フォワードデザイン積層造形全体ソリューションにおけるシステムエンジニアリングとMBSEの応用

著者: ドゥアン・ハイボ

モデルベースシステムエンジニアリング手法の適用は、既存の原子力モデルの研究開発プロセスと設計モードに大きな影響を与え、プロジェクト管理、技術管理、リスク意思決定などに根本的な変化をもたらします。そのため、自社の研究開発特性や将来の開発ニーズを踏まえた長期開発計画を策定する必要があります。

減法製造や等方性製造と比較して、積層製造は新しい製造・加工方法であるだけでなく、新たな産業革命において人類の生産とライフスタイルを変える重要な原動力と破壊的技術システムでもあります。この破壊的な性質は、この新しい製造プロセスがもたらす多くの利点に加えて、単一の装置であらゆる複雑な形状の部品を迅速かつ正確に製造できること、部品と処理ステップの数を大幅に削減できること、処理サイクルを短縮できること、原材料を節約できること、エネルギー消費を削減できること、さらに重要なことに、構造設計、高性能材料の準備、複雑な部品製造の統合を実現し、マクロ的な構造設計とミクロ的な材料の準備に革命的な変化をもたらすことに反映されています。その破壊的な性質は、製造やサービス面だけでなく、デザイン面にも反映されています。その背後にある付加的な思考は、自由を解放し創造性を刺激するデザイン革命をもたらすでしょう。これを踏まえ、アンセムアジアパシフィック（以下、アンセムアジアパシフィック）は、新たな状況下でのフォワードデザインの源泉を明らかにし、新たな定義を与えました。それは、システムエンジニアリングを枠組みとし、付加的な思考と技術を中心として、人工物理システムの改良設計、独創的な設計、技術研究開発を目的とした設計活動、方法、ソリューションコンサルティングシステムであり、人工物理システムの統合設計と製造能力、企業の自主的な革新能力、さらには企業と社会の持続可能な開発能力を高めます。

フォワードデザインと積層造形をベースにしたハイエンドR&Dおよび先進製造向け全体ソリューション（以下、全体ソリューション）の技術アーキテクチャを図1に示します。この技術アーキテクチャの効果的な運用を保証するソリューション全体の論理アーキテクチャを図 2 に示します。材料設計、プロセス、製造の各専門職に分かれた線形の 1 次元ツリー型組織構造は、アプリケーション指向と市場指向の主要ビジネスとその他の共通基本ビジネスで構成される 2 次元マトリックス組織構造に拡張されます。

図 1 フォワードデザインと積層造形に基づくハイエンド R&D と先進製造のための全体ソリューションの技術アーキテクチャ図 2 フォワードデザインと積層造形に基づくハイエンド R&D と先進製造のための全体ソリューションの論理アーキテクチャシステムエンジニアリングとモデルベースシステムエンジニアリング (MBSE) の方法、プロセス、ツールは、この全体ソリューションの重要なコンポーネントであるだけでなく、この全体ソリューションのアーキテクチャとプロセスシステムの開発において、システムサイエンスとシステムエンジニアリングのフレームワーク、方法、プロセスがトップレベルのフレームワークでガイド役を果たします。さらに、この全体ソリューションの実装において、システムエンジニアリングと MBSE の方法、プロセス、ツールは、フォワード開発能力の成熟度を向上させる役割を果たします。

全体的なソリューションアーキテクチャの開発におけるシステム科学とシステムエンジニアリングの応用

1980年代初頭から、銭学森はシステム観点の指導の下、現代科学の全体システムと各分野のアーキテクチャを探求し、「4つのレベルと1つの橋」の分野システムの存在論的枠組み（図3）を提案し、それを11の主要な分野に分割しました。つまり、工学技術レベルの学問は、客観世界を直接変革するための知識を提供し、技術科学レベルの学問は、工学技術を導くための理論を提供し、基礎科学レベルの学問は、技術科学を導くための理論を提供し、その後、対応する哲学理論を通じて、哲学レベルに上昇し、哲学の指導を受け入れることになります。

