MATLAB EXPO 2015

エンジン制御仕様・ ソフトウェア開発の進化

2015年10月16日

トヨタ自動車株式会社

上田 広一

MATLAB EXPO 2015 2

本日の発表内容

• 背景

• モデルベース開発

• エンジン制御仕様・ソフトウェア開発の進化

– これまで（R12.1・R2006b・R2010b）

– これから（R2015a）

– その先

• まとめ

MATLAB EXPO 2015 3

本日の発表内容

• 背景

• モデルベース開発

• エンジン制御仕様・ソフトウェア開発の進化

– これまで（R12.1・R2006b・R2010b）

– これから（R2015a）

– その先

• まとめ

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自動車用パワートレーンの抱えている課題

Global Warming Air Quality Energy Security

MATLAB EXPO 2015 5

燃費規制動向

Source: International Council on Clean Transportation, July 2015

MATLAB EXPO 2015 6

次世代自動車の種類と普及予測

Source: IEA Energy Technology Perspectives 2012

2050年でも55%が 内燃機関を利用

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複雑・大規模化するエンジン制御

Heavy workload

Lack of research for new development

method or process

Conventional development Low efficiency

Getting larger and more complex control system

Development in shorter time

Globalization,Fuel economy

従来の開発手法では立ち行かなくなる・・・ 品質を確保しつつ開発効率の向上を目指し、モデルベース開発を導入・推進

マイ

コン

動作

周波

数[M

Hz]

RO

M容

量[M

B]

2000

Year

2010 2020

ストイキ直噴（D-4）

筒内直噴+ポート噴射（D-4S）

連続可変バルブリフト機構（VALVE MATIC）

過給ダウンサイジング

Trend of Automotive Engine Controller

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本日の発表内容

• 背景

• モデルベース開発

• エンジン制御仕様・ソフトウェア開発の進化

– これまで（R12.1・R2006b・R2010b）

– これから（R2015a）

– その先

• まとめ

MATLAB EXPO 2015 9

モデルベース開発とは？

複雑化・高度化した現代の自動車制御システム開発においてMATLAB®/Simulink®等の CAEツールによって、

・制御装置と制御対象の機能をモデル化し、それらを

・実行可能な仕様書として用いることで、

製品ライフサイクル全般に渡った品質向上と開発効率向上を目指した開発手法のことである。 シミュレーション技術を駆使することで、高度な機能確認を実施でき、かつ、複雑な開発 工程のルーチンワーク化を促進することで、自動化・省力化にも貢献する。 モデルの定義: 対象の機能が図示されており、一意的に解釈できるもの。

Source: Japan MBD Automotive Advisory Board（JMAAB）

モデルベース開発の定義

MATLAB EXPO 2015 10

モデルベース開発のコンセプト

Real World

Control Software Specification =

Engine Performance Specification =

Plant Model Controller Model

Plant (Engine, Transmission etc.)

Controller (Hardware, Software)

HILS Rapid Prot. ECU

SILS / MILS

Virtual World

Combination

Validation

Combination

Validation

Today’s Focus

MATLAB EXPO 2015 11

本日の発表内容

• 背景

• モデルベース開発

• エンジン制御仕様・ソフトウェア開発の進化

– これまで（R12.1・R2006b・R2010b）

– これから（R2015a）

– その先

• まとめ

MATLAB EXPO 2015 12

量産適用のMATLABバージョン

2001 2006 2010 2015

R12.1 R2006b R2010b

信頼性向上 コード効率向上 初量産適用

はじまり・・・ みがきあげる ひろめる

2001年~2015年

R2015a

制御設計機能・ 開発生産性向上

うれしい

MathWorks General Release

Toyota・ DENSO

Year

Vers

ion

量産適用するツールは長期間バージョン固定 初の量産適用バージョンから約15年にわたり 戦略的にバージョン移行を実施してきた

MATLAB EXPO 2015 13

本日の発表内容

• 背景

• モデルベース開発

• エンジン制御仕様・ソフトウェア開発の進化

– これまで（R12.1・R2006b・R2010b）

– これから（R2015a）

– その先

• まとめ

MATLAB EXPO 2015 14

これまで（第1世代: R12.1）

2001年 CAMRY: ・量産制御仕様書としてSimulink仕様書を初導入 （ECU実装はハンドコーディング） 2003年 PRIUS: ・自動コード生成技術の量産初適用 （Simulink仕様書から自動生成したコードをそのままECU実装）

