はじめに

今日のスタートアップ企業は、技術的なアイデアを実際の製品に具現化する際に多くの課題に直面しています。

• 高速化: 開発サイクルを高速化するにはどうすれば良いか。
• コスト削減: コストを削減して生産性を高めるにはどうすれば良いか。
• 事業拡大: 製品の構想から市場投入までを実現するにはどうすれば良いか。

その答えは、モデルベースデザイン (MBD、モデルベース開発) です。モデルベースデザインは、エンジニアリング手法の一種で、製品のアイデアからプロトタイプ、およびプロトタイプから量産までの実現を支援することで、スタートアップ企業を成功に導きます。

モデルベースデザインとは

モデルベースデザインは、開発プロセス全体におけるモデルの体系的な使用を中心に据えています。

モデルは、次の機能を担っています。

• ブロック線図およびその他グラフィカル要素またはテキスト要素に基づいた設計の視覚的表現。モデルの使用により、データフローでもシステム アーキテクチャでも、設計意図に対する理解が促進されます。
• 設計の実行可能な仕様。モデルの使用により、複数のドメインにわたるシステム動作のシミュレーションが可能になります。

エンジニアは、モデルを使用して、設計トレードオフの評価、継続的な検証と妥当性確認、およびハードウェア実装用のコードの自動生成を行うことができます。

モデルベースデザインがスタートアップ企業に適している理由

スタートアップ企業では、製品のアイデアが生まれると、そのアイデアが練り上げられることで一連の要件で定義される設計概念へと変化します。そしてこれは、詳細な技術仕様へと急速に発展します。これらの仕様を満たすことのできるプロトタイプの作成は、スタートアップ企業にとって重要です。プロトタイプは、初期段階で製品価値を実証し、社内チームの自信を高め、早期に成功の確証を求める外部投資家から資金を調達する上で役立ちます。モデルベースデザインを使用することで、スタートアップ企業はアイデアからプロトタイプへと速やかに移行できます。

アイデアからプロトタイプへ

すばやくスピードに乗る

アイデアを形にしようとしても、白紙の状態を前にして考えあぐねることもあるでしょう。しかし、モデルベースデザインを使用すれば、ゼロから始める必要はありません。Simulink およびそのアドオン製品には、初めての方にも使いやすい参照例や事前構築済みのブロックが用意されています。

参照例は、新しい設計の開始点として役立ちます。これらの例は、インスリンポンプ、風力発電所、荷物配送ドローンなどの特定の用途や、ほぼすべての産業分野にわたるその他の用途向けに作成されたフルシステムモデルです。

詳細なアルゴリズムを含めるよう設計を変更し、すべての機能を構築する際に、事前構築済みのブロックを直接設計に追加できます。これらは、信号処理アルゴリズムや制御手法など、厳密にテストされ、完全にドキュメント化されたアルゴリズムのモジュールをカプセル化したものです。設計ニーズに合わせて、これらのアルゴリズムの追加、組み合わせ、または変更を行うことができます。

そのままで使用できる、完全にパラメーター化可能なブロックは、グリーン水素製造システムを動かす電解槽や垂直離着陸機を動かすローターなどの、システムのモデリング コンポーネントに適用することもできます。

自動運転のスタートアップ企業である Voyage Auto は、開発プロセスの開始にあたり、参照例を使用しました。

開発コストの削減およびプロトタイプ構築時間の短縮

多くのアイデアを思い描きながら設計プロセスを開始すると、可能な設計オプションを検討するにつれ幅広い設計空間や膨大な不確かさと向き合うことになります。しかし、多くの場合、スタートアップ企業ならではの時間、予算、人材、およびその他のリソースの制約にも直面することになります。設計の選択肢を形式化して絞り込む際、物理プロトタイプですべてのオプションをテストするのは現実的ではありません。

モデルベースデザインを使用すると、モデルを構築して仮想プロトタイプとしてシミュレーションできます。デジタル設計環境では、大規模な設計検討を作成して、設計オプションを評価し、設計性能を最適化できます。これにより、物理プロトタイプを構築する必要性を大幅に削減できると同時に、予算超過のリスクも軽減できます。

