システムアーキテクチャ情報の統合化数理表現に基づくシステム最適化の自然原理の解明

• 研究課題/領域番号: 22K03876
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18030:設計工学関連
• 研究機関: 大阪公立大学
• 研究代表者: 森永 英二 大阪公立大学, 大学院情報学研究科, 准教授 (80432508)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円); 2024年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
• キーワード: システムアーキテクチャ / 数値表現 / システム最適化 / システム設計 / 数理表現・数値表現

研究開始時の研究の概要

工業製品などの人工物システムは、複数の段階を経て設計される。後半の段階では、形や大きさなど、数値で表現できる情報を決定するため、数式や数値計算に基づいて最適化と決定が行われる。他方、機能や動作などの、システムのアーキテクチャを決める、前半の段階では、言葉で表現される情報の決定が中心となり、経験や知識に基づいて適正化と決定が行われる。
本研究では、アーキテクチャの情報を数値や数式で表現する手法を構築して、システムのアーキテクチャと性能の数値的関係について考察を行う。これによって、システムの最適化全般を司る自然原理・法則の有無や内容について明らかにする。

研究実績の概要

工業製品をはじめとする人工物システムの設計過程は、複数の段階に分けることができる。レイアウトや形状、寸法などを決める下流側の段階では、数値表現可能な情報の処理が主体となることから、数理的アプローチに基づく最適化・意思決定が行われる。他方、アーキテクチャを決定する上流側の段階では、自然言語情報、概念情報の取扱いが中心となることから、経験・知識のデータベースを活用した設計支援が検討されてきている。本研究は、システムアーキテクチャ情報の数値・数理的統合化表現手法を構築し、上流側から下流側までの包括的最適化に関する数値的傾向・数理的法則・自然原理についての考察を行って、その存在の有無や内容について明らかにすることを目的としている。

令和４年度は、自然言語を用いた概念の表現と、それらの組合せ・階層関係のグラフ表現とで表されるシステムアーキテクチャの情報を、数値や数理式で統合的に表現する手法と、それを踏まえた、システムの良否の評価手法についての検討を行った。システムモデリング言語（SysML）の９つの図のうち、システムへの機能要求・非機能要求を整理し、木構造で細分化した要求図において、自然言語で表現された各ノードの要求の情報を、doc2vecによって数値ベクトルで表現するとともに、ノード間の意味的類似度を、cos類似度や差ベクトルのユークリッドノルム等で数値的に測り、その大小を評価することで、システムの良否の評価を行う手法を構築して、その一定の有効性を確認した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

計画では、令和４年度に、システムの要件だけでなく、振舞い、構造、制約を表すためのSysMLの図に対しても、数値的に表現する手法を検討し、令和５年度に、それらを対象として、システムの良否の評価やシステムアーキテクチャレベルでの最適化原理・支配法則の考察を行う予定であった。しかし、対象を要件に絞って数値的表現手法を検討し、システムの良否の評価に対する有用性までを先行して確認し、それを振舞いやその他に適用・拡張していくことで、研究をスムーズに進められることが期待できることから、前述の通り、要求図のみを対象とした数値的表現とそれに基づくシステムの良否評価に取り組んだ。このように、研究の作業項目の順序を入れ替えて研究を遂行したが、最初の２年間で取り組む予定であった項目の概ね半分程度を令和４年度に実施したことになることから、総合的な進捗としては、概ね順調に進展していると評価できる。

今後の研究の推進方策

システムの要件だけでなく、振舞い、構造、制約を表すためのSysMLの図に対しても、数値的に表現する手法を検討する。特に、組合せ・階層関係のグラフ構造の情報が十分に反映できていない点があり、この部分も考慮した手法を検討する。また、その手法に基づいた、システムの良否の観点からの数値的な傾向の把握や評価法の検討を行う。