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モデルベースシステムエンジニアリング (MBSE) とは？

モデルベースシステムエンジニアリング (MBSE) とは、システムの機能、構造、および動作を定義および分析するために、デジタルモデルを使用することを指します。これは、ドキュメントや非公式な図ではなく、システム要求、設計、分析、検証、および検証活動を、概念設計の段階から開発の過程、そしてその後のライフサイクルフェーズにわたってサポートします。MBSEの方法論は、現代のシステムの増大する複雑性を管理するために不可欠です。

モデルベースシステムエンジニアリングの利点

MBSEは、構造化され、視覚的で統合されたアプローチにより、システムの全ライフサイクルにわたる複雑なシステム管理を効率的に行います。これは、SysMLのようなシステムモデリング言語を使用しているためです。SysMLは、ハードウェア、ソフトウェア、情報、プロセス、人員、および施設を含む複雑なシステムを指定、分析、設計、検証するために設計された標準的な汎用モデリング言語です。MBSEの利点は次の通りです。

• 設計意図の中央集約型定義により、設計チームや組織全体の他の利害関係者が正確かつ一貫性を持って参照できる対話的なモデルを提供
• システムの動作を示す対話的な図やその他の使いやすい表現による複雑さの効率的な表現
• システムエンジニアが同じタスクを手動で行う時間の一部で分析を実行できるため、設計時間の短縮
• デジタルモデルを使用して、現代のPLMプラットフォームが管理できるライフサイクルプロセスとの整合性を確保し、変更管理、リビジョン管理、アクセス制御、およびその他のPLMライフサイクルサービスを提供

モデルベースシステムエンジニアリングの主な構成要素

MBSEの方法論にはいくつかの重要な構成要素が含まれており、これらが一体となって、システムの完全な仮想定義を作成し、製品開発の各段階における学際的な統合を促進します。

システムモデル

システムのコンポーネント、動作、関係、および相互作用を表すさまざまな表現や抽象化を用いた、正式で構造化されたシステムの表現です。これは、システムがどのように構築され、動作するかを理解し、設計するための設計図として機能し、エンジニア、利害関係者、開発者がシステムのライフサイクル全体で共有する視覚的な参照を提供します。

モデリング言語

システムモデルを作成および進化させるための正式なモデリング言語です。

要件管理

システム開発プロセス全体にわたってシステム要件を把握し、追跡する機能で、要件がシステムモデル要素に直接リンクされているため、設計上の決定が指定された要件と整合していることを保証します。

シミュレーションと分析 (SAM)

MBSEにはシミュレーションモデルが含まれており、エンジニアが物理的な実装前にシステムのパフォーマンスを分析し、設計を最適化し、さまざまな「もしも」のシナリオを探ることができます。具体的には次のようなものがあります。

• 動作シミュレーション: システムがさまざまな入力、状態、または相互作用にどのように応答するかをテスト
• パラメトリック分析: 主要なパラメータ (例: 重量、コスト、エネルギー消費) とその関係をモデル化してシステムのパフォーマンスを評価
• ツール統合: MATLAB/Simulinkなどのさまざまなシミュレーションツールと統合し、高度な分析を実行

ライフサイクル管理

中央集約型の計算センターは、SAM、すべてのシミュレーション、およびMBSEプロセスに関与するその他の機能の統合された場所を提供し、部門横断的なチームメンバーが同じリアルタイムの情報にアクセスし、変更を他のチームにも即座に可視化できるようにします。

モデルベースシステムエンジニアリングのワークフロー

一般的なMBSEプロセスは次の手順で進行します。

ステップ1: 要件の確立
最初に、エンジニアリングチームは、ユーザー、ビジネスリーダー、規制当局を含むすべての利害関係者のニーズに基づいて要件を開発します。あるチームでは、要件を把握し、管理するためのソフトウェアを活用しています。

ステップ2: システム設計
次に、チームは、確立された要件を満たすシステムの設計を開始します。MBSEを使用して、システム内の各コンポーネントの視覚モデルを作成します。また、システムの各部分を元の要件にマッピングする機能も含まれています。

