科学技術と共に歩む

製品に対する顧客のニーズは，年々，多様化・複雑化しており，企業はこれらの要求に迅速に応えなければならない現状にある。しかしながら，自動車などの複雑なシステムでは，最適なコンポーネントの組合せや，その調整パラメータが無数に存在し，実物を用いた設計や調整を行うには膨大な時間と費用が必要となっている。その一方で，国際的な開発競争の激化から，製造にかかるコストや時間をできる限り抑制しなければならない制約が課せられている。ところで，コンピュータ技術の急速な発展により，最近では複雑なシステムをコンピュータ上で実現し，机上でシステムの設計・検証を行うモデルベース開発（Model Based Development：MBD）の重要性が唱えられ，産業界では急速にその適用が進められている。

このような背景において，国内ではJMAAB（Japan MBD Automotive Advisory Board）が創設され，MBDに関わる技術者のスキル基準の策定など，MBDの普及振興に精力的に取り組まれている。また，広島県においても，『ひろしま自動車産学官連携推進会議（「ひろ自連」と略称）』が2015年6月11日に創設され，「2030年産学官連携ビジョン」を掲げて活動を行っている。上記目標の達成にあたり，ひろ自連では，三つの委員会と四つの専門部会を設置し，相互連携を進めながら活動を行っている。専門部会の一つであるモデルベース開発専門部会では，先に述べたモデルベース開発力の基盤強化を目的として，マツダ株式会社と広島大学が中心となり，2016年に「MBD（モデルベース開発）基礎講座」が広島大学に設置された。この「MBD基礎講座」は，自動車産業を中心とした地域企業に対して，実践的な教育とエンジニアの育成の役割を担っている。また，2017年に「ひろしまディジタルイノベーションセンター（HDIC）」が創設され，自動車産業以外も含めた県内企業技術者に対するMBD研修などのサービスを通して，MBDの県内外企業への浸透に努められている。さらに，2021年7月にはMBD推進センター（JAMBE）が設立されるなど，MBDの普及・振興の気運が，自動車産業に留まらず，さまざまな産業分野へ拡がりと高まりを見せるに至っている。

そのような背景に鑑み，上述の「MBD基礎講座」が中心として進めるMBD基礎研修における入門書として，2018年6月に本書「実習で学ぶモデルベース開発」（初版）を発行した。以来，多くの方々に手にしていただいているところであるが，本書の中で扱っているソフトウェア（MATLAB&Simulink）もこの間バージョンアップを重ね，本書も新しいバージョンに即した形に書き改める必要が生じてきたことから，この機会に内容を再考させていただいた。これまで同様，実習を中心としてMBDを体験的に学習することができるという特徴を維持した形で7章構成とし，それぞれを以下のように分担して執筆していただいた。

1章　原田靖裕，足立智彦，香川直己　　　2章　脇谷伸，沖俊任
3章　脇谷伸，山本透　　4章　脇谷伸
5章　脇谷伸　　6章　原田真悟，足立智彦
7章　山本透，脇谷伸
本書は，おもに1章～3章の準備にあたる部分と，MBDの醍醐味となる4章～6章から構成され，さらに新しく7章ではMBDの今後について概観している。

1章では，「MBDとは何か？」について，MBDによる開発エピソードを交えながら，わかりやすくまとめている。2章では，モデリング，シミュレーション，検証などモデルベース開発に必要不可欠となる開発ツールの操作方法を中心に解説している。3章では，「モデルとは何か？」に始まり，微分方程式による物理モデリングについて，上述の開発ツールを用いた実習を通して詳述している。

4章では，「DCモータの制御システム」を題材として，MILS（Model–In–the–Loop Simulation）の手順をわかりやすくまとめている。これに連続する形で，5章において，HILS（Hardware–In–the–Loop Simulation）について解説している。HILSの学習にはHILシミュレータが必要とされているが，高価な機器であるため，なかなかそろえられない。このことがMBDの教育・研修が広く普及しにくい一因となっている。この問題に鑑み，筆者らは「学習用簡易HILシミュレータ」を開発し，これを用いた実習に基づいてHILSを説明している。なお，HILSで利用する「学習用簡易HILシミュレータ」と「DCモータの制御システム」については，下記サイト†を参照されたい。また，同サイトでは各章で作成したプログラムの解答例も掲載しているので併せて参照されたい。6章では，モデルと実システムとをつなぐキャリブレーションとしてMBC（Model–Based Calibration）の概略を紹介している。

7章では，「モデル」と「データ」のインタプレイ（相互作用）に基づく新しいデジタルものづくり開発プラットフォームの必要性を述べるとともに，その開発プラットフォームの一例として，編者らが広島大学デジタルものづくり教育研究センター「データ駆動型スマートシステムプロジェクト」において考察を重ねてきた「スマートMBD」を紹介している。

最後に，文章校正等には広島大学助教の木下拓矢氏をはじめ，広島大学システム制御論研究室の学生にご協力いただいた。さらに，マツダ株式会社の森重智年氏，MBD推進センターの村岡正氏，ひろしまデジタルイノベーションセンターの安藤誠一氏，久保田寛氏，広島大学デジタルものづくり教育研究センターの前垣直美氏，小林精機製作所の小林隆氏，ならびに一般社団法人デジケーションの山城友栄氏，下中範里子氏には，本書の基盤となっているMBD研修の円滑な実施・運営にご助力いただいた。また，出版に際してコロナ社の関係各位にはご尽力賜った。ここに記して謝意を表するとともに，本書が，MBDのさらなる普及・振興に繋がることを切に願っている。

