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情報連携を実現するモデルベース手法のためのUML/SysMLについて

2013-07-11

オージス総研米野巌視

かんたんな自己紹介

• オージス総研について

– 大阪ガス株式会社の100％出資の情報子会社

– 主に情報システムの構築、運用サービスを提供

– 1990年代よりオブジェクト指向の普及に力を入れる

• 私について

– 1995年頃より、主に金融や通信など情報システムを対象に、オブジェクト指向のソフトウェア開発や教育に従事

– 2005年頃より、車載システムや自動搬送システムなど、組み込みシステムが対象のオブジェクト指向開発に従事

Copyright © 2013 OGIS-RI All rights reserved. 2

本日の内容

• なぜモデルベースか

– モデルベース手法による情報連携の実現の利点を簡単にまとめる

• UMLとSysML

– UMLとSysMLについて、情報を定義するのに必要な部分

に絞って説明する※

• 課題と展望

– モデルベース手法による情報連携の実現の課題と展望について簡単にまとめる


※ 本資料に示すUMLおよびSysMLのモデルは、すべて説明のために作成したサンプルです。

なぜモデルベースか

モデル化のメリット


データと情報

• 何の値?


45, 44, 2.5, 1.0, 47, 35, 57.8, 52.7

39, 37, 2.5, 1.0, 47, 34, 53.8, 49.2

43.1, 41.0, 2.5, 1.0, 47, 35, 57.8, 52.7

データと情報

• 値の単位は…


45, 44, 2.5, 1.0, 47, 35, 57.8, 52.7

39, 37, 2.5, 1.0, 47, 34, 53.8, 49.2

43.1, 41.0, 2.5, 1.0, 47, 35, 57.8, 52.7

単位: MJ

単位: KPa

データと情報

• 値の名前は…


45, 44, 2.5, 1.0, 47, 35, 57.8, 52.7

39, 37, 2.5, 1.0, 47, 34, 53.8, 49.2

43.1, 41.0, 2.5, 1.0, 47, 35, 57.8, 52.7

単位: MJ

単位: KPa

ウォッベ指数

燃焼速度

圧力

熱量

データと情報

• …ガス事業者が供給する都市ガスの特性（熱量等）


熱量等

45, 44, 2.5, 1.0, 47, 35, 57.8, 52.7

39, 37, 2.5, 1.0, 47, 34, 53.8, 49.2

43.1, 41.0, 2.5, 1.0, 47, 35, 57.8, 52.7

単位: MJ

単位: KPa

ウォッベ指数

燃焼速度

圧力

熱量

最低ウォッベ指数

最高ウォッベ指数

最低燃焼速度

最高燃焼速度

最低圧力

最高圧力

最低熱量

標準熱量

大阪ガス（13A）

大多喜ガス（13A地区）

大多喜ガス（12A地区）

データの出典: 大阪ガス「一般ガス供給約款」、大多喜ガス「一般ガス供給約款」

データは解釈の仕方がわからなければ意味をなさない

データと情報

• データと情報の関係


情報

データ

事実，事象，事物，過程，着想などの対象物に関して知り得たこと概念を含む一定の文脈中で特定の意味をもつ (JIS X 0001 – 1994 の定義より)

情報の表現伝達，解釈又は処理に適するように形式化されたもの再度情報として解釈できる (JIS X 0001 – 1994 の定義より)

表現解

釈

⇒ 同じ情報でも技術が異なれば違うデータ

利用している技術ごとに異なるルール

モデルベース ― 情報のモデル化

• 技術的な詳細を隠蔽

– 表現形式 (データ) に依存しない「情報」を定義

• 情報の相互連携

– データ間の相互変換から、モデルを介した相互変換へ


ここをモデルとして定義

データ

情報

モデルベースのメリット

• わかりやすい – 技術的な詳細を扱う必要がない

• 異なる技術・表現形式のデータを透過的に扱える – 情報のモデルを介してデータ交換ができる

• さまざまなデータに柔軟に対応できる – モデル（情報）とデータ間の変換ルールを決めればよい

• 情報（データの解釈）を共通化できる – 誰でも同じ解釈ができる


UMLとSysML

OMGのモデリング言語


OMGのモデリング言語

UML SysML

基礎となる概念オブジェクト指向システム工学

モデルの要素オブジェクト（「クラス」、「インスタンス仕様」）

ブロック（「ブロック」、「インスタンス仕様」）

モデルの種類離散離散＋連続

主な用途ソフトウェア設計ビジネスモデル（業務）の記述

システム設計

関連する規格 ISO19505-1 (UML Part1), ISO19505-2 (UML Part2)

