製品の性能向上の要件に合わせて設計の複雑度が高まるにつれ、ソフトウェアは、市場での製品の成功を左右する要因になりつつあります。より良い品質の複雑なソフトウェアを短期間で作成する必要性に迫られているエンジニアは、モデルベースデザイン (MBD、モデルベース開発) を採用しています。
モデルベースデザインとは?
モデルベースデザインは、複雑なシステムを開発するための数学的および視覚的な手法を提供します。複数の領域で作業する部門横断的なチームに共通の言語を提供することで、共同作業を支援、促進します。モデルベースデザインは、モーション コントロール、信号処理、産業機器、航空宇宙、自動車分野など、幅広い産業分野や用途で使用されています。モデルベースデザインは、要求仕様書、システム アーキテクチャ モデリング、設計の実装、シミュレーション、自動コード生成、検証と妥当性確認などの開発プロセス全体でモデルを体系的に使用することを中心としています。
モデルベースデザインは、アジャイル開発手法を補完し、可能にします。モデルベースデザインでは、アジャイル手法と同様に、開発者がプロジェクトの初期段階で不具合や設計上の問題を発見し、要件の変更に対応して、顧客のニーズを満たすシステムを提供することができます。たとえば、継続的インテグレーション (CI) システムと接続して、開発ライフサイクル全体でモデルやコードを自動的にテストし検証することで、ユーザーは反復実行を迅速化することができます。
モデルベースデザインによるアジャイルなシステム開発では、シミュレーションとコード生成を軸として、設計、テストの成果物、研究結果、評価結果を段階的に提供します。
モデルベースデザインは、製品やサービスのデジタルトランスフォーメーションをサポートします。ユーザーは、過去に開発したモデルの使用を運用中のシステムに拡張し、デジタルツインを作成することで、システム動作の最適化、システム状態の監視、開発チームへのフィードバック メカニズムの提供により、継続的改善を行うことができます。この手法によって、予知保全やリアルタイムの障害検出などに応用できます。
モデルベースデザイン: 開発プロセス全体におけるモデルの体系的な使用。
ビジネス目標の達成
マーケットリーダーは、モデルベースデザインを使用して以下を実現しています。
より多くのプロジェクトへの入札および落札。
「最近、当社は入札によってプロジェクトを獲得しました。競合他社の中には、このプロジェクトの納期が厳しいために入札を見送ったところもありました。当社は、モデルベースデザインを利用することで、当初の納期に問題なく間に合わせることができました。」
他の方法では不可能だった製品の開発。
「これまでは、特殊製品に必要なコントローラー ハードウェアの作成に莫大な費用がかかっていました。Simulink を使用すると、既存の PLC ハードウェアにコントローラーの設計を簡単に実装することができます。当社では、少量生産のコントローラー製品のエンジニアリングという新しいビジネスチャンスを追求することができるようになりました。」
売上や収益の早期達成。
「MathWorks のツールを使用して、3 人のチームで完全な機能を持つプロトタイプをわずか 6 か月で完成させました。これらのツールがなければ、このプロジェクトは少なくともあと 6 か月はかかっていたはずです。」
競合他社の追随を許さない機能と性能の提供。
「当社がモデルベースデザインを使用して設計し、最適化したハイブリッド油圧式ドライブトレインでは、標準的な油圧式ドライブトレインと比較して約 25％ の燃費向上を実現し、総保有コストも 15 ~ 20% 削減できました。」
競合他社の追随を許さない製品品質の実現。
「Simulink を使用したシミュレーションとリアルタイムテストにより、非常に信頼性の高い制御システムを実現することができました。当社のコントローラーは、従来のシステムよりも高い信頼性が証明されており、稼働中のダウンタイムは発生していません。停電時には 1 時間あたり 5,000 ユーロ以上のコストがかかる可能性があるため、これは重要な点です。」
経費と無駄の削減
エンジニアリング チームでは、以下のプロセスを通してモデルベースデザインを使用し、開発と運用における成功を実現します。
- モデル化、シミュレーション、およびコード生成
- 認証、ドキュメンテーション、およびアーティファクト生成のためのモデルの再利用
- アジャイル手法、継続的インテグレーション、デジタルトランスフォーメーションの採用
モデル化、シミュレーション、およびコード生成
より少なく、より安価なコンポーネントの使用。
「ラナイ島のシステムでは、当初 700 kWh のバッテリーの搭載が見込まれていました。Simulink によるシミュレーションでは、その半分程度のサイズのバッテリーで十分であり、フレキシブル交流送電装置は必要ないことが示されました。すべて合わせると、20 万ドル以上のコスト削減になりました。」
物理的なプロトタイプの数を最小限に抑える。