2023年1月
山本透


発刊によせて（初版時）
世間一般にモデルベース開発というと，制御開発のために使う「制御対象モデル」と「制御モデル」を使った設計検証手法を指すことになっている。しかし筆者らは，3D形状データを用いたCAEモデルを含め，0次元や1次元の制御対象モデルも，制御モデルも···これらシミュレーションを用いた机上開発全般をモデルベース開発と呼びたいと，新しいモデルベースの定義を提唱してきた。究極の開発の姿から思い描くと，逆にこれらを区別して話すことは意味がなくなり，連続してつながる一つの技術やプロセスになるはずと考えるからである。本書では，この新しい定義でモデルベース開発という言葉を使っている。すなわち，開発対象のカラクリを数式としてモデル化できるレベルまで解明し，そのモデルを使って最適開発する技術の全般を，「モデルベース開発」と定義している。

モデルベース開発というと，開発の効率化をイメージされる方々が多い。あるいは，開発の補助的な解析のようなものとイメージされる方々も多い。しかし，本書で伝えたいのは，その意味をはるかに超えて，これなしには開発が成立しない，使いこなせないと産業が衰退する，というくらいに切迫した産業革命の荒波が押し寄せているということである。本書はモデルベースに関わる方々への入門書ではあるが，その目的にとどまらず，ものづくりに携わっている多くの方々にぜひ一読いただき，これからの激動の時代の波を予知し，それに備える一助としていただきたい。

ここで，本書の1章において述べているが，開発エピソードの一部から，その予告編としてエッセンスだけを以下に紹介する。

【事例1：世界一の燃焼は，モデルベースを駆使したからこそ実現できた】
当時，燃焼モデルは使い物にならず，どの企業も参考程度にしか利用していなかったのが実態であるが，資源が少ない会社であるからこそ，ここに真っ向勝負してモデル精度を上げてきた。ついには，モデルによる転写設計までが可能なレベルにまで精度が高まった。このモデルなしには世界一の燃焼は実現できなかった，といわれるほどの成果となった。このエピソードから，世界一の最適設計を世界で最初に成し遂げる価値こそが，モデルベース開発のやるべき役割の究極の姿であると，筆者らは伝えたい。

【事例2：自動車の制御系開発は，すでにモデルベース開発なしに成立しない】
自動車の制御システムの規模は10年で10倍ずつの指数的スピードで増大しており，すでに実機ベース開発で可能な臨界点を超えている。本書の中で取り上げているが，モデルベースなしには3か月かかる技術開発が1日で可能な事例などは，その好例であろう。また，図面を出す前の仕様検証は，もはや人間では不可能なレベルの仕様書のページ数（きっと印刷すれば数万ページ）であり，モデルを使っていくらでも机上検証できる環境を備えなければ不可能な時代に突入している。そうやって仕様書の品質を高めたあとも，最終品質を高めるためのさらに膨大なキャリブレーション業務や総合車両評価業務が待ち構えており，まさに想像を超えたレベルでの激しい業務があたりまえとなっている。

【事例3：孤立孤高のロータリーエンジンの開発からモデルベース開発は始まった】
1987年，もう30年も前，資源面で余力がなかったロータリーエンジン開発の中でモデルベース開発は始まった。筆者らが知る限り，自動車業界としては世界でも最も早い時期であったと思う。当時，ロータリーの制御は他のエンジンの3倍のプログラムサイズであり，アルゴリズムは破格の複雑さをもつ規模であった。当時は，言語もツールもプラントモデルもすべて自前開発であった。50種ほどの関数の組合せだけで，自由にエンジン制御を設計検証開発できる環境を構築した。当時としては高度なアクティブ制御を，開発着手からキャリブレーションの終了まで，半年かかるのがあたりまえのところを，1週間でやりきったことで関係者を驚かせた。

以上述べたいずれの事例にも共通点がある。世界中でだれも助けてくれない，普通のやり方では生き残れない，自分たちで革新しなければ滅亡する，という危機感の中からモデルベース開発による革新は生まれてきた。世界中の他の成功事例をひもといても，複雑で高度な開発であればあるほど，モデルベース開発はその威力を発揮してきたといえるであろう。例えば，月面着陸したアポロプロジェクトが有名であるが，文字どおり彼らは，一度も月での実機検証をすることなく，その偉業を達成させたのである。モデルベース開発の発展の歴史は，宇宙航空分野から始まり，自動車分野に広がってきた。そして現在では，さらに多くの工業分野に展開されつつある。いずれも，複雑な開発の解決策として広がってきた。

本書は，広島大学の山本透教授に編集者となっていただき，新しい定義でのモデルベース開発の入門書としてまとめたものである。本書が，将来のさらに高度で複雑な開発に挑戦されるであろう方々の一助となればありがたい。

2018年3月
マツダ株式会社
統合制御システム開発本部長
原田靖裕