電気スクーターのスタートアップ企業である Ather Energy は、モデル化とシミュレーションを使用して開発を加速させました。

波力エネルギー技術のスタートアップ企業である Carnegie Clean Energy は、設計上の問題の修正に仮想プロトタイピングおよびシミュレーションを使用して波力発電ファームを完成させました。

コードではなく設計に注力

設計の選択肢を確認して仮想プロトタイプを開発したら、設計を物理プロトタイプ上で実行するコードとして実装するにはどのようにすれば良いでしょうか。アルゴリズムを手作業でコーディングして設計をコードに変換することもできますが、この手法は手順が多く、プロセスにエラーや矛盾が生じる場合があります。設計に対する変更は、手作業でコードに実装する必要があり、設計とコード間のトレーサビリティを確立することは困難です。

モデルベースデザインを使用すると、モデルからコードを自動生成できます。設計から機能的プロトタイプで実行するコードへの移行を、数か月ではなく数日で行えます。生成されたコードは効率的で高品質かつ可読性に優れており、設計で完全に追跡可能なため、新しく生成されたコードには常に最新の設計が反映されています。この方法によりソフトウェア開発の高位設計作業に注力できるため、コード生成の活用はスタートアップ企業にとって強力なアプローチとなります。

電動自転車のスタートアップ企業である Ellio は、制御コードを自動生成して組み込みハードウェアをターゲット化することで、プロトタイプ構築を高速化しました。

手術用ロボティクスのスタートアップ企業である Preceyes は、自動コード生成を使用してソフトウェアを実装することにより、世界初となる眼科手術用ロボットを開発しました。

医用技術のスタートアップ企業である Bigfoot Biomedical は、シミュレーションと自動コード生成を使用してインスリン投与システムを開発しました。

プロトタイプから量産へ

スタートアップ企業にとって、機能的プロトタイプの開発は、投資家、サプライヤー、および顧客に対して製品価値を説明する上で役立ちます。しかし、スタートアップ企業が大規模な商業的成功を収めるには、製品を概念実証の状態 (機能、品質、および性能は限定される場合が多い) から量産可能な状態に移行させる必要があります。モデルベースデザインは、スタートアップ企業のプロトタイプから量産への迅速な移行を支援します。

一度のモデル化で、どこにでも展開可能

プロトタイプから量産に移行すると、より強力なハードウェアを活用して性能を高めたり、よりコスト効率が良く一般的に利用可能なハードウェアを使用して量産コストを下げたりするために、ハードウェアの変更が必要になる場合が多々あります。ハードウェア要件の変更は、スタートアップ企業にとって課題です。異なるハードウェア プラットフォームとソフトウェアの統合には、社内にハードウェアの専門知識が必要なだけでなく、ソフトウェアの変更も求められます。

モデルベースデザインを使用すると、マイクロコントローラー用の C/C++ コード、FPGA/ASIC 用の Verilog/VHDL コード、PLC 用のストラクチャード テキスト、または GPU 用の CUDA^® コードなど、モデルから移植可能なコードを生成して異なるハードウェアをターゲットにできるため、ハードウェアからソフトウェア開発を切り離すことができます。MathWorks は、主要なハードウェアベンダーと提携して、これら複数のプラットフォームにわたりハードウェア統合をサポートしています。

コード生成のサポートおよびハードウェア統合のサポートにより、一度設計をモデル化すれば、すべてのサポート対象のハードウェア ターゲットに展開できるようになります。これにより、ハードウェアの専門知識は必要なくなるため、ハードウェアの仕様の理解や、新製品に適応させるための既存アルゴリズムの再コーディングではなく、設計作業に注力することができます。

エネルギー貯蔵システムのスタートアップ企業である Stem は、モデルベースデザインを使用して、マイクロコントローラー ハードウェアから制御ソフトウェア開発を切り離しました。

モーション シミュレーターのスタートアップ企業である Dynisma は、各種のマイクロコントローラーやハードウェアシステムをターゲットにできるよう設計を拡張しました。