「今回のプロジェクトでは、実際のハードウェアの性能とリニアモーターカーの Simulink モデルのシミュレーション結果が一致したため、テストシステムを変更する必要がありませんでした。何度もプロトタイプを作成する必要がないため、時間を節約できるだけでなく、今回のプロジェクトのように従来の方法ではプロトタイプに 2 万 ~ 3 万ドルかかるような場合は、コストを大幅に削減できます。」
モデルの再利用と設計の適合。
「従来のプログラムでは、設計を少し変更しただけでも、ソフトウェアチームがコードを生成するまで何週間も待たなければならないことがありました。Simulink および Embedded Coder を使用すると、変更を加えてコードを再生成するだけで済み、1 時間以内に新しいテストを作成できました。」
納期に間に合わないことによるペナルティの回避。
「車両の残りの部分が完成するのを待ってからサスペンションの設計をテストしていたら、今回の厳しい納期に間に合わせることはできなかったでしょう。」
認証、ドキュメンテーション、およびアーティファクト生成のためのモデルの再利用
ドキュメンテーション コストの削減。
「Simulink と Stateflow のモデルを実行可能な仕様として使用することで、設計レビューのプロセスを大幅に合理化できました。従来の 10% の時間で詳細な見直しを完了できたのに加え、見直しの各段階で使用される紙文書の量を 90% 削減できました。」
認証コストと時間の削減。
「Simulink を使用して人工呼吸器の組み込みソフトウェアをモデル化、シミュレーション、実装することで、コンプライアンス認証を大幅に簡略化することができました。このモデルには、認証審査向けの徹底したドキュメンテーションとシステムの視覚的表現が備わっていました。」
アジャイル手法、継続的インテグレーション、デジタルトランスフォーメーションの採用
より小規模なチームの活用。
「グラフィカルな設計と自動コード生成機能を備えたモデルベースデザインは、ソフトウェアのバグを削減し、ソフトウェアの保守性と再利用性を向上させ、ソフトウェア開発の困難を軽減することができます。これにより、エンジンと制御の専門家で構成された開発チームを最短期間で構築することができました。」
アジャイル手法を使用して変更への適応に必要な時間を短縮。
「プロジェクト後半の段階で、コントローラーがそれ自身の状態をフィードバックするための新たな要件が求められました。ハンドコーディングの場合、こういった変更には最低でも 1 週間はかかりますが、モデルベースデザインを使用することで、モデルのマイナーチェンジを行うだけで済み、1 日で要件を満たすことができました。このような変更を納期遅延やコストオーバーランを起こすことなく実装できたことは、当社にとって大きな利点でした。」
継続的インテグレーションを使用して、コード品質を向上させながらテスト期間を短縮。
「当社では、世界中の数十人ものエンジニアが、多くのマージを行いながら同じモデルを並行して作成しています。モデルベースデザインと CI を併用することで、反復作業の期間を短縮し、テストプロセスを自動化しました。」
稼働中の資産に対するサポート費用の削減。
「MathWorks のツールを使用すれば、稼働中の印刷機からデータを収集して、エラー状態を自社内でシミュレーションできます。これにより、障害発生時の顧客対応の時間が大幅に短縮されます。また、当社の印刷機は世界中で販売されているため、サポートや出張にかかる費用も削減できます。」
保証コストの削減。
「ソフトウェアが複雑になるにつれて、業界全体で保証問題の件数が増加しています。モデルベースデザインを使用して当社が完成させた最新の製品については、生産開始から 12 か月が経過しても、アプリケーション ソフトウェア関連の保証問題は 1 件も発生していません。これは記録的なことで、当社の現在および将来の顧客ともに、満足していただけることでしょう。」
小規模チーム向けモデルベースデザインの採用
モデルベースデザインを使用することで得られる潜在的なメリットがあっても、技術マネージャーは、開発プロセスを変更することのリスクを考慮する場合が多くあります。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グループでは特に顕著です。しかし、一度モデルベースデザインを導入した企業の多くは、導入しない方がリスクが高かっただろうと語っています。
小規模な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。
まとめ
モデルベースデザインの採用は、システム開発にとって画期的なことです。製品に数千ドルや数百万ドルというコストがかかる企業にとって、プロトタイプの数を 1 台削減できたというだけでも ROI を証明するには十分です。高い市場シェアを狙った低コストの製品を販売する企業の場合も、製品をいち早く市場に投入できれば高い ROI を得られます。これらの企業にとって、モデルベースデザインの価値の原動力は開発期間の短縮です。どのようなシナリオにおいても、システム開発にモデルベースデザインを採用することで、企業は継続的に大きなメリットを得ることができます。
