MBSE（モデルベースシステムズエンジニアリング）は、特に製造業において成果著しく、多くの企業に普及しています。
本記事は、業務の劇的な改善を望んでいるけれど、テキストベースの開発手法では限界を感じているといった課題を抱える方に対してMBSEについて解説します。
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MBSEとは？MBDとの違いや事例
MBSE（モデルベースシステムズエンジニアリング）は、システムズエンジニアリングの手法の一つで、モデリングツールを活用したフレームワークのことです。
システムの設計や開発、および管理をモデルに基づいて行うアプローチです。この手法では、システムの構造や機能、動作、性能などをモデル化し、それらのモデルを使用して設計や検証を行います。
MBD（モデルベース開発）と混同されがちですが、MBDは主に組込みシステムや制御システム、ソフトウェアの開発において、シミュレーションの利用に焦点を当てた手法です。対してMBSEはシステムのライフサイクル全体を対象とする ため、MBDはMBSEの一部とみなすことができます。
MBSEの生まれた背景
MBSEは、システムズエンジニアリングの進化とともに試行錯誤から生まれた手法です。
以下のような課題の解決方法として生まれました。
システムの進化と複雑化
現代のシステムは効率化、最適化が求められる中でますます複雑化し、IT（Information Technology）化・DX（Digital Transformation）化へと進化しています。
しかし、進化するにつれてソフトウェア、ハードウェア、通信技術、開発に関わる人員など、多種多様な要素が複雑に関わり合い、相互関係を理解し厳密に管理する必要が出てきます。旧体制のドキュメントべース手法では、このような複雑なシステムを効果的に扱うことが難しくなってきました。
開発進捗を共有する必要性
システムズエンジニアリングは、異なる専門分野（電気、機械、ソフトウェアなど）を統合するための包括的なアプローチです。
複雑化していくシステムに比例して開発工数は膨大に膨れ上がり、迅速な情報共有の必要性から共有性の高さを備えるMBSEが求められるようになりました。
要求される柔軟性
MBSE以前のドキュメントベースの開発手法では、変更が発生すると各種文書を手動で修正し、それに伴う影響を評価する必要がありました。しかしこの工程は煩雑で時間がかかります。また、テスト検証段階で問題が発生した際に手戻りが発生することも珍しくありません。
MBSEのモデルを主軸とする手法では、変更に対して柔軟に対応でき、変更がどのように影響するかを迅速に評価できます。
ツール等情報技術の進化
コンピュータ技術の進歩により、大規模で複雑なモデルを管理・分析できるようになりました。モデリングツールの進化や計算リソースの向上により、モデルベースの手法が実現可能となり、ドキュメントベースの開発手法を凌ぐ効率的かつ合理的な開発環境が実用化できるようになったのです。
これらの要因が相まって、MBSEはシステムズエンジニアリングの領域で注目を集め、採用されるようになりました。MBSEはシステム開発プロセスを改善し、複雑なシステムを効率的に開発・管理するための手段として重要視されています。
上流工程の改善に最適なMBSEの特徴
MBSEはシステムの設計や、要件定義といった初期段階に用いられる手法です。したがって、上流工程における改善、業務最適化に適したソリューションと言えます。
ここでは、MBSEが上流工程改善に優れている点を紹介します。
要件定義とモデリング
MBSEの最大の特徴は、Model-Basedとあるようにモデリングを主軸とした手法にあります。要件定義をモデル化し、構造や機能を視覚的に示すことができます。
ツールを活用したリアルタイム情報共有
MBSEはリアルタイムでの共同作業や更新を可能にします。これには専用のMBSEツールが使用されます。具体的なツールをあげると、IBMが提供するMBSEツールでIBM Engineering Systems Design Rhapsody（ラプソディ）があります。SysMLやUMLなどの標準的なモデリング言語をサポートし、開発者の共同作業機能やリアルタイムでの変更管理機能に優れています。
MBSEは専用ツールで開発を行うことで、迅速な意思決定やチーム全体での情報の一貫性が確保できるという特徴があります。
MBSEの事例
ここではテクノプロ・デザイン社が行ったMBSE支援による課題解決の事例をご紹介します。
| 問題点 | 市場不具合を減らし、効率的かつ安定的な開発手法を実現したいが以下のような問題がある。 ●システム設計書がないため、正常系の試験の網羅及び意地悪試験ができない ●ECU間の連携仕様を把握している設計者がおらず、車両を使用した試験しかできていない |
| MBSEによる課題解決 | 要件分析からシステム試験までMBSEを適用することで課題を解決 ●SysMLを使用したシステム設計書の作成～システム検証環境を構築 ●システム検証環境を使用したシステム試験を実行 ●これまで車両試験でしか発見できなかった11件の不具合を早期発見 ●試験中の試験車両の確保を90％削減 |