図3現代の科学分野のオントロジーフレームワーク全体のソリューション技術アーキテクチャの設計は、上記の「4つのレベルと1つの橋」の現代の科学分野システムのオントロジーフレームワークを指します問題解決の理論（TRIZ）と技術の革新と管理、トポロジの最適化、エンジニアリングシミュレーション、および知識エンジニアリング。エンジン、自動車、金型など）、産業チェーンのソリューションシステム（起業家、消費者、医療、高等教育や職業訓練などの公益事業、文化的および創造産業、建築など）、および工業化と情報化のための製品システム（プロセスと材料機器、ソフトウェアツール、プラットフォームなど）。

この存在論的枠組みでシステムの含意を再検討すると、次のように結論付けることができます。技術科学の観点から見ると、システムは相互に制約された部分で構成される特定の機能を備えた全体です (Qian Xuesen)。基礎科学の観点から見ると、システムは相互に連結され相互作用する要素の複合体です (Bertalanffy)。哲学の観点から見ると、システムは特定の特性を持つ関係、または任意のオブジェクトに見られる関係の属性です (Uyomov と Min Jiayin)。基本的に、あらゆるシステムは、要素とそれらの間の関係という 2 つの側面で構成されます。近代科学の学問体系をシステムとして捉え、そのシステムに対する哲学的レベルの見方と基礎科学レベルの見方を適用することで、近代科学の学問体系の2次元的な見方を得ることができる（図4）。その中で、要素の範囲に若干の制限を加えると、ある種の物事を研究する学問、つまり図の横軸の学問が得られます。関係の種類に若干の制限を加えると、いくつかの学際的な学問、つまり図の縦軸の学問が得られます。第一象限の 2 つの座標軸によって形成される座標系の各交点は、すでに学際的な学問である可能性があり、つまり「科学の糸が科学の布に織り込まれている」のです。

図4 システム内包の観点から現代科学分野システムの全体的ソリューションの論理フレームワークの設計は、研究対象の分野と研究関係の分野が一緒に科学的な布を織り込むことができるという銭学森の考えにも基づいており、この考えに基づいて、全体的ソリューションにおけるシステム科学、システム工学、数学のバックボーンの役割を重視しています。同時に、この論理的枠組みは、先進的な欧米企業の研究開発モデルとも一致しています。

さらに、ソリューション全体の論理アーキテクチャの設計は、技術アーキテクチャの保護機能とサポート機能も満たす必要があります。全体的なソリューションの 2 つのアーキテクチャの相互関係は、システムエンジニアリングライフサイクルステージモデル (図 5) におけるライフサイクルの各ステージでの対象システムとそれを実現するシステム間の相互作用から導き出されます。つまり、全体的なソリューションの技術アーキテクチャが対象システム (つまり、図 5 の対象システム) と見なされる場合、全体的なソリューションの論理アーキテクチャ内の機能モジュールは、技術アーキテクチャの各ライフサイクルステージに対応し、対応する保証とサポートを提供します。

図5: システムとその有効化システムのライフサイクルステージモデルから技術アーキテクチャまでの全体的なソリューションの論理アーキテクチャのサポート
総合ソリューションプロセスシステムの開発におけるシステムエンジニアリングの応用<br /> 全体的なソリューションにおけるエンジニアリング技術層の中核である、システムエンジニアリングに基づく積層造形のための製品材料とプロセスの統合設計方法論は、フォワード設計プロセスシステムによってサポートされています。このプロセスシステムはシステムエンジニアリングに基づいています。つまり、システムエンジニアリングの技術プロセスグループ、技術管理プロセスグループ、プロトコルプロセスグループ、組織プロジェクト有効化プロセスグループ (図 6) の下にある各プロセスは、フォワードデザインと積層造形に基づくハイエンドの R&D と高度な製造のさまざまなシナリオでインスタンス化されます。

図6 システムエンジニアリング関連の標準およびガイドラインで規定されている標準プロセス全体的なソリューションの3つの主要目標、つまり人工物理システムの設計と製造の統合能力、企業の独立したイノベーション能力、さらには企業と社会の持続可能な開発能力の向上を検討します。高から低まで、エンタープライズシステムエンジニアリング、製品システムエンジニアリング、個別システムエンジニアリングの3つのレベルと、マクロ、メソ、ミクロの3つのスケールにまたがっています。したがって、このプロセスシステムを管理するには、レベル間およびスケール間のフレームワークモデルが必要です。筆者はホールモデルを修正、拡張、抽象化し、知識次元を認知次元に、時間次元をシステム次元に変更し、上記3次元に時間の概念を導入することで、3次元の矢印が実用的なビジネス上の意義を持つようにし、リーンR＆Dのための3次元システムエンジニアリングモデルを提案した（図7）。これにより、従来のドキュメントベースのホールモデルシステムエンジニアリングの2次元アクティビティマトリックスで構成されるフェンスウォールグリッドが、システムのライフサイクル全体、システムエンジニアリング技術ドメインの全プロセス、および企業の知的資産バリューチェーンの全プロセスにまたがるフォワードデザインの3次元コラボレーションスペースに拡張され（図8）、全体的なソリューションのプロセスシステムの管理フレームワークが提供される。このプロセスシステムは、図 8 に示す前方設計の 3 次元空間のすべての次元、レベル、コーナーを満たします。