ISO 10303-233 (STEP AP233)

応用例 SEMI Standard ISA-95

OOSEM (INCOSE)

記述できるもの論理構造相互作用手続き状態（概念上の）物理構造（機能に関する）要求

論理構造相互作用手続き、または制御状態要求


OMGのモデルベース

• MDA (Model Driven Architecture) とモデリング言語


MDAのモデル種類

Computation Independent Model (CIM)

Platform Independent Model (PIM)

Platform Specific Model (PSM)

コンセプトのモデル問題領域を記述

ソリューションのモデル（技術的詳細を含まない）

実装仕様のモデル（技術的詳細を含む）

言語の適用範囲

UM

L

SysM

L

変換

変換

高次な情報

低次な情報

扱う情報

UMLとは

• オブジェクト指向の汎用モデリング言語

• 特徴

– ソフトウェア工学を中心に幅広く利用されている

– さまざまな分野のモデリング言語の基盤となっている • SysML: システム工学

• BPMN: ビジネスプロセス

• SoaML: SOA (Service-Oriented Architecture)


UML

UMLで記述できるモデル図の名前主な要素主な用途視点

クラス図クラス、関連、汎化オブジェクト（データや処理）の型の記述構造

オブジェクト図インスタンス仕様、リンクオブジェクト（データや処理）の関係の例示構造

コンポジット構造図パート、ポート、コネクターオブジェクトの内部構造の記述構造

パッケージ図パッケージ、依存関係モデル要素の分類の記述構造

ユースケース図ユースケース、アクターシステムの機能の記述機能

アクティビティ図アクション、フロー処理や制御の流れや手順の記述振る舞い

ステートマシン図状態、遷移オブジェクトの状態の変化の記述振る舞い

コミュニケーション図ライフライン、メッセージオブジェクト間の相互作用の記述振る舞い

シーケンス図ライフライン、メッセージオブジェクト間の通信順序の記述振る舞い

タイミング図ライフライン、状態状態間の関係の例示振る舞い

相互作用概要図相互作用、フロー制御の全体像の記述振る舞い

コンポーネント図コンポーネント、コネクターファイル等、物理的なモジュールの記述構造

配置図ノード、関連物理的なモジュールの割り当ての記述構造

プロファイル図ステレオタイプ、メタクラス UMLをカスタマイズする際の定義（特殊用途）構造


UML

情報の定義

• 同じ種類の情報であれば同じ項目（要素）を持つ

– 同じ種類の情報は、表にまとめることができる


ガス事業者

標準熱量（M

J

）

最低熱量（M

J

）

最高圧力（KP

a）

最低圧力（KP

a

）

最高燃焼速度

最低燃焼速度



ガスグループ

大阪ガス 45 44 2.5 1.0 47 35 57.8 52.7 13A

上越市ガス水道局 43.1 41.0 2.5 1.0 47 35 57.8 52.7 13A

大多喜ガス（13A地区） 45 44 2.5 1.0 47 35 57.8 52.7 13A

大多喜ガス（12A地区） 39 37 2.5 1.0 47 34 53.8 49.2 12A

表: ガス事業者別の「熱量等」（供給ガスの仕様）の例

（各ガス事業者の「一般ガス供給約款」より作成）

UML

情報の定義

• クラス ― 情報の種類

– クラス図に定義


クラス名（情報の名前）

プロパティ（情報の要素）

プロパティ名（情報の要素の名前）

プロパティの型（情報の要素の種類）

クラス

可視性（要素の公開レベル）

UML

可視性の種類 + （public）: 外部に公開 # （protected）: 継承したクラスに公開 ~ （package）: 同一のパッケージに公開 - （private）: 非公開