Executable Spec. + Auto Generated Code

Executable Spec. + Auto Generated Code

Executable Spec. Hand Written Code

2000 2002 2004 2006

Advanced development

Production development

Deployment of Simulink models as production specifications

CAMRY PRIUS

はじまり・・・

2001年~

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これまで（第1世代: R12.1）

①の一例: トヨタでの先行開発フェーズ 制御ロジック開発で約20~30%の工数低減効果 （特に、シミュレーションでの机上検討や検討用Cソース作成に対して効果大）

②③の一例: ECUサプライヤーでの量産実装開発フェーズ 1000行程度のCソース部品開発で20%程度の工数低減効果

①Simulink仕様書: シミュレーション活用による開発のフロントローディング ②ECUサプライヤーとのIF: 制御仕様解釈の効率化・誤解釈の防止 ③自動コード生成: 制御検討ソフトの開発効率化と量産でのコーディングレス化

うれしさ

Figure modified from T.Katayama, A.Ohata, Y.Uematsu, “Production Code Generation for Engine Control System”, IAC 2004

Development Time

Softw

are

Desig

n

Codin

g

Verific

atio

n

Desig

nM

odifica

tion

Verific

atio

n

Inte

gra

tion

Softw

are

Verific

atio

n&

Valid

atio

n

Codin

g

20%

Softw

are

Desig

n

Verifica

tion

Desig

nM

odific

atio

n

Verifica

tion

Inte

gra

tion

Softw

are

Verific

atio

n&

Valid

atio

n

MBD Efforts（Simulink仕様書＋自動コード生成）

Before

After

2001年~

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これまで（第1世代: R12.1）

①Simulink仕様書: 記述自由度の高さ モデリングガイドライン: MAABガイドラインをベースに、ガイドライン策定し運用 ブロックライブラリ: 使用可能なブロックを限定

②自動コード生成: コード効率、品質面の不安、既存ソフト・プロセスとの親和性 量産用自動コード生成ツールをトヨタ・デンソーで共同開発 （Real-Time Workshop® Embedded Coderをベースにカスタマイズ）

特別技術サポート（トヨタ・デンソー・MathWorks・サイバネットの4社契約）

むずかしさ

MAAB Guidelines: 業界標準策定にも参画 http://jp.mathworks.com/solutions/automotive/standards/maab.html

特別技術サポート: 継続的サポート・互換性確保 ・量産適用するツールは長期間バージョン固定 ・バージョン固定期間の技術サポートをMathWorks・ サイバネットとの契約により確保

http://www.cybernet.jp/news/press/2003/20031204.html

2001年~

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これまで（第2世代: R2006b） みがきあげる

http://www.cybernet.jp/news/press/2007/20070910.html

2007年: ・初の標準バージョン移行 格段の品質向上

・・・トヨタ自動車 電子開発部門のマネージャである林 和彦氏は、『・・・また、R2006b の新機能、なかでもReal-Time Workshop Embedded Coderを使用した量産ソフト自動コード生成によって、生産性が大きく改善されることを期待しています。 ・・・ マスワークスの技術部門担当副社長アンディ・グレースは、『・・・トヨタ・デンソーの量産部門でR2006b、特に Real-Time Workshop Embedded Coder の展開が加速されることを楽しみにしています。・・・

2006年~

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これまで（第3世代: R2010b）

2011年: ・2度目の標準バージョン移行 コード効率向上 ・自動テスト生成技術の導入 （Simulink® Design Verifier™を活用したテスト生成等）

https://jp.mathworks.com/company/newsroom/toyota-and-denso- transition-mass-production-engineering-to-mathworks-r2010b-release.html

ひろめる

・・・量産コストを削減するため、自動車の固定小数点制御システムにおける、効率の良いROM/RAMのコード生成機能が強化されています ・・・ 今回の移行にあたり、トヨタ自動車 制御ソフトウェア開発部部長である畔柳 滋氏は次のように述べています。『2003年に始まったトヨタ、デンソー、MathWorksの協調開発活動は、この8年で非常に成熟しました。特に、・・・固定小数点ECUに対してコード生成技術の適用を拡大することで、コスト削減に大きな効果が出せることを期待しています。』 ・・・

2010年~

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これまで（第1世代 ~ 第3世代）

自動コード生成ツール*のユーザ数（国内外関連会社含む）の推移 [人]

R2010b版 R2006b版 R12.1版

2001 2006 2010 2015

R12.1 R2006b R2010b

Simulink仕様 量産適用 [トヨタ初]

自動コード生成 量産適用 [トヨタ初]

信頼性向上 コード効率向上 初量産適用

はじまり・・・ みがきあげる ひろめる

* Real-Time Workshop Embedded Coderをベースにカスタマイズ（トヨタ・デンソー共同開発）

主に自動コード生成技術を 軸としたソフトウェア開発の 進化とその普及の歴史

2001年~2015年

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本日の発表内容

• 背景

• モデルベース開発

• エンジン制御仕様・ソフトウェア開発の進化

– これまで（R12.1・R2006b・R2010b）

– これから（R2015a）

– その先

• まとめ

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これから（第4世代: R2015a） 2015年~

2015年: ・3度目の標準バージョン移行 開発生産性向上

うれしい

http://jp.mathworks.com/company/newsroom/toyota-and-denso-transition-mass- production-engineering-to-matlab-r2015a-release.html

