モデルベースシステムズエンジニアリング（MBSE）について

モデルベースシステムズエンジニアリング（MBSE）は、ドキュメント中心のシステムズエンジニアリングとは対照的に、情報、フィードバック、要件を交換する主要な手段として、デジタルシステムの利用とエンジニアリング領域のデジタルモデルに焦点を当てた手法です。これには、システムを表すデジタルモデルが、システムのライフサイクル全体にわたって調整および共有、維持するための全プロセスが含まれます。

1990年代以前は、システムズエンジニアリングの設計とは、システムがどのように動作するかを示す図面、図、数式、要件、およびその他の仕様を含む、多数の関連ドキュメントであることがほとんどでした。しかし、その頃には、プロジェクトがあまりに大規模になり、分断されたドキュメントに依存するのは限界を迎えるようになりました。以下のような問題が生じました。

• システムの概念の発展にあわせた設計仕様の維持: たとえば、1つの寸法を変更した場合、大量のドキュメントをすべて調べ、その変更内容をすべてのドキュメントに適用する必要がありました。もし他にコピーが存在する場合は、すべてのコピーまで変更することは不可能でした。
• 解釈の差: 2人のエンジニアが同一の仕様書を読んだとき、記述された用語や表現の曖昧さを考えると、別の意味に捉える可能性は十分にあります。
• 検証可能性: モデルのある段階で実行された計算内容が、後の工程で別の計算の入力として使用される前に、エラーがないことを保証する術がありませんでした。

MBSEは、変化しないドキュメントをインテリジェントなデジタルモデルに置き換えるために開発されました。このモデルには、要件、アーキテクチャ、システムの各部分間のインターフェースシステムに関する重要なすべての情報が含まれています。紙のドキュメントをフォルダに整理するのとは対照的に、これらのデジタルモデルはデジタルスレッドで接続し、それを辿れば設計全体を理解できます。

全体にわたるシステムアーキテクチャモデル（SAM: Systems Architect Model）は、プロジェクトに取り組むすべての人にとって信頼できる唯一の情報源として機能します。このデジタルモデルは一元的に保存されるため、プロジェクトに関わるすべてのエンジニアがアクセスできますが、それ単独では変更することはできず、信頼できる唯一の情報源として保持されます。加えられた変更は自動的にモデル全体で更新され、ソフトウェアによって内部の一貫性と精度がチェックされます。

MBSEのコアコンポーネント

MBSEは、次の3つの主要コンポーネントに依存しています。

1. SAM。システムの物理的および機能的なアーキテクチャを記述するために、接続された一連のブロックダイアグラムによって、設計されるシステムが表されます。また、要求される品質や実行しなければならない機能の包括的なリストも含まれています。SAMは専用のソフトウェアプログラムを使用して作成され、システムアーキテクチャを記述するための専用の言語を使用します。
2. エンジニアリングシミュレーションソフトウェア。SAMは、コンピュータ支援設計（CAD）図面と似ています。システムを詳細に表していますが、システムが要件を満たしているかどうかをSAMだけで判断する方法はありません。そのため、SAMをエンジニアリングシミュレーションと組み合わせる必要があります。たとえば、設計する航空機が6Gに耐える必要がある場合、エンジニアは航空機の設計をシミュレーションして、その条件に耐えられるかどうかを確認する必要があります。複雑なシステムでは、エンジニアが構造、流体、電磁界、組込みソフトウェア、安全性、サイバーセキュリティなど、さまざまなタイプのシミュレーションソルバーを実行する必要があるため、さまざまなタイプのシミュレーションツールを使用できることが重要です。
3. 集中型の計算センター。この集中型の計算センターには、会社の施設内またはクラウド内など、場所を問わず、SAMと実行可能なソフトウェアが含まれています。MBSEプロセスのすべての機能を実行し、すべての結果を格納します。

AnsysのツールによるMBSE環境の実現

MBSEでは、SAM、CAD、およびCAEシミュレーションツールを組み合わせることで、すべてのモデルとエンジニアリングデータをリンクするデジタルスレッドが作成されます。これは設計サイクルの早い段階で行われ、製品運用ライフサイクル全体を通して機能し続けます。変更が加えられると、デジタルスレッドによって、1つのモデルに対する更新がシステム内のすべてのモデルに自動的に転送されます。

Ansysは、リアルタイムのコラボレーションをサポートし、他のAnsys MBSEツールとの緊密な統合を可能にする、ゼロから構築されたSysMLv2クラウドベースのSAMを提供しています。また、要件管理やPLMツールなどのサードパーティツールと統合できる機能をフルに備えたアプリケーションプログラミングインターフェース（API）も含まれています。Ansys MBSEツールは、エンジニアリングシミュレーションソフトウェアとSAMとの間の接続をもたらし、エンジニアは設計を仮想的に検証できるようになります。そのため、構造、流体、電磁界、安全性、組込みソフトウェアシミュレーションを含むデジタルモデルを使用したプロジェクトに取り組む場合、モデルベースシステムズエンジニアリングソフトウェアのAnsys ModelCenterを使用して、以下からデータを収集してオペレーションを調整できるようになります。

• 構造の有限要素法解析（FEA）ソフトウェアのAnsys Mechanical
• 流体シミュレーションソフトウェアのAnsys Fluent
• 高周波シミュレーションソフトウェアのAnsys HFSS
• システム指向の安全分析ソフトウェアであるAnsys medini analyze
• 組込みソフトウェア製品のコレクションであるAnsys SCADE

