安全性とソフトウェアを調和させた無人航空機の効率的な開発

無人航空機は、今日の航空業界における多くの課題を解決するために、さまざまな方法で活用されています。たとえば、人や貨物の輸送、NTN（非地上系ネットワーク）、環境モニタリング、国境の警備および情報解析、監視と偵察といった用途で使用されています。新しい無人航空機システムの中には、革新的で環境に優しいゼロカーボンを実現するテクノロジーや、サステナブルな動力源によるテクノロジーを採用するものもあります。

また、高度なソフトウェアを搭載し、多数の通信デバイス、センサー、電子制御システムが組み込まれたシステムもあります。そうしたシステムは特に人口密集地の上空を安全に飛行できるように認証が必要です。セーフティクリティカルな組込みソフトウェアを開発し、機能安全分析を実行することは、機能の安全性を確保し、安全認証プロセスを効率化して、組込みシステムの性能を最適化するための鍵となります。

システム、安全性、およびソフトウェアのエンジニアは、実装される組込みシステムの数が増え、複雑さが増す中、競合する目標を追求しながら、それらのバランスをとる必要があります。具体的な目標としては、以下のものがあります。

• 安全で信頼性が高く、高性能な組込み制御システムを開発する
• ARP4761、DO-178Cなど、多数の安全規格および要件に準拠する
• 新製品の開発コストを削減する
• 市場投入までの時間を短縮するために、システムおよびソフトウェア開発を加速させる

無人航空機の課題に対応するためには、新しい開発手法が必要です。その1つが、システム、ソフトウェア、および安全性に対処するモデルベース設計です。Ansys SCADEとAnsys medini analyzeを組み合わせることで、効率的なモデルベースシステムズエンジニアリング（MBSE）およびモデルベース安全分析（MBSA）アプローチをとることができ、システム設計者、セーフティエンジニア、ソフトウェア開発者は効率的なコラボレーションを通じて、耐空性目標を満たすシステムやソフトウェアを設計できるようになります。

航空宇宙関連企業であるSkydweller Aero社は、レンジローバーよりも軽量で、ボーイング747と同じ翼長を持つ、初の太陽光発電による自律型航空機を開発しています。同社は、この航空機で永久飛行の実現を目指していますが、厳しい要件を満たすために、Ansysの安全システムソリューションを採用しました。

Skydweller Aero社が、自律型フライトコントロールおよびパワーマネジメントシステムを開発するために、単一のツールチェーンを介してシステム設計プロセスに安全性を組込み、包括的なMBSE手法をどのように導入したかを見てみましょう。

Skydweller Aero社が直面する開発上の課題

Skydweller Aero社では、この厳密なMBSE/MBSA開発プロセスを実装する上で、考慮しなければならない要素がいくつかありました。1つはアジリティです。つまり、統合された機能セットで製品を段階的に開発することです。これらの機能セットを頻繁にリリースすることで、ソフトウェアとハードウェアの両方を強化できます。さらに、システム思考を強めて、各要素がどのように連携するかという全体像を理解することも重要です。もう1つの重要なステップは、安全工学とシステム設計プロセスで調和をとり、設計図ベースのアプローチからモデルベースのアプローチに移行することです。また、設計段階で顧客要件を考慮し、ビジネスプロセスをサポートすることも不可欠です。

プロセス駆動型のモデルベースシステムズエンジニアリングとは 

Skydweller Aero社のプロセス駆動型のモデルベースシステムズエンジニアリングは、運用シナリオを導き出し、さまざまなシステム機能を特定するための運用構想（CONOPS）の開発から始まります。結果として、運用、機能、および物理層を含む多層システムアーキテクチャモデルが得られます。これらはすべて、正確な割り当てとトレーサビリティリンクで接続され、安全分析と相互接続されます。

モデルベースの安全分析には、リスクをある程度低いレベルまで抑えるための最良の方法を特定するために、航空機、システム、および装置レベルでのシステムアーキテクチャモデルに基づいた安全評価が含まれています。たとえば、medini analyzeで実行できる安全分析手法の1つがフォールトツリー解析です。この解析を実行することで、イベントベースの故障率を効率的に計算し、システムがどのように故障する可能性があるかを理解できるようになります。Ansys medini analyzeでは、物理アーキテクチャまでの有害イベントのツールベースのトレーサビリティと、各コンポーネントの設計保証レベルの指示がサポートされます。

Skydweller Aero社のECSおよびモデリングエンジニアであるXavier Roy氏は、次のように述べています。「電動航空機にとって最大の課題の1つがバッテリの熱マネジメントです。Ansysのシミュレーションツールを使用することで、さまざまなミッションをシミュレーションし、設計を検証して、ミッションを確実に成功させることができます。これにより、設計反復を避け、時間とコストを大幅に節約できます。」

ソフトウェアエンジニアも、設計の早い段階からモデルベースのアーキテクチャと要件にアクセスできるようになります。手作業でコードを作成することなく、モデルを使用して制御アルゴリズムを実装してテストすることができるため、ソースコードのデバッグやテストに時間とリソースを無駄に消費することもありません。アーキテクチャモデルとモデルベースソフトウェアの自動同期は、効率的な反復計算の鍵となりますが、これはAnsys SCADEツールを使用することで効率化されます。

唯一の情報源となるモデル

Ansysの安全分析とソフトウェア設計ツールの統合は高度に自動化されており、プロセスの効率とデジタルな継続性をもたらします。

ここで説明したアプローチを導入すると、異なるエンジニアリング分野間で、唯一の情報源となるモデルに裏打ちされた共通の言語を持てるようになるため、組織のサイロ化を防ぐことができます。