MATLAB EXPO 2015 22

これから（第4世代: R2015a）

2015 2001 2006 2010

R12.1 R2006b R2010b

信頼性向上 コード効率向上 初量産適用

R2015a

制御設計機能・ 開発生産性向上

制御開発者のうれしさを 追求し、制御仕様開発の 進化を加速させる

・モデル解析: 既存モデルの理解に時間がかかる、影響分析にかかる工数大 ・パフォーマンスの改善: シミュレーションスピード遅い ・モデル閲覧: ちょっと見たいだけなのにモデル起動に時間がかかる ・使い勝手: もっとラクしたい・・・

第4世代に向けて取り組んできた主な項目 制御開発現場の声への対応

はじまり・・・ みがきあげる ひろめる うれしい

2015年~

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これから（第4世代: R2015a） 目指したゴールと解決したかった課題

2015年~

Cを作る道具から、制御設計の道具へ

制御開発

・既存モデルからの差分開発への対応 ・シミュレーション技術を活かしきれていない ・Simulink仕様書の生産性（可読性、 使い勝手等）向上

ソフトウェア開発

製品開発

・モデル設計に注力できる（C言語に労力を取られない）プロセスの実現

・自動生成コードが将来に渡って固定できるレベルに到達すること

・コード互換性 （Backward compatibility）

・運用時の生産性（仕向け切替、

使い勝手等）向上

要求分析制御設計

検討モデル作成 コード生成レガシー組み込み

システム評価

適合 / 評価

制御仕様書作成+仕様検証

自動コード生成

単体テスト

結合テスト

C

CCC制御仕様書

[0 to 1] 従来出来なかったことができるようになる [Cost half] 運用コスト半減

[0 to 1]

[0 to 1]

[Cost half]

MATLAB EXPO 2015 24

これから（第4世代: R2015a） トヨタ・デンソー・MathWorksの協調開発活動により実現したこと

2015年~

Cを作る道具から、制御設計の道具へ

制御開発

差分開発への対応 ・依存関係解析技術による開発生産性向上 →複雑なモデルから、設計者の関心ある部分を 素早く抽出できる

シミュレーション ・繰り返しシミュレーションのパフォーマンス改善 ・シミュレーションの巻き戻しができ、デバッグ効率向上

Simulink仕様書 ・アノテーション機能拡張による仕様書の可読性向上 ・サブシステム展開、コメントアウト/スルー等、使い勝手や作業性向上 ・MATLABいらず、Webブラウザーでサクサク閲覧

の一例

第4世代への移行により、MBDの更なる生産性向上を図っていく

MATLAB EXPO 2015 25

本日の発表内容

• 背景

• モデルベース開発

• エンジン制御仕様・ソフトウェア開発の進化

– これまで（R12.1・R2006b・R2010b）

– これから（R2015a）

– その先

• まとめ

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その先

2015 2001 2006 2010

R12.1 R2006b R2010b

信頼性向上 コード効率向上 初導入

R2015a

制御設計機能・ 開発生産性向上

はじまり・・・ みがきあげる ひろめる

20??

R20??

うれしい

・仕様の抽象度: もっと抽象度の高い仕様記述スタイル・表現技術 ・仕様の多面化・多次元化: 関心のあるコト/粒度の情報だけがすぐに見える/さわれる ・仕様の結合/分割: 自由自在にくっつけられる/分けられる ・圧倒的なスピード: シミュレーション時間<<<リアルタイム ・超直観的でシンプルな使い勝手: Google MapsTM、iPhone®等を凌ぐ ・車載マイコン並列化への対応 ・汎用化: カスタマイズなし ・コンパチビリティ: 楽にバージョンアップ ・・・・

指数関数的に進行する制御の複雑さ・大規模さと上手につきあっていくために・・・

MATLAB EXPO 2015 27

本日の発表内容

• 背景

• モデルベース開発

• エンジン制御仕様・ソフトウェア開発の進化

– これまで（R12.1・R2006b・R2010b）

– これから（R2015a）

– その先

• まとめ

MATLAB EXPO 2015 28

まとめ

• MATLAB/Simulinkの発展とともに歩んできたエンジン制御仕様・ソフトウェア開発の進化について、Simulink仕様書と自動コード生成を軸にこれまでの足跡を振り返った

• 第4世代としてバージョン移行を決定したR2015aについて、

協調開発活動の狙いと成果の一例を紹介

• 将来の取り組むべき方向性を提示

“It is not the strongest of the species that survives, nor the most intelligent, but the one most responsive to change.” - Charles Darwin