ModelCenterは、これらのシミュレーションツールをSAMに接続して、シミュレーションに対応したMBSEを実現します。ModelCenterは、オープンなエコシステムを提供するというAnsysの取り組みに沿う、ベンダーに依存しないソリューションであり、他のソフトウェアベンダーのシミュレーションツールも含め、ワークフロー内であらゆるシミュレーションツールの実行を自動化できます。

設計サイクルが進み、製品設計が改善されるにつれて、エンジニアはAnsysのMBSEテクノロジーを使用して、設計時のシステムが指定された要件を満たしているかどうか、または変更が必要かどうかを評価できます。要件またはSAMに変更が加えられた場合、結果が仕様を満たすまで手順全体を繰り返すことができ、設計が製品寿命にわたって意図したとおりに機能することを確認できます。これらの要件が満たされた後にのみ、チームは設計の物理プロトタイプを作製して実機試験を行います。

MBSEの価値は、開発の早い段階および設計ライフサイクル全体の両方で、より良い意思決定を行えることです。ステークホルダーが問題を早期に特定できるほど、修正は容易で、修正にかかるコストを抑えることができます。

MBSEは、統制が取れたシステムズエンジニアリングアプローチを可能にすることで、要件から廃棄までの価値を提供します。信頼できる唯一の情報源に対してデジタルモデルの検査、検証、妥当性確認を行うことができ、モデルの内部的な一貫性を確保して、納期、産出高、売上高と純利益の両方を向上させることができます。

MBSEの例: 高性能な航空機設計

たとえば、空軍が1回の燃料供給で3,000マイルを飛行できる新しい航空機を設計するために入札したとします。従来の方法で航空機を設計、製造、テストすることも、モデルベースのアプローチを使用することもできます。

この複雑な新しい航空機を設計する際にMBSEアプローチを使用する場合は、まず、航空機のすべての重要な要件を文書化したSAMを作成します（1回の燃料供給で3,000マイルを飛行できる必要があるという要件を含む）。次に、SAMを使用して、システムアーキテクチャ、目的の動作、システムコンポーネント間のインターフェース、その他の仕様など、目的の設計を記述します。この時点で、シミュレーションを使用して、記述した設計がすべての物理的要件や動作要件を満たしていることを確認します。これらのシミュレーションには、空力特性を検証するための流体シミュレーション、機械的強度を検証するための構造シミュレーション、通信機器の機能を検証するための電磁界シミュレーションなどが含まれます。

より複雑なミッションの場合は、デジタルミッションエンジニアリングソフトウェアを使用して、最新の航空宇宙および防衛（A&D）ミッションの複雑なSoS（システムオブシステムズ）構造をシミュレーションできます。デジタルミッションエンジニアリングは、航空宇宙および防衛、通信、インテリジェンスアプリケーションのためのデジタルモデリング、シミュレーション、テスト、解析を組み合わせて、システムのライフサイクルのあらゆる段階でのミッションの成果を評価します。たとえば、これらのミッションでは陸、海、空、また宇宙に配備した数百もの兵器システムを展開することもあるため、それらすべてが通信を確立し、連携しながら運用できることが必要です。デジタルミッションエンジニアリングシミュレーションにより、エンジニアや軍関係者は物理ベースのシミュレーションを使用して、複雑なミッションを仮想的に実行できるため、ミッションの信頼性が高まります。

実例として、Lockheed Martin Space社はModelCenterを使用してMBSEを実行し、タッチアンドゴーオペレーションで小惑星のサンプルを回収することをミッションとしたOSIRIS-REx宇宙探査機のミッション軌道をシミュレーションしました。

Lockheed Martin Space社のシステムズエンジニアであるPhathom Athena Donald氏は、次のように述べています。「シミュレーションを自動化してこのシステムモデルに統合することで、チームはミッション要件の変更に伴う潜在的な問題を迅速に特定し、宇宙探査機のライフサイクル全体を通じて要件とミッション設計パラメータの継続的な検証を実行できます。元のプロセスと比較した全体的な改善は、所要時間が約7分の1に短縮されたことです。」

米国国防総省でMBSEの採用を推進

MBSEへの最大の後押しは、2023年に米国国防総省（DoD: Department of Defense）が発行したDoDI 5000.97です。これは、デジタルエンジニアリングの実装を標準化し、米国の防衛および兵器システムに関連するすべての提案の要件としてMBSEを形式化することを目的とし、次世代航空支配戦闘機（NGAD: Next Generation Air Dominance）、将来型垂直離着陸機（FVL: Future Vertical Lift）、海軍のデジタル造船イニシアチブなどの計画で積極的に採用されています。この指令により、主にプロジェクトの遅延やコスト超過を回避するための手段として、A&D分野はMBSEの最大の支持者となっています。

しかし、A&D分野がこの動きの先頭に立つ一方で、他の分野も急速に追いついています。自動車業界では、複雑な自動運転車の課題に対するソリューションを追求しており、MBSEも急速に採用されています。また、半導体、医療機器、代替エネルギー、スマートグリッド、5G通信といった他の分野でも複雑さが増すにつれて、MBSEの採用が加速する可能性があります。

Ansysのデジタルエンジニアリングソリューションの詳細については、こちらをご覧ください。