産業機器業界などでは様々な技術領域のエンジニアが複数関わり合いながらひとつの製品を生み出していくケースが増えています。複数の技術領域が絡む開発案件について、MBSEを適用することで要件分析からシステム試験までを一気通貫して効率化を実現できます。
SysMLを使用したシステム設計書のアウトプットや、システム設計書を元にシステム検証環境の構築も可能とし、その検証環境を用いて、今まで時間がかかっていた不具合箇所の発見もスピード化が実現できます。
【参考記事】以下の記事ではモデルベース開発について詳しく解説しています。
【参考動画】MBSEについて、以下の動画も参考になります。
引用：システムズエンジニアリング、MBSEの概要：01概要説明
引用：モデルベースシステムズエンジニアリング（MBSE） MBSE導入事例
モデリングツールを活用したMBSEの手順と流れ
MBSEの開発手順について、IEEE1220（※）においてシステムズエンジニアリングプロセスが明記されています。本項ではIEEE1220で公開されている手順を参考に紹介していきます。
※IEEEとは？
IEEE は “Institute of Electrical and Electronics Engineers”（電気電子技術者協会）の略で、国際的な技術者や専門家の組織です。IEEE は電気工学、電子工学、コンピュータサイエンス、情報技術、通信など、広範な技術分野にわたる専門家や研究者が参加している国際的な団体です。
画像引用：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｜IPA 独立行政法人 情報処理推進機構
要件の分析
クライアントやステークホルダーからのエンジニアリングプロセスへの要望、期待値、制約事項などを含む要件定義を受け、要求と制約に矛盾がないか分析します。要求の分析と評価を通じて、システムが満たすべき機能や性能の本質を明確にしていきます。
この段階では、異なる利害関係者からの要求を整理し、優先順位をつけることで、プロジェクトの方針を示します。
要求の妥当性確認
要求の基準について妥当性確認を行います。
要求がプロジェクトの目的や利害関係者の期待に適合しているかどうかを検証し、必要に応じて要求の再検討を行います。
機能の分析
前項で確認された要求の基準に基づいて、システムの分解と要求の割り当てを行います。異なる候補の中で機能の分析と評価を行い、最適な機能アーキテクチャの構築を目指します。
機能アーキテクチャの構築では、システムの全体像を把握し、各機能が想定した性能や機能が実現できるかを確かめられます。
機能の検証
モデルによって機能アーキテクチャを検証し、物理アーキテクチャを決定するための検討、検証へ移ります。機能アーキテクチャが要求を満たし、システムが期待通りに機能することを確認するため、本検証プロセスが重要です。
例えば最高速300ｋｍという機能アーキテクチャを実現するため、高品質のハイパワーエンジンという物理アーキテクチャを選択するという具合です。
物理アーキテクチャの選択は、システムの実現可能性や性能に大きな影響を与えます。
統合
機能アーキテクチャを満たす物理アーキテクチャ設計の候補から分析と評価を行い、最終的な物理アーキテクチャを決定します。
この段階で、要件定義に対してシステム全体を適合させ、プロジェクトの目標達成可能な形を作ります。
設計の検証
選定された物理構造を検証し、システムが要求通りに動作することを確認します。必要に応じて設計の修正や改善を行い、最終的な完成形に近づけます。
以上のプロセスは一方向に進んでいくわけではない点に注意が必要です。
実際には以下の二元V字モデルで表現されているように、システム、サブシステム、コンポーネントといったレベルごとに必要に応じて分析や設計が繰り返されたり、（下図「エンティティV」部分）異なるレベルからのフィードバックによる、異なるレベル間での繰り返しも行われます。（下図「アーキテクチャV」部分）
画像引用：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｜IPA 独立行政法人 情報処理推進機構
MBSEのメリットとデメリット
QCD（Quality、Cost、Delivery）全てに効果があるMBSEですが、具体的にはどのようなメリット・デメリットがあるのかをここでは紹介します。
メリット
統一されたモデルによる業務円滑化
MBSEは、一般的には標準的なモデリング言語であるSysML（Systems Modeling Language）を使用して開発されます。SysMLをベースに開発することで、製品の要求とアーキテクチャを一元的にモデル化し、開発プロセスがシンプルになります。この統一モデルにより、異なる領域やチーム間での円滑なコミュニケーションが可能になり、業務の統一性が向上し、QCD向上効果が得られるのです。
設計の正確性と一貫性