欠陥を最小限に抑えて品質を確保

プロトタイピングから量産段階へ移行する際に重要な点は、欠陥を最小限に抑えて製品の品質を確保することです。しかし、スタートアップ企業の場合、エラーの発見が開発プロセスの後期になりがちです。これらのエラーには大幅な手戻りが必要になり、修正に時間とコストを要します。

モデルベースデザインを使用すると、要件や早期の設計検証からシステム統合テストに至るまで、開発プロセスの主要な段階ごとに解析、確認、およびテストを実行するツールを利用することにより、設計の検証と妥当性確認を継続的に実行できます。

シミュレーションを使用して、時間とリソースを物理テストから仮想テストに移行させることで、早期に検証作業を行うことができます。この「シフトレフト」により、装置や物理プロトタイプに関連するテスト費用を削減でき、現実世界の条件下で製品をテストする前に、すべてのカテゴリのエラーを排除できます。また、仮想テストでは、起こりうる事象に関する質問に回答したり、実際の運用環境では再現が困難あるいは不可能なテストシナリオやエッジケースのシミュレーションを行うこともできます。

完全な V&V ワークフローのサポート

電動オートバイのスタートアップ企業である BPG Motors は、シミュレーションベースのテストを使用して製品上の問題を特定し、製品のプロトタイプから試作へ移行しました。

無人航空システムのスタートアップ企業である Airnamics は、初飛行の前にシステムの仮想テストを行うことにより、ソフトウェアのバグのほとんどを除去しました。

認証の取得

航空宇宙、自動車、医療機器、および再生可能エネルギーなどの産業分野におけるセーフティクリティカルなアプリケーションを開発するスタートアップ企業では、システムのソフトウェアが厳密なテストに合格するだけでなく、国際規格組織や業界ワーキンググループが定める機能安全規格に準拠する必要もあります。スタートアップ企業にとって、認証ワークフローに使用する適切なツールや、従うべき適切なプロセスの選定は、簡単なことではありません。

モデルベースデザインには、モデルやモデルから生成したコードが業界標準に準拠しているかどうかを確認するツールが用意されています。

さらに、IEC Certification Kit は、ツール適格性確認アーティファクト、認証書、テストスイートを提供し、トレーサビリティ マトリクスを生成します。このキットを使用すると、Embedded Coder^®、HDL Coder™、および Polyspace^® 製品ファミリなどのコード生成および検証ツールの適格性の確認や、ISO^® 26262、IEC 61508、EN 50128、ISO 25119、および IEC 62304 や EN 50657 などの関連する規格に対する組み込みシステムの認証を合理化できます。キットには、認証機関 TÜV SÜD による、サポート対象の製品および規格についての認証書と評価レポートが含まれています。

前述したエネルギー貯蔵システムのスタートアップ企業である Stem も、電力システムのシミュレーションを使用して、製品テストに合格し、IEEE^® 1547 認証を短期間で取得しています。

設計を次世代製品で再利用

初回発売時の最初の成功を基に後続の製品を開発する場合、モデルベースデザインを使用して、新しい設計においても以前の反復作業で得た設計モデルを再利用できるようにすることで、次世代製品の開発を高速化できます。また、ニーズの異なる顧客を獲得するために製品の規模を拡大する場合も、簡単に設計バリアントを作成および管理できます。

パワー エレクトロニクス機器の会社 VONSCH は、設計モデルを再利用することにより、小規模なエンジニアリング チームにもかかわらず新製品を短期間で発売しました。

スタートアップ企業がモデルベースデザインを採用する方法

段階的導入

モデルベースデザインを使用することで見込まれる利益があるとしても、スタートアップ企業は多くの場合、新しい開発プロセスを導入するリスクを考慮します。このことは、新しいプロセスを試験的に導入したり、新しいツールを習得したりする専任スタッフがいない小規模なスタートアップ企業では特に顕著です。