情報の定義

• データ型 ― 値の種類


– プロパティの型などの種類を定義

– UMLの既定のデータ型 • Boolean: 真偽値

• Integer: 整数

• Real: 実数

• String: 文字列

• UnlimitedNatural: 自然数（無限大∞は「*」記号で記述）

• データ型の定義の例


データ型を表す約束事

データ型の名前

UML

情報の定義

• 複数の情報で共通する項目（要素）

– 共通する要素は、別の情報の要素として扱う


ガス事業者

標準熱量（M

J

）

最低熱量（M

J

）

最高圧力（KP

a）

最低圧力（KP

a

）

最高燃焼速度

最低燃焼速度



ガスグループ

大阪ガス 45 44 2.5 1.0 47 35 57.8 52.7 13A

上越市ガス水道局 43.1 41.0 2.5 1.0 47 35 57.8 52.7 13A

大多喜ガス（13A地区） 45 44 2.5 1.0 47 35 57.8 52.7 13A

大多喜ガス（12A地区） 39 37 2.5 1.0 47 34 53.8 49.2 12A

表: ガス事業者別の「熱量等」（供給ガスの仕様）の例

（各ガス事業者の「一般ガス供給約款」より作成）

ガスグループごとに共通する部分

UML

情報の定義

• 関連 ― 情報の関係



1


多重度（関連先の要素の数）

関連（情報の関係）

別の情報として定義した共通部分

可視性（要素の公開レベル）

UML

多重度の書き方下限値..上限値一般的な多重度「0..1」「1..1」または「1」「0..*」または「*」「1..*」

関連の種類

• 関連の種類 – 合成集約

• 関連先が関連元の要素で他と共有しない関係

– 集約 • 関連先が関連元の要素で他と共有する関係

– 関連 • 上記以外の関係

• 関連の方向 – 双方向

• 関連元、関連先のどちらからもアクセスする

– 一方向 • 関連元からしかアクセスしない


UML

関連元関連先

関連元関連先

関連元関連先

関連元関連先

関連元関連先

関連元関連先または

関連元関連先または

情報の定義

• 関連の表示

– 関連はプロパティとして表示できる


UML

（プロパティとして表示した関連）

（同じ「燃焼性」というプロパティ）

情報の定義

• 装置などの情報

– ガスメーターの事例


配管のガス圧が低下した場合

大量のガスが流れた場合

異常時

復帰

ガス遮断

検針

通常時の機能安全対策の機能

自動的に作動

人による操作

画像出典: 大阪ガスLPG株式会社 ― ガスの検針・配達 (http://www.oglpg.co.jp/service/kenshin.html)

UML

http://www.oglpg.co.jp/service/kenshin.html

http://www.oglpg.co.jp/service/kenshin.html

情報の定義

• 状態 ― 情報が持つ動作や振る舞い

– ステートマシン図に定義


状態

遷移（状態から別の状態への変化）エフェクト（遷移に伴う挙動）

トリガ（遷移が起こる条件）開始状態（開始時の状態を指定）

UML

情報の定義

• 操作 ― 情報が持つ動作や振る舞い



クラス

操作（情報が持つ動作や振る舞い）

操作の引数（この場合、なし）

操作名（動作や振る舞いの名前）

可視性（動作や振る舞いの公開レベル）

UML

情報の定義

• 都市ガスの供給設備と防災対策


画像出典: 都市ガスの安定供給 ― 大阪ガス (http://www.osakagas.co.jp/safety/1-supply.html)

供給設備

画像出典: 「大阪ガスの地震防災対策について」大阪ガス (http://www.kiis.or.jp/bousai/pdf/121206_5.pdf)

