（復）の温度コンテキストダイアグラム

差に流量を乗じた冷熱量が，冷房に使用された冷熱であ
図 2 に，今回の検討対象である冷熱源設備のコンテキる．配管には電動弁，温度計，圧力計，流量計が設置さストダイアグラムと，ドメイン間の共有現象を示す．

れ，熱媒の流量を管理する．ヒートポンプは、熱媒 (復)から奪った熱を大気に放出する．冷熱の製造に伴い発生3.4

する排熱は，大気に放出される．
熱媒 (復）の温度や，必要な流量は，PLC ソフトウェア機能分析と表現

図 3 から図 6 に，冷熱源設備の代表的な機能である，• 建物への日射や外気温などの外乱要因• 建物室内の人員や機材からの発熱• 在室人員の変動に伴う換気量の変動など，多様な要因で変動するため，冷熱源設備は変動に追78•

冷熱源設備発停（命令された振舞）•

負荷変動への追従（必要とされる振舞）•

監視操作設備への表示（情報表示のフレーム）•

熱量の演算（変換フレーム）

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図 2. 冷熱源設備のコンテキストダイアグラムについて作成した問題フレームを示す．
図 3 に，冷熱源設備の発停に関する問題フレーム (命令された振舞) を示す．オペレータ操作であり，「命令された振舞」を適用する．

図 4. 負荷変動に対する冷熱源設備の追従動作に関するの問題フレーム（必要とされる振舞）

図 3. 冷熱源設備の ON/OFF(命令された振舞)

図 4 に，負荷変動に対する冷熱源設備の追従動作に関するの問題フレーム（必要とされる振舞）を示す．
図 5 に，監視操作設備への情報表示に関する問題フレーム（情報表示）を示す．

図 5. 情報出力に関する問題フレーム（情報表示）

図 6 に，熱量の演算に関する問題フレーム（変換フレー79

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ソフトウェア・シンポジウム 2022 in 盛岡ム）を示す．

表 4. インタービュイーの属性
職種

技術者１

技術者２

技術者３

設備設計者

自動制御設備

自動制御盤

設計者/PLC ソフト

機械設備設計自動制御設備

１５年

８年

ウェア設計者
担当業務

建築・電気・機範囲

械設計

実務経験

８年

各インタビュイへの提示した図は，図 2 のコンテキス
ト図１面と，図 3〜図 6 の問題フレーム４面である．
各インタビュイへのインタビュー手順を表 5 に示す．
図 6. 熱量の演算関する問題フレーム（変換フレーム）

表 5. インタビューの手順
試行
１回目

説明なし

インタビュー内容ヒアリングにより読み取り内容を説明させた．

3.5

建築設備技術者の可読性の確認

２回目ありディスカッション形式で説明．気づいたこと，評価ポイント，改善要望などをヒアリングした．

問題フレームやドメインはソフトウェア工学の知見であり、建築環境工学や機械工学の知見ではない。そのため、設計図書に記載しても読み取られない可能性がある．

２回目のディスカッション内容と目的を表 6 に示す．

日常業務で，従来の作図方法を使っている技術者に作成したコンテキスト図，問題フレームを提示し，実務者の評

表 6. インタビューの内容と目的価を受けた．実務者は実務経験のある，担当業務が異な質疑る３人のインタビュイを選定した．

3.6

インタビュイの属性と内容

目的説明なしで理設計図書として利用できることを確認

解できたかする．

評価ポイント

現在設計図書が抱えている課題が改善されていることを実感できるか否か確認する．

インタビュイの属性を表 4 に示す．自動制御設備の設

汎用性計，施工一定の業務経験を積んでいるインタビュイを選定

他用途建物に適用可否を意見聴取す
る．外部妥当性の評価資料を取得するした．設計業務のうち，計画寄りで，自動制御設計/機械設備設計/電気設備設計など広い業務範囲の技術者１，施工寄りで自動制御設備に特化してのハードウェアやソフ

3.7

トウェアなどを業務範囲とする技術者３、その中間である技術者２の，業務担当範囲がことなる３名を選定した．

インタビューの結果

インタビュー結果を表 7 に示す．ポイントリストで表現した場合と比較して，各インタビュイへ，それぞれ２回インタビューを行った．２回とも，同じ図を提示している．１回目は説明な•要求と仕様の関係が，図で記述されているため，分しで読み取り内容を報告させた．２回目は，説明を添えかりやすいこと．従来の作図方法では，要求を推定てディスカッション形式で説明を実施し，気づいたこと，しながら設計図書を読んでいたが，その必要がない評価ポイント，改善点などをヒアリングした．

こと

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ポイントリストで表現しようとしていたことに無•れない機能は自然言語で追記する方法が採られる．また，理があったことが分かったこと．