図 7 リーン R&D 3 次元システムエンジニアリングの抽象モデル図 8 リーン R&D 3 次元システムエンジニアリングモデルのフレームワークの下での前方設計の 3 次元空間システム次元に関する主なプロセス、つまり、システムライフサイクルステージモデルとその関連管理プロセスは、組織が正しいことを行うことを保証します。これは、外部の顧客に直面し、顧客に提供される製品またはサービスに焦点を当てた物質的な次元です。図6は、システムエンジニアリングプロセス内の組織プロジェクト有効化プロセスグループの下にあるライフサイクルモデル管理プロセス、ポートフォリオ管理プロセス、インフラストラクチャ管理プロセス、および合意プロセスグループの下にある取得プロセスと供給プロセスの合計5つのプロセスを示しています。このように、全体的なソリューションに関係するエンタープライズシステムエンジニアリングと製品システムエンジニアリング間のインタラクティブなコラボレーション、および統合製品開発 (IPD) に基づく製品 R&D と技術 R&D 間のインタラクティブなコラボレーションが、システム次元の下で統合されます。

論理的次元の補助プロセス、つまりシステムエンジニアリングの中核となる技術プロセスは、組織が物事を正しく実行することを保証します。これは、組織の内部に向けられた次元であり、システムエンジニアリングプロセスの実行と制御に重点を置いています。図6は、システムエンジニアリングプロセス内の技術プロセスグループの下にある14のプロセスと、情報管理を除く技術管理プロセスグループの7つのプロセス、合計21の論理次元のプロセスを示しています。エンティティ V モデルは、図 6 のシステムエンジニアリング技術プロセスグループ内のさまざまなプロセスを接続し、図 7 および 8 の論理ディメンションのコアエンジンプロセスでもあります。技術プロセスグループの最後の 3 つのプロセス (運用、保守、廃棄) は、それ自体がエンティティ V モデルのインスタンス化アプリケーションです。エコデザインとグリーン製造のための積層造形設計（DFAM）と持続可能性設計（DFS）は、全体的なソリューションプロセスシステムの重要なコンポーネントとして、従来の特殊特性と一般特性と同様に、物理Vモデルの左半分の需要入力です（図9）。実際の製品開発は、物理VモデルとダブルVモデルに基づいて行われ、物理VモデルとダブルVモデルのインスタンス化アプリケーションを実現します。例えば、積層造形設計のトップレベルプロセス（図10）は、製品需要分析、アーキテクチャ設計、詳細設計などのプロセスをカバーしています。実際のアプリケーションでは、産業再設計に適した部品のマージと機能統合プロセス、マイクロマクロ構造モデリングと多目的最適化に基づくプロセス、材料、部品/製品並列設計、システムモデリング、トポロジー最適化、MBSEに基づくシミュレーションと生成設計統合プロセス、積層造形用の生成設計プロセスなどの専門的なサブプロセスを、ダブルVモデルのシステムエンジニアリングプロセスフレームワークに組み込む必要があります。