防災対策

UML

http://www.osakagas.co.jp/safety/1-supply.html




http://www.kiis.or.jp/bousai/pdf/121206_5.pdf

http://www.kiis.or.jp/bousai/pdf/121206_5.pdf

情報の定義

• 汎化 ― 情報の分類



汎化（情報の分類上の関係）

（ある情報に共通する部分）

（一部の情報に固有な部分）

一般的な整圧器の情報の定義

特殊な整圧器の情報の定義

UML

情報の定義

• 汎化と継承

– 継承 • サブタイプの情報がスーパータイプの情報の要素を引き継ぐこと


各情報はそれぞれ異なる値を持つ

整圧器の実際の情報

遠隔遮断整圧器の実際の情報

遠隔遮断整圧器の情報は、整圧器の要素（設定圧や流量）を引き継ぐ

UML

情報の内部構造の定義

• パート、ポート、コネクター ― 情報の要素と関係

– コンポジット構造図に定義


UML

クラス（情報の種類）

パート（情報の要素）

ポート（要素をつなぐ要素）

コネクター（要素の関係）

クラス図では、パートは合成関係、ポートはプロパティとして表示される

情報の定義

• 参考: 都市ガス供給設備のクラス図


UML

情報の定義

• 参考: 都市ガス供給設備のコンポジット構造図


UML

SysMLとは

• システム工学分野に特化したモデリング言語

• 特徴

– UMLを簡略化し、システム工学として不足している部分を追加・拡張

– STEP AP233（システム工学）がベース

– STEPとの相互接続性を考慮


SysML

参考: STEP AP233との対応


画像出典: OMG SysML Portal http://www.omgwiki.org/OMGSysML/doku.php?id=sysml-ap233:mapping_between_sysml_and_ap233

SysML

http://www.omgwiki.org/OMGSysML/doku.php?id=sysml-ap233:mapping_between_sysml_and_ap233