全体の機能を記述する概要は，リストに記載しきれないため，別図に自然言語やフロー図で記載する．その為，が報告されている．これらはフレームを使用した表現に由来する効果であり，問題フレームを導入した結果であ•

記述の重複，矛盾などが発生することがある．まると考えられる．このことから，問題フレームは，自動制

た，実務経験者であっても設計図書の間違いの発見

御設備の実務者に理解されうると判断できる．

が難しいこと

•4

考察

4.1

外部妥当性について要求が分析・明記されておらず，また要求とソフトウェアの仕様の関係が記載されていないため，ソフトウェアが要求に適合していることを確認する作業が困難であること．また，要求変更が発生した場合の対応が難しいこと

インタビューの中で，問題フレームを冷熱源設備以外•に適用できるかヒアリングを行い，全員から，冷熱源設要求が複雑になった場合，要求の分析，記述が難しくなること．曖昧な記述になる可能性があること

備制御だけではなく一般的な建築設備制御の分野でも使えるという回答を得ており，外部妥当性があると判断さなどの課題がある．この結果，現場では「設計は正」といれる．

う前提のもと，施工者チェックが働かない課題があった．

4.2

内部妥当性について

問題フレームは複雑な現実世界の要求を分析・分割し，記述する手法である．設計図書に記述したい複雑な要求

インタビュイは半年程度の期間，業務を通じ筆者と共を，小さな要求に分割し，フレームで記述する．その為，同作業を行っていた。従来の作図方法であれば記述に矛•盾やあいまいさが残ることは共通認識があり，解決策が要求とソフトウェアの仕様の関係をフレームで明示できる必要であるという問題意識を共有するバイアスが掛かっ•ていると考える必要がある．このため，今後さらに多く視点を制限することで設計者の個人差が現れにくくなり，設計図書としての品質が均質化する効果がのインタビュイの評価を受ける必要がある．

期待できる

4.3

問題フレームが設計図書へ及ぼす効果などの特徴がある．
これらの問題フレームの特徴により，自動制御設備の高機能化に伴い，PLC が利用されるようになっている．PLC はソフトウェアで機能を定義する•

要求ごとに一葉ずつ問題フレームが記述されるたため，設計図書に PLC ソフトウェアの機能を記述する必め，記述の重複，矛盾などを回避することができる

要がある．従来，PLC の機能はシーケンス図で記述されことてきたが、シーケンス図で記述できる内容よりさらに多•ソフトウェアが要求に適合していることの確認がくの機能を PLC に期待するようになっている．又、自動容易になる．要求変更が発生した場合の対応が容易

制御設備の設計者は，シーケンス図に習熟していないこになることとが多い問題も有る．現在は，ハードウェアで制御設備•を構成していた時代の作図方法を踏襲し発展させて対応

複雑な要求を設計段階で合理的に分割し，記述できるようになることで，曖昧さを回避できることしている．一例として，ポイントリストの例を 7 に示す．

•

ポイントリストは，機能を表に記号で記述する作図方法

設計者ごとの設計図書品質のばらつきが少なくなることであり，記号で表示される各行の記述内容は，明快で記述などの効果が期待できる．今後，自動制御設備への要求も容易である．機能が複雑化，高度化した場合，表現しき81

SEAソフトウェア・シンポジウム 2022 in 盛岡

表 7. インタビュイの回答
インタビュイ

技術者１回答

技術者２回答

技術者３回答

説明なしでの理解・理解できた・理解できた・理解できた

評価ポイント・冷熱源設備制御の全体と部分・見積段階では，時間に限りが・見積段階では，ポイントリの関係を理解できる．

あり，ポイントリストのみでストのみで表現している．関

表現している．関係はその中係はその中でコメントや記号でコメントや記号で表現しよで表現しようとしているが，うとしているが，それが無理

それが無理なことが一目でわ表現できない関係が一目でわかった．

かった．
・機能と関係が直接記載されて・部分と部分の関係が若手に伝・読み手の経験値や技術的な背いる．従来は，関係を読み取承が難しい経験値と考えてい景を期待しないで話ができるるために，配線図と箇条書きたが，わかりやすく図示されため，使いやすい．と注釈から読み取った結果かている．

ら関係やそれぞれの役割を読み取る必要があったが，作図上の問題が改善されている．

汎用性

・作図すべき図面が増える．作・作図すべき図面が増える．作・読み手の経験値や技術的な背業時間が取れないので，作図時業時間が取れないので，作図時景を期待しないで話ができる期を考慮する必要がある．