図9 システムエンジニアリングエンティティVモデルは、システム全体、プロセス全体、およびすべての特性にインスタンス化できます。図10 積層造形設計のトップレベルプロセス認知次元での能力構築は、データ、情報、知識、知恵（DIKW）の認知フローを通じて、人々と組織の知的階層の価値の増加順序を反映し、主観的な世界が客観的な世界を理解して変換する認知プロセスと結果を記録します。これは、組織自体の成長に焦点を当てた人々の次元です。図6は、システムエンジニアリングプロセス内の技術管理プロセスグループの下にある情報管理プロセスと、組織プロジェクト有効化プロセスグループの下にある知識管理プロセス、人的資源管理プロセス、品質管理プロセスの合計4つの認知次元のプロセスを示しています。減算技術に基づく従来の製造モデルと比較して、付加製造に基づくプロセス統合および分散クラウド製造モデルでは、DIKW フレームワークや、ビッグデータや IoT などの関連方法とツールからのより多くのサポートが必要です。その後の全体ソリューションの開発では、積層造形、クラウドコンピューティング、モノのインターネットなどの技術を活用して、分散製造、ユビキタス製造、ソーシャル製造などの生産モデルを実現し、DIKWフレームワークの下でサイバーフィジカルソーシャルスペースのスマートエコノミーを形成します。

全体ソリューションにおけるMBSEの適用<br /> システムエンジニアリングと MBSE は、全体的なソリューションの重要なコンポーネントです。「システムエンジニアリングビジョン2020」のMBSEの英語の定義に基づき、その他のMBSEの英語の定義と説明を組み合わせて、中国語のMBSEの定義を示します。狭義のMBSEは、一連のアーキテクチャフレームワーク、一連のモデルベースプロセス、一連のモデリング言語、および一連のモデリングツールを含む正式なモデリング方法論です。複雑な製品やシステムの開発において、従来のドキュメントベースのシステムエンジニアリング作業モードが直面する課題に対処するように設計されています。論理的に一貫した多視点の一般システムモデルをブリッジとフレームワークとして使用し、ライフサイクル全体を通じてクロスドメインモデルの追跡可能性、検証可能性、および動的な関連付けを実現し、人工システムのライフサイクル全体を通じて、システムからシステムコンポーネントまでのすべてのレベルでシステムエンジニアリングプロセスとアクティビティを推進します。 MBSE は、広義では、従来のドキュメントベースのシステムエンジニアリングモデルと比較した新しい研究開発パラダイムを指し、情報コラボレーションプラットフォーム (ここでは SysML モデリングツールではなく、システムのライフサイクル全体のすべての段階と分野における標準モデルのコラボレーションプラットフォームを指します)、実装方法、トレーニングコースシステム、ベストプラクティス、能力成熟度モデル、ロードマップなどのモデリング方法論とその実現技術、人員能力、アプリケーション環境で構成されるシステムが含まれます。

上記の定義から、MBSE は新しいモデリング方法論とパラダイムであるだけでなく、理想的な R&D モデルを実現するために能力の成熟度を向上させるプロセスも指していることがわかります。長期的かつ世界的な動向の観点から見ると、MBSEは、新たな一連の科学技術革命と産業革命によって導かれるインテリジェント社会に必要ないくつかのインフラストラクチャを実現する重要な技術になりつつあります。短期的かつ国内の現状の観点から見ると、MBSEの実装は、前向きな設計の理論と実践を再構築し、後発の優位性を活用して欧米の先進国との差を縮めるのに役立ちます。そのため、人工物理システムの統合設計・製造能力と企業の自主革新能力を向上させ、MBSEの導入を通じて前向きな研究開発能力とレベルを徐々に向上させることを主な目標とする総合的なソリューションが、必然的な選択となっている。したがって、全体的なソリューションにおける MBSE の適用は、まず、図 8 の論理次元上の図 10 と 11 の積層造形設計の最上位プロセスと具体的なプロセスに MBSE モデリング方法論を適用し、コンポーネントレベルとシステムレベルでの積層設計を実現することです。全体的なソリューションの基礎科学層には、システムエンジニアリングと MBSE に加えて、システムエンジニアリングと密接に関連する情報対応環境モジュール、つまりデジタルメインラインのデータコラボレーションもあります。

