要求図

IAF 第６回情報・モデリング・運用WGセミナー
2015年2月9日（月）
システムズモデリング言語SysML
の活用
慶應義塾大学大学院システムデザイン・マネジメント研究科
教授
西村秀和
http: lab.sdm.keio.ac.jp/nismlab/
1
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
システムとは何か？

システム：
相互に関連し全体として機能するコンポーネントの集まり
ハードウェア，ソフトウェア，人，設備など複数のドメインで構成
環境
アクター
actor：行為者
（人とは限らない）
境界：boundary
Use Case１
Use Case 2
System of interest
？
System of interest
対象システム
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2
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
システムズエンジニアリングとは？
システムを成功裏に実現するための複数の分野にまたがる
アプローチおよび手段
コミュニケーションの重要性
IAFセミナー
3
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
システムズエンジニアリングとは？



システムズエンジニアリングの定義
 システムを成功裏に実現するための複数の分野にまたが
るアプローチおよび手段
システムズエンジニアリングでは、開発の初期段階で顧客の
ニーズを明確化し、機能要求を定義し、関連する問題をすべ
て考慮しながら設計のための総合とシステムの妥当性確認
を進める。
システムズエンジニアリングは、ユーザーニーズに合致した
品質の製品を供給することを目的とし、ビジネスとすべての
顧客の技術的要求を考慮する。

INCOSE: International Council on Systems Engineering
IAFセミナー
4
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
システムズエンジニアリング
「要求」と「アーキテクチャ」
要求の２つの鉄則
機能要求：“どのように要求を実現するか？”の前に
“何をするのか？”，“なぜそれが必要か？”を明確にする。
システム要求：“測定可能”, “テスト可能”

アーキテクチャの３つのビュー
Operational view：システムの使い方、動かし方
高抽象度低

Functional
Physical
view：システムへ要求される機能
view：機能を実現するハードウェア、ソフトウエア
Architecting: the art and science of designing and building systems.
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5
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
エンティティV:ビューの位置づけ
利害関係者の要求
アーキテ
クチャ
概念設計，アーキテクチャ
の選定，設計に向けた仕様
Mechanical CAD
Electronic CAD
Program code
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見込み調査，
リスク調査
② Functional view 製作，コード
MATLAB/Simulink
化に向けた
③ Physical view 仕様
Verification and
Validation Planning
Verification
Planning
購入，製作，
コード化
解決策の達成
6
運用
妥当性確認
妥当性確認の計画
検証
検査，テスト，
実証，分析
検証
検査，テスト，
実証，分析
不具合調査
Entity要求の定義
製造，
試験，検証
Customer Confirmation
① Operational view
SysML
詳細設計
Customer
Confirmation
抽出
概念設計
Customer
Confirmation
要求の
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二元V字開発モデル (Dual Vee Model)
要求を満足する
システムの完成
Architecture Vee
利害関係者
の要求
Entity Vee
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
二元V字モデルによるプロセスの理解
Architecture Vee
利害関係者
の要求
早い段階での
手戻り
要求を満足する
システムの完成
Entity Vee
アーキテクチャの検討，
決定では，サブシステ
ムやコンポーネントの
実現可能性を検討しな
がら進めることがある．
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8
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
二元V字モデルによるプロセスの理解
Architecture Vee
要求を満足する
システムの完成
致命的な
手戻り
利害関係者
の要求
Entity Vee
コンポーネント，
サブシステムの
検証，妥当性確認
を順序行い，システム
としての検証，妥当性
確認を行って行く．
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
エンティティV : 検証と妥当性確認
利害関係者の要求
詳細設計
Customer Confirmation
Entity要求の定義
アーキテクチャの
選定とシステム仕様
製作，コード
化に向けた
仕様
試験，検証
製造，
運用
妥当性確認
シナリオ
妥当性確認のHuman in
the Loop
計画
Simulation
検証
検査，テスト，オフノミナル
実証，分析
HILS/SILS
検証
ノミナル
検査，テスト，
実証，分析
Verification and
Validation Planning
Customer
Confirmation
抽出
アーキテ
クチャ
概念設計
Customer
Confirmation
要求の
Verification
Planning
購入，製作，
コード化
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
IEEE 1220 systems engineering process
SEプロセスへの入力
要求と制約の矛盾
要求の分析
要求のトレードオフ
と影響
要求の基準
要求の
妥当性確認
確認された要求の基準
分解と要求の割り当に
関する候補
機能の分析
分解割り当ての
トレードオフと影響
機能アーキテクチャ
機能の検証
検証済み機能アーキテクチャ
要求の
トレードオフ
分析と評価
システム解析
機能の
トレードオフ
分析と評価
設計解の要求と候補
総合
設計解の
トレードオフと影響
物理アーキテクチャ
設計の検証
設計の
トレードオフ
分析と評価
検証済み物理アーキテクチャ
統制
SEプロセスの出力
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
“モデルベースでシステムを考える”とは？

