[論文レビュー] Cyber-virtual systems: Simulation, validation & visualization

Jan Olaf Blech, Maria Spichkova+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2014

Simulation Techniques and Applications参考文献 39被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、物理的産業機器とソフトウェアでシミュレートされた同等物を組み合わせたハイブリッド環境としてのサイバー・バーチャルシステムを導入し、産業自動化分野におけるシミュレーション、検証、可視化の向上を図る。VITELabのグローバル可視化インfraストラクチャと形式的な空間的行動型（BT）を統合することにより、リモートでの共同作業、自動化された時空間的推論、物理的展開前の段階でのシステム動作の事前検証が可能となる。

ABSTRACT

We describe our ongoing work and view on simulation, validation and visualization of cyber-physical systems in industrial automation during development, operation and maintenance. System models may represent an existing physical part - for example an existing robot installation - and a software simulated part - for example a possible future extension. We call such systems cyber-virtual systems. In this paper, we present the existing VITELab infrastructure for visualization tasks in industrial automation. The new methodology for simulation and validation motivated in this paper integrates this infrastructure. We are targeting scenarios, where industrial sites which may be in remote locations are modeled and visualized from different sites anywhere in the world. Complementing the visualization work, here, we are also concentrating on software modeling challenges related to cyber-virtual systems and simulation, testing, validation and verification techniques for them. Software models of industrial sites require behavioural models of the components of the industrial sites such as models for tools, robots, workpieces and other machinery as well as communication and sensor facilities. Furthermore, collaboration between sites is an important goal of our work.

研究の動機と目的

• 特に鉱山やオイル・レッグズなどの遠隔地やアクセスが困難な現場における、産業自動化システムの物理的展開および統合にかかる高コストと複雑さに対処すること。
• 高度な可視化とシミュレーションを活用し、世界中の現場で開発者、運用担当者、保守担当者が共同で作業できる環境を提供すること。
• 時空間的行動を的確に捉えるための形式的で意味論的に豊富なソフトウェアモデルを、産業用部品のための開発を促進すること。
• 可視化、形式的モデリング、自動推論を統合し、衝突回避やセンサー範囲解析を含む、システム動作の早期検証を支援すること。
• 空間的行動型（BT）に基づく型システムを構築し、システム設計および進化段階における部品間の相互作用の整合性、再利用可能性、正しく動作する相互作用を保証すること。

提案手法

• 特にグローバル・オペレーション可視化（GOV）ラボを活用することで、VITELabインfraストラクチャを活用し、産業自動化施設の高解像度でマルチスクリーンにわたるリモート可視化を実現する。
• 人間要因分析に基づいた、人間が読みやすく保守性の高い半形式的仕様を用いて、産業用部品（ロボット、工具、コンベア、センサーなど）をモデル化する。
• 物理的および仮想的エンティティの時空間的行動を抽象化・合成・推論可能にするために、空間的行動型（BT）を形式的型システムとして定義する。
• BeSpaceDツールチェーンを用いてBT仕様をSMT/SAT問題に変換し、z3 SMTソルバで解くことで、形式的検証技術を適用する。
• BTに基づくモデルが衝突回避、センサー被覆範囲、部品の相互適合性の自動推論を可能にする統合パイプラインとして、シミュレーション、可視化、検証を統合する。
• ハードウェアインザループ（HIL）の原則を基盤とし、物理的ロボットと仮想的同等物との間のリアルタイム相互作用をシミュレートするように拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルな現場をまたいで共有仮想環境を用いて、リモートの産業自動化施設を効果的に可視化し、共同で監視することはどのように実現できるか？
• RQ2 産業用部品（ロボットやセンサーなど）の時空間的行動を正確に、読みやすく、再利用可能な形で仕様化するための形式的モデリング手法は何か？
• RQ3 空間的行動型（BT）の型システムは、システム設計およびアップグレード段階において、部品間の相互作用の整合性、再利用可能性、正しく動作する相互作用をどのように保証できるか？
• RQ4 BTモデル上の自動推論は、衝突回避やセンサー被覆範囲といった安全が求められる性質の検証を、どのような点で向上させられるか？
• RQ5 可視化、シミュレーション、形式的検証の統合は、産業自動化システムの展開における開発コストとリスクをどのように低減できるか？

主な発見

• VITELabインfraストラクチャは、高解像度マルチスクリーンディスプレイを用いて、大規模かつリモートで複数の現場にまたがる産業自動化システムの可視化に成功している。
• 空間的行動型（BT）は、産業用部品の時空間的行動をモデル化するための形式的で拡張可能なフレームワークを提供し、抽象化、適合性、精錬を支援する。
• BTの自動適合性チェックにより、部品が必要な行動的および空間的制約を満たしていることが保証され、安全な部品の交換と再利用が可能になる。
• BTをBeSpaceDツールチェーンと統合することで、SMT問題として表現された時空間的性質を自動的に検証でき、z3を用いて解けるようになる。
• BTモデルに基づくシミュレーションと可視化により、物理的展開前の段階で衝突やセンサーの盲点といった潜在的な問題を早期に検出できる。
• 仮想環境での安全かつスケーラブルな環境で、システム構成の仮想テスト、部品の交換、運用シナリオの検証が可能となり、開発および統合コストの低減が達成された。