図 11 積層造形のための設計の具体的なプロセスデジタルメインライン (またはデジタルスレッド) とは、システムのライフサイクル全体にわたるデータ統合ビューの通信フレームワークと、人工物理システムのドメイン間ユニバーサルデジタルツインを作成して使用することで、従来は分離されたビュー間のデータフローを指し、システムの現在の機能と将来の機能を動的にリアルタイムで評価し、システムのライフサイクル全体にわたるさまざまな意思決定を支援します。デジタルツインは、プロセス、製品、またはサービスの仮想モデルです。仮想世界と物理世界を組み合わせることで、データの分析とシステムの監視が可能になり、問題が発生する前に防止したり、システムの停止を防いだり、新しい機会を開発したり、モデルシミュレーションを通じて将来を計画したりすることができます。 MBSE とデジタルスレッドの定義は、その本質的な一貫性を示しています。 20 年以上前、コンカレントエンジニアリングと製品データ管理 (PDM) 実装の目標は、適切な情報を適切な人に適切なタイミングと場所で提供することでした。 MBSE やデジタルスレッドなどの新しいパラダイムと新しい方法の出現により、この目標の意味合いは継続的に豊かになり、進歩してきましたが、当初の意図は変わっていません。デジタルスレッドの概念は、さまざまな分野の専門エンジニアリングをシステムエンジニアリングのフレームワークに再統合しました。MBSE と製品ライフサイクルサポート標準 (PLCS) は、デジタルスレッドを実現する重要なテクノロジとなっています。

米国国立標準技術研究所（NIST）は、情報の変換と伝達の観点から、積層造形プロセスを部品設計、工程計画、製造部品、後処理部品、確認部品などの活動にまとめ、製品、材料、工程、設備、試験などの情報の生成、変換、伝達を伴うものとしている。デジタル幹線情報生成マップを図12に示す。 NIST の部品レベルの付加設計に関する取り組みは、デジタルスレッドと MBSE をコンポーネントレベルおよびシステムレベルのアプリケーション、さらにはプロセス統合にまで拡張する全体的なソリューションの基盤を築きます。さらに、PLCS標準に基づいて、分散リモートサプライチェーンコラボレーションと加法・減法プロセスを統合したクラウド製造モデルを実現できます（図13）。

図 12: 積層造形のデジタル主ラインの情報生成マップ図 13: PLCS 標準データモデルの連携に基づいて、積層、減算、およびその他のプロセスを統合したクラウド製造モデルの例デジタル主ラインとデータ連携の 2 つのモジュール、およびプロセス統合クラウド製造モデルの全体的なソリューションにおける MBSE の適用は、図 8 の認知次元における MBSE モデリング方法論の適用と見なすことができます。材料分野におけるMBSEのクロススケール応用（図14）は、図8のシステム次元におけるMBSEモデリング手法の応用と考えることができる。

図14 マテリアルデザインプロセス
リーンR＆D 3次元システムエンジニアリングモデルのフレームワークの下でのフォワード設計3次元空間（図8）におけるMBSEの3次元の適用順序は、全体的なソリューションの能力成熟度向上プロセスを反映しており、つまり、全体的なソリューションの能力成熟度フレームワーク（図15）はMBSEの実装フレームワークでもあります。このフレームワークでは、フォワード設計能力は、システムエンジニアリングプロセスに従った低レベルの「フォワード」設計から、MBSEプロセスモデル方式でガイドされる製品のフォワード設計、次にMBSEプロセスモデル方式でガイドされる製品とプロセスのフォワード設計、そして最終的には統合設計と製造（製品、材料、プロセス）を実現するライフサイクル全体にわたる製品システム全体のフォワード設計へと進化し、最終的にローエンドからハイエンドまでフォワード設計能力の成熟度を向上させるプロセス全体が完了します。

図 15 全体的なソリューション能力成熟レベルのフレームワークシステムエンジニアリングと MBSE は、中国の学界と産業界が前向きな発展の理論と実践を再構築し、人工物理システムの統合設計と製造能力、企業の独立したイノベーション能力を総合的に強化するための重要な実現技術です。システムエンジニアリングとMBSEの実装を、前向き設計と積層造形に基づくハイエンドR＆Dと先進製造の全体的ソリューションとその能力成熟度向上フレームワークに組み込むことは、全体的ソリューションの含意とフレームワークを豊かにし、強化するだけでなく、前向き開発の理論と実践、および中国の製造業の変革とアップグレードにおける最も基本的な適用シナリオを再構築するという観点から、中国におけるシステムエンジニアリングとMBSEの推進と適用に新たな段階を提供します。

参考文献（省略）

著者について<br /> 著者について: Duan Haibo、Ansem Asia Pacific Technologies Co., Ltd. のシニアエンジニア。彼の研究対象には、付加的思考、システムエンジニアリングと MBSE、標準ベースのデータコラボレーションに基づく高度な設計とインテリジェント製造が含まれます。

※本記事は2019年科学技術ガイド第7号に掲載されたものです。編集されていますので、ご注意ください。

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