モデル＊に基づくシステム開発




仕様書など文書だけではすぐに理解できないことが、図的
に表現することで理解が容易になる。
協働してシステム開発をするには、共通言語が必要であり、
それをサポートするには図的な言語が有効である。
モデルを再利用することにより開発の効率化が期待できる。
モデルを用いて抽象度を上げることにより革新に導く。
＊注：実行可能ではないモデルを含む
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
システムモデルの記述

システムモデル表記法：SysML（Systems Modeling Language）
 システムを構造，振る舞い，要求，パラメトリック制約の観
点で図的に表現することができる。
 図的表現により、開発者の思考を支援できる。
 複数のドメインにまたがる開発、分業化された開発環境で、
共通言語として利用できる。
 システム開発プロセスの中で要求のトレーサビリティが確
保される。
 構成管理、変更管理が容易になる。ーあるサブシステムや
コンポーネントの要求の変更や設計の変更が生じた際に、
他のサブシステムやコンポーネントにどのような影響が及
ぶかを判断できる。
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
モデルベースシステムズエンジニアリング
の海外動向








MBSE wiki
http://www.omgwiki.org/MBSE/doku.php?id=start
最新のMBSEアクティビティと応用
MBSE関係者とのネットワークづくり
MBSE Workshop at INCOSE IW 2014
http://www.omgwiki.org/MBSE/doku.php?id=mbse:incose_mbs
e_iw_2014
MBSE Workshop at INCOSE IW 2013
http://www.omgwiki.org/MBSE/doku.php?id=mbse:incose_mbs
e_iw_2013
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
実行可能なシミュレーションモデル
文書化と文書管理
形式の変換
コスト分析
リスク分析
要求管理
要求分析
システム
分析的な
アーキテクチャ
統合
High Fidelity
Simulations
忠実度の高い
シミュレーション
最適化
視覚化
物理設計（3D CAD）
PDM:
Product Data
Management
部品表（BOM）
サプライチェーンマネジメント
Christopher Oster, Lockheed Martin Corporationの資料より改変
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
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15
正しいシステムを得ること






「正しい要求」＋「正しいインタフェース」
→ 「正しいコンポーネント」
正しい要求 ←整合→ 要求のモデル
正しいインタフェース ←整合→ インタフェースのモデル
正しいコンポーネント ←整合→ コンポーネントのモデル
シミュレーションモデル：「要求のモデル」をサポートする。
正しいシステム←整合→ シミュレーションモデル
→ 仕様を正しく得る。
Ron Carson, MBSE Implementation Across Diverse Domains at The Boeing Company
より改変
IAFセミナー
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
SysMLで何ができるのか？

システムを構成するサブシステムに対する機能要求とその振
る舞いを把握できる。

設計変更があった場合にも、要求のトレースが可能なため、
その影響を容易に把握できる。
SysMLを用いることで、開発者の思考を支援し、ドメインをまた
がる協働作業が可能となる。


コンカレントデザインを促進するフレームワークが実現可能と
なる。ただし、組織の硬直化などが弊害となり得る。
参考資料：システムズモデリング言語 SysML （A Practical Guide to SysML翻訳本)

西村秀和（監訳）

訳者：白坂成功，成川輝真，長谷川堯一，中島裕生，翁志強

著者：Sanford Friedenthal, Alan Moore, Rick Steiner
出版社：東京電機大学出版局（2012年5月10日）

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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
SysMLのダイアグラムは，互いに関連している。
→ 設計変更があった場合にもその影響を容易に把握できる。
構造
要求
ibd
req
act
par
振る舞い
パラメトリック
制約
・数式表現
・運動方程式
・パラメータによる
性能評価
など
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
SysMLを用いた協働作業
システムモデル
振る舞い
構造
要求
パラメトリック
要求・仕様
要求・仕様
設計・統合
設計・統合
ハードウェアモデル
ソフトウェアモデル
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
コンカレントデザインを促進するフレームワーク
システムモデル
トレーサビリティ
根拠
外部からの
解析
振る舞い
構造
要求
解析モデル
ダイナミクス
解析
システム
仕様書
性能
評価
ビュー
ポイント
要求
パラメトリック制約
制御システム
解析
1D-CAEなど
製品データ管理
（PDM）
・部品表（BOM）
・物理設計（CAD）
IAFセミナー
ハードウェア
設計モデル
電気回路
設計モデル
20
ソフトウェア
設計モデル
テスト方法
テストモデル
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
SysMLダイアグラムの分類
SysML: Systems Modeling Language
ユースケース図
シーケンス図
振る舞い図
アクティビティ図
状態機械図
SysML
要求図
ダイアグラム
ブロック定義図
パラメトリック図
構造図
内部ブロック図
パッケージ図
IAFセミナー
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Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
SysMLによるMBSEのサポート
システム仕様の決定 ← 以下の活動の反復