SysMLで記述できるモデル図の名前主な要素主な用途視点

要求図要求、依存関係要求とその関係の記述構造

ブロック定義図ブロック、関連システム要素（データや機能、装置など）の型の記述構造

内部ブロック図プロパティ、ポート、コネクターシステム要素の内部構造の記述構造

パラメトリック図制約ブロック、コネクターシステム要素間の制約の記述構造

パッケージ図パッケージ、依存関係モデル要素の分類の記述構造

ユースケース図ユースケース、アクターシステムの機能の記述振る舞い

アクティビティ図アクティビティ、フロー処理や制御の流れや手順の記述振る舞い

シーケンス図ライフライン、メッセージオブジェクト間の通信順序の記述振る舞い

ステートマシン図状態、遷移オブジェクトの状態の変化の記述振る舞い


SysML

UMLの図との対応


SysML UML 変更点

要求図クラス図クラス図を元に追加

ブロック定義図クラス図一部表記を変更

内部ブロック図コンポジット構造図一部表記を変更

パラメトリック図コンポジット構造図用途を限定

パッケージ図パッケージ図なし

ユースケース図ユースケース図なし

アクティビティ図アクティビティ図連続性に対応

シーケンス図シーケンス図なし

ステートマシン図ステートマシン図なし

SysML

情報の定義

• ブロック ― 情報の種類

– ブロック定義図に定義


ブロック名（情報の名前）


ブロックを表す約束事

関連（情報の関係）

1


プロパティの型（情報の要素の種類）

多重度（情報の要素の数）

ブロック（情報の種類）

SysML

UMLとの対応 P21

情報の定義

• 値型 ― 値の種類


– プロパティの型などの種類を定義

– 値型が表す「量の種類（次元）」と「単位」も定義できる • SI単位系が参考情報（non-normative）として規定されている

– SysMLの既定の値型 • Boolean: 真偽値

• Complex: 複素数

• Integer: 整数

• Number: Complex, Integer, Real の総称

• Real: 実数

• String: 文字列


SysML

情報の定義

• 値型の定義の例


※1: 正しくは<<quantityKind>>とする

量の種類（次元）単位値型

値の名前

値型を表す約束事

単位を表す約束事

量の種類を表す約束事※1

量の種類の名前

単位名単位が扱う量の種類

SysML

UMLとの対応 P19

情報の定義

• 制約ブロック ― 情報に対するルールや法則



SysML

制約名（ルールや法則の名前）

制約パラメーター（ルールや法則の持つ変数）

制約ブロックを表す約束事

制約ブロック（ルールや法則）

制約（ルールや法則の実態）

UMLとの対応 P21

関連の種類

• 関連の種類 – パート関連

• 関連先が関連元の要素で他と共有しない関係

– 共有関連 • 関連先が関連元の要素で他と共有する関係

– 参照関連 • 上記以外の関係

• 関連の方向 – 双方向

• 関連元、関連先のどちらからもアクセスする

– 一方向 • 関連元からしかアクセスしない


SysML

関連元関連先

関連元関連先

関連元関連先

関連元関連先

関連元関連先

UMLとの違い

• プロパティの種類（区別して表示できる）

– parts: パート関連のプロパティ

– references: パート関連以外の関連のプロパティ

– values: 値型のプロパティ

– ports: 他のブロックと相互作用するポートのプロパティ

– parameters: 制約ブロックの制約パラメーター

– properties: 上記すべての種類の総称


共有関連のプロパティ

プロパティの種類名

値型のプロパティ

SysML

情報の定義

• 状態 ― 情報が持つ動作や振る舞い

– ステートマシン図に定義


状態

遷移（状態から別の状態への変化）エフェクト（遷移に伴う挙動）

トリガ（遷移が起こる条件）開始状態（開始時の状態を指定）

SysML

UMLとの対応 P25

情報の定義

• 操作 ― 情報が持つ動作や振る舞い



操作（情報が持つ動作や振る舞い）

操作の引数（この場合、なし）

操作名（動作や振る舞いの名前）

SysML

UMLとの対応 P26

情報の定義

• 汎化 ― 情報の分類



汎化（情報の分類上の関係）

（ある情報に共通する部分）

（一部の情報に固有な部分）

一般的な整圧器の情報の定義

特殊な整圧器の情報の定義

SysML

UMLとの対応 P28

情報の内部構造の定義

• プロパティ、ポート、コネネクター ― 要素と関係

– 内部ブロック図に定義


SysML

ブロック（情報の種類）


ポート（要素をつなぐ部分）

コネクター（要素の関係）

ポートで情報のやり取りがされる場合、情報の流れる方向を矢印で図示する

UMLとの対応 P30

情報の定義

• 参考: 都市ガス供給設備のブロック定義図


SysML

UMLとの対応 P31

情報の定義

• 参考: 都市ガス供給設備の内部ブロック図


SysML

UMLとの対応 P32

UMLとSysMLのまとめ

情報の定義 UML SysML

種類クラス 18 ブロック 37

要素プロパティ 18 プロパティ 37

値の種類データ型 19 値型、量の種類、単位 38

関係関連 21 関連 37

動作や振る舞い

状態 25 状態 43

操作 26 操作 44

分類汎化 28 汎化 45

内部構造パート、ポート、コネクター 30 プロパティ、ポート、コネクター

46

その他 ― ― 制約ブロック 40


課題と期待

モデルベース手法の取り組みに向けて


どの情報まで扱うのか?

• ナレッジマネジメントにおける情報の階層例


David McCandless , Hierarchy Of Visual Understanding?を参考に作成 (http://www.InformationIsBeautiful.net)

関連した要素

断片化した要素

組織化された情報

適用された知識

データ

情報

知識

卓識

組織化の深化（意味の深化?）

固有の知見・ノウハウ

一般的な知見・ノウハウ

基礎・常識

解釈の例

独自性

情報以前

独自性が高い

独自性が低い

http://www.informationisbeautiful.net/

モデリング&シミュレーション (M&S)


• モデリングとシミュレーションは補完しあう関係

– シミュレーションにはモデルが必要

– モデルの評価にはシミュレーションが有効

MILS モデルシミュレーション

(Model In the Loop Simulation)

OMGのモデリング言語とシミュレーション

UML fUML UMLモデルを実行するための仕様

SysML SyM シミュレーションが可能な物理モデリング言語ModelicaとSysMLを連携させるための仕様

ツールチェーン ― モデルの連携と活用

• UMLとSysMLのツールチェーンの例※1


SysMLツールチェーン UMLツールチェーン

UML

SysML モデリングツール

Modlica

シミュレーションツール

CAD/CAM/ CAE

UML モデリングツール

fUML

UML

シミュレーションツール

SysML

STEP

AP233 AP2xx

Modelica

SyM

※1 仕様ベースの例

モデルベースの活用例

• NASAの事例

– SysMLモデルの活用


出典: Modeling Failure Modes with SysML, NASA, 2012-04 http://www.nasa.gov/pdf/637603main_day_1-lui_wang.pdf

http://www.nasa.gov/pdf/637603main_day_1-lui_wang.pdf





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