SysMLによるモデリングは、テキストベースの設計と違い正確性と一貫性がより強固なものとなります。例えば、要求図やユースケース図は設計の基盤となり、SysMLを使用することでバラバラな要求を構造化・整理し、関連性を明確にします。
こうして矛盾を排除されることで、QCDそれぞれの精度が高まります。
変更への対応力
MBSEは、開発途中での予測できない要求変更に迅速に対応する能力を向上させます。
それは、SysMLによる要求図を使用することで、要求の変更が発生した際に、影響を挙動として視覚的に捉えることが可能で、ドキュメントベースの開発よりも精緻に見積もり、修正が必要な要素を明確に把握できるためです。
設計の再利用性
SysMLを使用したMBSEは、要求やアーキテクチャをモデルで整理することで、既存のハードウェアやソフトウェアの流用や再利用が容易になり、開発効率が向上します。一度標準化されたモデリングは、設計図などを手で集めて全てが間違いなく揃っているか、内容が間違えていないかなどの手間が不要なため、より扱いやすいと言えます。
検証とシミュレーションの正確さ
モデルは実物よりも優れたテスト・検証が可能なため、検証やシミュレーションにおいて正確な情報を提供できることも、モデリング化の大きな利点です。
実物では素材が摩耗、変質することで繰り返せないテストや、環境再現の難しさから正確な検証が困難な場合があります。しかし、モデルならばコーディングによって何度でもテストが可能であり、多くの環境再現性が検証精度を向上させます。
デメリット
導入コスト
MBSEの導入には、新しいツールやトレーニングへの投資がかかせません。システム構築前に十分な計画が必要で、計画そのものが高度なスキルを必要とすることもあり企業にとって負担となります。特に小規模プロジェクトでは、導入コストがプロジェクトの利益を上回る懸念があります。
モデルの機能過剰化
MBSEでは適切なモデリングが鍵となりますが、複雑な要件を実現するためにモデルの機能が過剰になりがちです。過剰なモデルは必要以上に複雑なものとなり、開発現場での理解を妨げるなどプロジェクト進行そのものの弊害となりかねません。
メンテナンスコスト
モデルを主軸としたMBSEでは、変更が生じた際のモデルの更新や調整が欠かせません。これには追加の時間やリソースが必要で、メンテナンスコストが増加します。コストの中には、高い開発スキルを持ったエンジニアの雇用も含まれます。変更が頻繁するプロジェクトでは、メンテナンスコストを見極める為、人員を含めたコストの計画立案も必要です。
MBSE導入のポイントと必要なツール
MBSEは事業を成功に導くことを目的とした手法です。成功を前提としているならば、導入効果はより大きく、最大化させる必要があります。本項では導入におけるポイントを７つ紹介します。
要件定義
MBSEツールを選択する前に、まず要件の定義を行います。どのような機能や能力が必要か、制約事項は何か。要件が正しく、精緻であればあるほど最終的な成果物の品質は向上します。また、要件が明確でなければモデリング言語の選定に支障をきたし、チーム内共有ツールや解析ツールなど、以降の選定にも影響を与えます。
ユーザーインターフェース
使いやすく見やすいユーザーインターフェース（UI）は、学習コストを低減し、結果的に生産性を向上させるのに役立ちます。IBM Engineering Systems Design Rhapsody（ラプソディ）、No Magic Cameo Systems Modeler、Enterprise Architect、SysPhS（Systems Physical Modeling）などのMBSEツールがありますが、直感的で使いやすいインターフェースを選定することで円滑な開発が行えます。
モデリング言語
策定された要件定義の実現に最適なモデリング言語を選定します。MBSEツールはSysML、UML、MARTE、 など多くのモデリング言語のサポートをしています。モデリング言語にはそれぞれ得意とする機能や分野があるため、モデリング言語を熟知し選択する必要があります。
開発における共有機能をもつツール
多様なメンバーを擁する開発現場では、チームワークと協業性を高めるツールが欠かせません。モデルのバージョンごとに管理され、複数の開発者が同時に開発を矛盾なく行え、コードに対して確認者がコメント可能など、共有機能はMBSEプロジェクト進行における重要な要素です。前述したIBM Engineering Systems Design Rhapsody（ラプソディ）やNo Magic Cameo Systems Modelerなどにも、共有機能が備わっています。MBSEツールの中から、チームにあった最適な共有機能をもつツール選択をしましょう。
解析・シュミレーションツール
MBSEツールを選択する際には、利用可能な解析とシミュレーションの機能について決定する必要があります。ツールには組み込みの解析およびシミュレーション機能があるかどうか、他の解析およびシミュレーションツールと統合できるのかなどの確認は欠かせません。機能単体の性能はもちろんですが、互換性なども含めた選択が効果を高めます。
拡張性とパフォーマンス