期を考慮する必要がある．

ため，使いやすい．

・冷熱源設備制御設備以外の制・冷熱源設備制御設備以外の制・冷熱源設備設備以外の制御設御設備にも適用できる．

御設備にも適用できる．

備にも適用できる．

がさらに高度化，複雑化することが見込まれるが，ソフトの特性に由来していると考えられる．本研究を進めるにウェア技術者，建築設備技術者双方にわかりやすい表現あたり，建築設備技術者にとっての馴染みやすさを考慮が可能になることが期待できる．

し，当初はこの区分をドメインと見做してコンテキストダイヤグラムと問題フレームを作成しようとした．その
結果，

4.4

設計図書へのドメインの導入について•度が違うドメインになっていること問題フレームを導入するにあたり，ドメインを定義す•る必要がある．しかし，建築設備の分野にはソフトウェ
ア工学の知見が導入されていないこともありドメインを

本稿では，図 1 のように，冷熱源設備，配管・ダクト，制御 (含監視操作設備）を一つの例熱源設備として検討対

建築設備の文弥では，冷熱源設備（主に屋外に設置），象範囲を決定した．冷熱源設備の中で，マシン，監視操作空調機（主に室内に設置），配管・ダクト，制御（含監視設備（MO), 冷熱源設備 (CH）をドメインで分けるよう操作設備）という４区分に分けて設計・検討することが一にした．

般的である．これは，•オペレータのドメインが想定されていないことなどの不都合が生じた．

定義する習慣がない．

•PLC ソフトウェアから現実世界を見た場合に，粒問題フレームを導入するにあたり，設計者は記述した

建物の屋外と屋内にそれぞれ機械を設置し配管でい要求に対し，検討範囲を設定し，その中で適切にドメイ接続し，熱媒を循環して冷暖房を行うという建築的ンを定義する必要がある．建築設備技術者はハードウェな要因アから考える習慣がついているため，習熟に課題があることが考えられる．

建築計画とは直接関係しない自動制御設備

82SEA

ソフトウェア・シンポジウム 2022 in 盛岡

図 7. ポイントリストのサンプル

4.5

冷熱源設備へ要求の種類と問題フレーム
表 8. 冷熱源設備への要求例と、適用問題フレーム

本稿では，冷熱源設備の要求として，４例作成した．そ問題フレーム要求のほかの冷熱源設備への主な要求として，冷熱源設備へ命令された振る

冷熱源設備起動（システムの起動/停止）の要求例と、適用する問題フレームの種類を表 8 に例示

舞いする．

必要とされる振熱媒（往）温度一定制御

舞5

要求熱媒の増減に対する供給量一定制御

まとめ

冷熱製造量に対する冷熱源消費電力の最小化

近年，建築設備の自動制御に PLC が利用されるように

情報表示

冷熱源設備を構成する機材の稼働状況
各センサーの読み値表示．

なり，PLC の機能を定義するソフトウェア機能を設計図

トレンドグラフの作成．

書に記述する必要が生じている．しかしソフトウェアの運転データの統計値の表示．

機能は，ハードウェアの機能と区別されずに，コメント，変換箇条書きと若干の図表で記述する方法がとられている．

各種フィードバック制御．
需要予測，運転予測．

制御システムに組み込む PLC のソフトウェアに関わる

単純な仕掛品該当なし．

要求を分析し，構造化することで，相互に作用しあう副問
題の集まりとして問題を構造化することができ，考慮す83

SEAソフトウェア・シンポジウム 2022 in 盛岡

べき事項が明らかになり，段階的詳細化の手順が明らかになると考えられる．
本稿ではソフトウェア工学の知見である問題フレームを，自動制御設備の問題構造化に適用し，ドメインを適切に設定することで，制御構造を明示できることをを確認した．また，作成した問題フレームを実務者に提示し，設計意図が共有できることを確認した。考察として，設計図書の一部として，設計者が問題フレームを作成する場合の課題を考察した．
インタビューの結果，設計意図の伝達に有効であること，ケーススタディ以外の設備にも適用可能と考えられることが確認された．今後，実務に適用していくにあたり，より専門分野が異なる多くのインタビュイへのリアリングによる評価と，他設備への適用にむけた検討が必要である．

参考文献[1] マイケルジャクソン. プロブレムフレーム

ソフト

ウェア開発問題の分析と構造化. 株式会社廣済堂,

2006 年 5 月 22 日.
[2] EDWARD L GOTOWSKI. Sequence of Operation
for Mission Critical Building Automation Systems.
ASHRAE JOURNAL, JULY,2016.
[3] SESSAME 組込みソフトウェア管理者・技能者育成研究会. ハードウェア出身のマネージャーに分かっておいてほしい 7 つのこと ver1.01. www.sessame.jp.

[4] IPA 独立行政法人情報処理推進機構. モデルベースシ
ステムズエンジニアリング導入の手引き.

[5] Ph.D Laurent Balmelli. An overview of the systems modeling language for products and systems
development. pp. 149–177, 2007.

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