ブラックボックスのシステム要求の取得と分析（コンテキストレベル）








要求管理ツールでの文書ベースでの要求の獲得
SysMLモデリングツールへの要求のインポート
システムのユースケースからシステムレベルでの機能の特定
ユースケースと要求間のトレーサビリティの獲得
ユースケースシナリオの実現：アクティビティ図，シーケンス図，状態機械図
システムコンテキスト図の創出
システム検証をサポートするシステムのテストケースの特定
要求を満たすシステムアーキテクチャ候補の開発



ブロック定義図を用いたシステムの分解
アクティビティ図またはシーケンス図を用いたパート間の相互作用の定義
内部ブロック図を用いたパート間の相互接続の定義
IAFセミナー
22
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
SysMLによるMBSEのサポート（続き）

所望のアーキテクチャの評価と選択のためのエンジニアリング解析と
トレードオフ分析の実行



コンポーネント要求の規定とシステム要求に対するコンポーネント要求の
トレーサビリティの規定



性能，信頼性，コスト，その他の重要なプロパティの分析をサポートするための
パラメトリック図を用いたシステムプロパティの制約の獲得
システムプロパティの予算を決定するためのエンジニアリング解析の実行
（通常，別のエンジニアリング解析ツールで行われる）
アーキテクチャにおける，各コンポーネント（ブロック）のための機能要求，イン
タフェース要求，性能要求の獲得
システム要求へのコンポーネント要求のトレース
システムレベルでのテストケースの実行→システム設計に関する要求の
充足の検証
IAFセミナー
23
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
SysML-Liteとは？

SysMLの9つのダイアグラムの内、6つのダイアグラム、パ
ッケージ図、要求図、アクティビティ図、ブロック定義図、
内部ブロック図、パラメトリック図を用いてシステムモデ
ルを記述する考え。
ユースケース図
振る舞い図
SysML
ダイアグラム
要求図
構造図
IAFセミナー
シーケンス図
アクティビティ図
状態機械図
24
ブロック定義図
パラメトリック図
内部ブロック図
パッケージ図
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
機能の明確化とインタフェース（１）



コンテキストレベルでの外部システムとのインタフェース
システムのユースケース（使われ方、動作）を考える。
シーケンス図による記述パート間の相互作用
機能を記述するユースケースをシーケンス
外部
図で記述し、システムの機能の抽出を行う。
システム
システム
↓
・システムは、外部システムから
メッセージ
メッセージを受けるという機能１をもつ。
自己
（相互作用）
メッセージ・システムは、自己メッセージを処理する
という機能２をもつ。
次に、抽出された各機能を実現する
シーケンスを考える。
IAFセミナー
25
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
機能の明確化とインタフェース（２）


システムの分解を検討する。
ブロック定義図
・サブシステム2はサブシステム1から
同期メッセージを受け、自己メッセー
ジを処理する。
・サブシステム2はサブシステム1に
メッセージを返信する。
システム
サブシステム１



サブシステム２
サブシステム１
機能１, 2を実現するシーケンスを検討
サブシステム間の相互作用を明確
にする。
各サブシステムの生存線上にそれ
ぞれの機能が抽出される。
IAFセミナー
26
サブシステム２
同期メッセージ
返信メッセージ
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
機能のコンポーネントへの割り当て


アクティビティ図でさらに信号のフローを検討する。
コンポーネントとインタフェースを明確化する。
サブシステム
スイムレーイン or アクティビティ区画
サブシステム
2-1
サブシステム 1
サブシステム
2-2
開始ノード
パラメータ 1
アクション
1－1
アクション
2－1
制御フロー
アクション
1－2
オブジェクトフロー
ピン
アクション
2－2
パラメータ 2
IAFセミナー
アクティビティ
終了ノード
27
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
ブロック定義図

シーケンス図とアクティビティ図での検討により、サブシ
ステム2は、サブシステム2-1, 2-2に分解された。
システム
サブシステム1
サブシステム2
サブシステム
2-1
IAFセミナー
28
サブシステム
2-2
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
内部ブロック図