開発が多岐に渡り多くの変更が必要になった場合は、MBSEツールの拡張性とパフォーマンスが、プロジェクトの成功を左右します。一例として、IBM Engineering Systems Design Rhapsody（ラプソディ）はプラットフォーム上に構築されており、Eclipseプラグインの導入が可能で、拡張性に比較的優れているといった特徴があります。しかし、どのプロジェクトでもその拡張性とパフォーマンスで十分とは言い切れません。プロジェクトに合ったツールを見極めることができるエンジニアが必要です。
ツールベンダーとサポート体制
MBSEツールを販売するベンダーと、サポート体制はツール選択材料の大きな要因です。ツールを売ったきり、導入したはいいが一切サポートがないのでは話になりません。また、ユーザー同士のコミュニティが活発であるかどうかも、異常時や改善の際には打開策となりえるため大切な要素です。
一例に過ぎませんが、IBM Engineering Systems Design Rhapsody（ラプソディ）やNo Magic MagicDrawといったベンダーにはユーザーコミュニティが存在し、ユーザー同士が情報を共有しあう場となっています。
MBSEの導入支援におすすめの会社 3選！
テクノプロ・デザイン社
テクノプロ・デザイン社では、モデルを用いた手法を適用し、効果的・効率的な開発を進められるような支援を展開しています。複数の技術領域が絡む開発案件について、MBSEを適用することで要件分析からシステム試験までを一気通貫して効率化を実現できます。
また、テクノプロ・デザイン社なら、自動車だけでなく例えば、農機や建機、物流、航空宇宙、医療など、実機が作りにくい領域、さまざまなシミュレーションが必要な幅広い領域に精通しています。
全国30か所以上の拠点によって迅速・綿密な対応が可能で、MBSEの支援においても強力なサポートが期待できます。
＜会社概要＞
| 本社 | 〒106-6135 東京都港区六本木6-10-1六本木ヒルズ森タワー35階 TEL: 03-5410-1010 / FAX: 03-5410-1011 |
| 問い合わせ | https://www.technopro.com/design/contact/ |
| 営業所・開発拠点 | 札幌、仙台、山形、郡山、つくば、水戸、宇都宮、群馬、千葉、埼玉、八王子、品川、三田、横浜、川崎、厚木、湘南、新潟、松本、甲府、静岡、浜松、豊田、名古屋、四日市、仮谷、富山、金沢、京都、大阪、神戸、姫路、広島、福岡、北九州、熊本 それぞれの住所、電話番号等はこちら |
| 事業内容 | AI、制御システム、機構・ハードウェア・ソフトウェアを中心とする技術領域における技術開発分野や商品開発分野への技術サービス、コンサルティングサービス |
株式会社 図研
図研の MBSE 推進プログラムでは、MBSE の目的設定、MBSE 基本スキルの習得、モデリングツールのトレーニング、そして MBSE と E/E 設計環境のコラボレーションによる実設計での活用支援を行って、どんなスタートからでも貴社が目指すゴールに向かってナビゲートします。
＜会社概要＞
| 本社 | 〒224-8585 神奈川県 横浜市 都筑区 荏田東 2-25-1 |
| 問い合わせ | https://www.zuken.co.jp/contact/ |
| 営業所・開発拠点 | 横浜、大阪、名古屋 それぞれの住所、電話番号等はこちら |
| 事業内容 | 製造業における製品設計・開発業務全体の高度化・最適化を支援する、各種ITシステムの開発・製造・販売や、コンサルティングサービスなど |
株式会社電通総研
MBSEを導入して組織全体として大きな効果を得るには、関係者が足並みを揃えて実践することが必要であるため、開発プロセス改革とセットで取り組むことが重要です。
株式会社電通総研は、開発の見える化や、開発プロセス再構築のコンサルティングを通じて、開発現場で実際に実践して効果を出すための具体的なアプローチや手段を提供しています。
＜会社概要＞
| 本社 | 〒108-0075 東京都港区港南2-17-1 |
| 問い合わせ | https://www.dentsusoken.com/contact |
| 営業所・開発拠点 | 大阪、名古屋、豊田、広島 それぞれの住所、電話番号等はこちら |
| 事業内容 | システムインテグレーション、コンサルティング、シンクタンクの機能連携による、社会や企業の変革を支援するソリューションの提供 |
まとめ
技術の進化と共に、モデリングを主軸としたMBSEの普及は加速し続けています。
MBSEの効果は絶大ですが、MBSEの導入には要件定義からツールの選定といった高い専門性が必要です。
テクノプロ・デザイン社では多角的なモデルベース開発支援サービスを提供しています。要件定義からモデリングまでのシームレスな設計をはじめ、MBSEの構築支援、モデルベース開発に関する人材育成やコンサルティング支援も可能です。お客様の課題に合わせたモデルベース開発支援をご提案いたしますので、ぜひお気軽にお問合せ・ご相談下さい。