その後、チームはシステムがさまざまな条件下でどのように機能するかをモデル化し、実際のユースケースでシステムがどのように反応するかを理解します。

ステップ3: リスク分析
エンジニアは、技術的なパフォーマンス、コスト、安全性など、システムに対してリスク分析を実行します。そして、予防措置を講じることで、最終製品のリスクを最小限に抑えるよう努めます。

ステップ4: モデルの検証
次に、エンジニアリングチームがモデルを確認し、一連のテストを実行して、それらが正確で信頼性があり、要件に一致していることを確認します。

ステップ5: システムの構築
モデルが検証されると、チームは要件と基準を満たすシステムの製造を開始できます。

ステップ6: システムの保守
MBSEは、製品の製造が進む中でも情報の中心的なソースとして機能し続けます。現実のフィードバック、現場の問題、その他の貴重な情報を追跡し、システムを継続的に改善するための協働スペースをチームに提供します。

モデルベースシステムエンジニアリングのユースケース

MBSEを使用してシステム開発と生産を集中管理する産業は数多く存在します。ここでは、MBSEを使用してビジネスの成功を収める製品重視の企業の例をいくつか紹介します。

• 航空宇宙および防衛産業は、詳細な仕様やニッチなユースケースを持つ複雑なシステムを開発します。これらのチームは、さまざまな実際のシナリオでシステムがどのように機能するかを正確に理解するためにMBSEを使用しています。
• 自動車産業は、物理的なコンポーネントとソフトウェアコンポーネントの両方を含む複雑な現代の車両の詳細なモデルを作成するためにMBSEを活用しています。
• エンジニアリング、調達および建設 (EPC) 産業は、複雑な資産の生産中にトレーサビリティを維持するためにMBSEに依存しています。
• 物理インフラストラクチャと高度なソフトウェアを融合させたハイテク産業は、革新的な製品をリリースし、急速な変化に対応するためにMBSEを利用しています。
• 産業製造企業は、手動プロセスや分散ツールを使用するのに比べて、MBSEを活用してコストと時間を大幅に節約しながら複雑な製品を構築しています。
• 医療産業は、リコールを最小限に抑え、安全でコンプライアンスに準拠したデバイスを作成するためにMBSEを利用しています。

モデルベースシステムエンジニアリングの課題

MBSEを使用して複雑な製品を構築するチームは、いくつかの一般的な課題に直面します。これには以下が含まれます。

文化的な抵抗と組織的な変革

文書ベースのシステムエンジニアリングからMBSEへの移行には、組織内での文化的な変革が必要です。従来の方法に慣れているチームメンバーは、新しいツールやプロセスを採用することに抵抗することがあります。これは、モデリングツールの使用や生成されたモデルに関するトレーニングとスキルの開発を含みます。また、異なるエンジニアリング分野（ソフトウェア、ハードウェア、機械など）のチーム間での協力を促進するために、学際的なコラボレーションが求められる場合もあります。

ツール統合、互換性、および標準化の欠如

MBSEの方法論はさまざまなツールに依存しており、それらがシームレスに機能する必要があります。しかし、これは必ずしも簡単ではありません。統合に関連する問題を回避するためには、チームがMBSEの方法論を構築し、技術スタックに関する意思決定を行う際に協力する必要があります。

初期投資コスト

ツールの取得および維持コストは特に小規模な組織にとって高額になることがあります。ツールのコストに加えて、MBSEツールと実践を効果的に使用するためのエンジニアや他のスタッフのトレーニングにも投資が必要です。これには、管理のコミットメント、時間、財政的投資が必要であり、導入プロセスが遅れる要因になることがあります。

モデルベースシステムエンジニアリングの導入

組織内にMBSEを確立するには、適切な技術とプロセスが必要です。多くのチームは、MBSEをサポートする機能を戦略的に段階的に導入するアジャイルなアプローチを取っています。これにより、チームメンバーに新しい機能の使用方法を適切にトレーニングし、MBSEシステムが時間の経過とともにどのように機能するかをテストすることができます。ソフトウェア開発プロジェクトと同様に、チームは主要なパフォーマンス指標を測定し、実装された技術やプロセスが目標を達成していることを確認します。

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