内部ブロック図によるコンポーネント間のインタフェース
の記述
[サブシステムの内部構造]
サブシステム2
サブシステム
2-1
サブシステム1
サブシステム
2-2
IAFセミナー
29
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
要求の詳細化とトレーサビリティの確保
<<Requirement>>
対象システムの要求
対象システムはxxの状況で、△△へ○○すること。
＋
<<Requirement>>
R1
<<Requirement>>
R2
外部システムがxxの
状況で○○すること。
△△に対応すること。
<<derived>>
<<derived>>
<<derived>>
<<Functional Requirement>>
機能要求1
<<Functional Requirement>>
機能要求2-1
<<Functional Requirement>>
機能要求2-2
<<satisfy>>
<<satisfy>>
<<satisfy>>
<<block>>
サブシステム1
IAFセミナー
<<block>>
サブシステム
2-1
30
<<block>>
サブシステム
2-2
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
SysMLの活用で見えてくること

システムをモデルで表現する。
 構造／振る舞い／要求／パラメトリック制約

- What – そもそも、何をしなければならないのか？
革新に導く。
オペレータや外部システムとの相互作用の明確化
 サブシステム間のインタフェース
 最適化“問題”やトレードオフ“問題”の設定・定義
アーキテクチャと仕様決定までの要求のトレース


IAFセミナー
31
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
エレベータに対する要求（例）

エレベーターは、ビルの各階から“コール（呼び）”を受けるこ
と。（入力に関する要求）

エレベーターは、想定される乗員に対して、エレベーターを呼
んでいることを表示すること。（出力に関する要求）

エレベーターは、緊急コールに対してビルにある標準電話を
利用すること。（外部インタフェースに関する要求）
The Engineering Design of
Systems, - Models and Methods -,
2nd Edition, Dennis M. Buede,
John Wiley & Sons, Inc.
IAFセミナー
32
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
ユースケース図
IAFセミナー
33
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
シーケンス図（コンテキストレベル）
IAFセミナー
34
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
シーケンス図（コンテキストレベル）
IAFセミナー
35
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
コンテクストレベルでの機能分析
エレベータシステムの機能
IAFセミナー
36
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
ユースケース「ドアを開く」
→シーケンス図
IAFセミナー
37
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
アナリシスレベル01での機能分析
エレベータコントローラの機能
IAFセミナー
38
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
ブロック間のインタフェース
IAFセミナー
39
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
要求を詳細化したユースケース → テストケース
詳細化
IAFセミナー
40
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
サブ機能「エレベータを呼ぶ」
IAFセミナー
41
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
サブ機能「目的階に移動する」
IAFセミナー
42
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
サブ機能「ドアを開く」
IAFセミナー
43
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
サブ機能「ドアを閉じる」
IAFセミナー
44
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
ブロック定義図（アナリシスレベル）
IAFセミナー
45
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
エレベータシステムの状態機械図
IAFセミナー
46
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
ブロック定義図：フロアでのエレベータ待ち時間
IAFセミナー
47
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
パラメトリック図：
フロアでのエレベータ待ち時間
IAFセミナー
48
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
まとめ

複数のドメインで構成されるシステムを設計するために、MBSE
（モデルベースシステムズエンジニアリング）の活用が重要であ
ることを述べた。

モデルを用いたシステム開発では、システムモデルの記述に
際して、
構造／振る舞い／要求／パラメトリック制約
の４つの柱で考えることが重要である。
SysMLはこれをサポートしている。
SysMLの適用手順を概説するとともに、エレベータ開発の事例
を紹介し、MBSEで思考する過程を示した。

IAFセミナー
49
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.
参考文献

Systems Engineering Handbook Ver.3.2, INCOSE, 2010

Visualizing Project Management, Third Edition
Kevin Forsberg, Hal Mooz, Howard Cotterman, John Wiley & Sons, Inc.

IEEE 1220: For Practical Systems Engineering, Teresa Doran


http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1631953&userType=inst
システムズモデリング言語 SysML（A Practical Guide to SysMLの翻訳本）
西村秀和（監訳），白坂成功，成川輝真，長谷川堯一，中島裕生，翁志強，
東京電機大学出版局，2012

The Engineering Design of Systems, - Models and Methods -, 2nd Edition
Dennis M. Buede, John Wiley & Sons, Inc.

The Art of Systems Architecting, Second Edition, Mark W. Maier, Eberhardt Rechtin, CRC
Press, 2002

MBSE wiki: http://www.omgwiki.org/MBSE/doku.php?id=start

複雑化する統合システム（SoS）の開発方法論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/SEC：http://www.ipa.go.jp/sec/reports/20130823.html
IAFセミナー
50
Copyright©2014 Hidekazu Nishimura.

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