成功したスタートアップ企業は、モデルベースデザインを段階的に導入することで、このリスクを軽減してきました。通常は単一のプロジェクトから開始し、現行の手法を使用する場合と比較して、モデルベースデザインを使用することで達成可能な早い段階での成果を特定します。モデルベースデザインの導入を成功させるためには、プロジェクトの進行を遅らせることなく、以下のように段階的に進めていきます。

1. プロジェクトの小さい部分で実験する。
2. 最初に成功したモデル化に基づき構築する。
3. モデルを使用して特定の設計上の問題を解決する。
4. 基本に忠実に取り組む。
5. MathWorks のエキスパートの経験を活用する。

小規模チームによるモデルベースデザイン採用の経験や手法については、ホワイトペーパー「エンジニアリング チームがモデルベースデザインを採用する方法」をご覧ください。

Océ のエンジニアリング チームは 3 人体制ですが、MathWorks トレーニングのサポートを利用して 1 ～ 2 週間でモデルベースデザインを導入しました。

投資利益率 (ROI) の測定

モデルベースデザインを導入すると、システム エンジニアリング フェーズ、開発フェーズ、およびテストフェーズにおいて大幅なコスト削減につながります。モデルベースデザインを採用した組織では、従来の手法と比較して、20 ～ 60% のコスト削減を実現しています。

従来の開発手法に対してモデルベースデザインの導入により想定されるコスト削減効果を定量化する方法については、ホワイトペーパー「モデルベースデザインの投資利益率 (ROI) の測定」をご覧ください。

電気自動車のスタートアップ企業である Vanderhall Motor Works は、モデルベースデザインを導入し、エンジニアの人数が限られている状況にもかかわらず、1 年足らずで全電動ユーティリティ タスク ビークル (UTV) を開発しました。

MathWorks スタートアップ プログラム

MathWorks スタートアップ プログラムでは、条件を満たしたスタートアップ企業に対し、スタートアップ優待価格、アプリケーション エンジニアによるサポートとテクニカルサポート、現地語によるトレーニング オプション、トレーニング クレジット 50% 割引のほか、テクノロジーや製品を紹介する共同マーケティングの機会が提供されます。MathWorks が提供する広範なサポートおよびリソースは、社内に大企業と同程度の専門知識やリソースを持たないスタートアップ企業にとって特に有益です。

自律型輸送用ヘリコプターのスタートアップ企業である RangeAero は、MathWorks アプリケーション エンジニアリング チームとの共同作業によりモデルベースデザイン ツールを導入し、複雑な問題を解決しました。

自律型トラクターのスタートアップ企業である Monarch Tractor は、モデルベースデザインを導入し、MathWorks スタートアップ プログラムのサポートを得て新型車両を市場に投入しました。

MathWorks アクセラレータ プログラム

MathWorks アクセラレータ プログラムは、スタートアップ企業とその開発を推進するアクセラレータとの提携を支援します。スタートアップ企業は、通常の法人のお客様と同様に特定分野の専門家によるテクニカルサポートやガイダンスを利用できるほか、業界で認められたソフトウェアに無料でアクセスできます。

インドのアクセラレータである Forge は、MathWorks アクセラレータ プログラムと提携し、スタートアップ企業が開発にモデルベースデザインおよび技術計算ツールを導入できるようにしました。

Dayananda Sagar Entrepreneurship Research & Business Incubation Foundation (DERBI Foundation) からインキュベーション サポートを受けたスタートアップ企業の Xfinito Biodesigns は、MathWorks のサポートを利用して、糖尿病性神経障害を治療するこれまでにない医療機器を開発しました。

モデルベースデザインでの成功

気候変動の課題に対処する再生可能エネルギーシステムを構築すること、陸、海、空における輸送の未来を定義すること、あるいは新しい医療機器により生活の質を高めることなど、多くの産業分野において、スタートアップ企業は、モデルベースデザインを使用して即時の目に見える成果を継続的に達成しています。

段階的な導入手法および MathWorks のサポートにより、スタートアップ企業はモデルベースデザインの導入を成功させ、迅速かつコスト効率良くイノベーションを実現することで、アイデアから量産へと事業を拡大することができます。