[論文レビュー] Embedded Software Development with Digital Twins: Specific Requirements for Small and Medium-Sized Enterprises

Alexander Barbie, Wilhelm Hasselbring|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2023

Digital Transformation in IndustryEngineering参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、組み込みソフトウェア開発における中小企業（SME）におけるデジタルツイン（DT）の導入を調査し、ハードウェアへのアクセス制限、リアルタイム制約、セキュリティ／セーフティ上の懸念が主な障壁であると特定している。ツールの不足や保守的なエンジニアリング文化がある中でも、SMEは特にシミュレーターやエミュレータを用いたソフトウェアインザループ（SIL）テストを通じて、ソフトウェア品質の向上とカスタマイズ性の向上にデジタルツインの潜在的価値を認識している。

ABSTRACT

The transformation to Industry 4.0 changes the way embedded software systems are developed. Digital twins have the potential for cost-effective software development and maintenance strategies. With reduced costs and faster development cycles, small and medium-sized enterprises (SME) have the chance to grow with new smart products. We interviewed SMEs about their current development processes. In this paper, we present the first results of these interviews. First results show that real-time requirements prevent, to date, a Software-in-the-Loop development approach, due to a lack of proper tooling. Security/safety concerns, and the accessibility of hardware are the main impediments. Only temporary access to the hardware leads to Software-in-the-Loop development approaches based on simulations/emulators. Yet, this is not in all use cases possible. All interviewees see the potential of Software-in-the-Loop approaches and digital twins with regard to quality and customization. One reason it will take some effort to convince engineers, is the conservative nature of the embedded community, particularly in SMEs.

研究の動機と目的

• インダストリー4.0の文脈における中小企業における組み込みソフトウェア開発の現状を理解すること。
• SMEにおけるデジタルツインおよびソフトウェアインザループ（SIL）テストの導入を妨げる具体的な障壁を同定すること。
• SMEの開発ワークフローへのデジタルツイン統合に関する認識された利点と実務上の課題を調査すること。
• ドイツ北西部の異なるSMEにおけるデジタルツインの統合度と成熟度を評価すること。
• 主な導入の障壁と機会を特定することで、今後のツール開発および教育支援の方向性を示すこと。

提案手法

• ドイツ北西部の6つのSMEのエンジニアを対象に、半構造化インタビューを実施し、組み込みソフトウェア開発プロセスに焦点を当てた。
• インタビューのデータを翻訳・分析し、ツールの使用状況、ハードウェアへのアクセス、リアルタイム制約、セキュリティ上の懸念に関するインサイトを抽出した。
• デジタルシャドウ、デジタルツイン、完全なDTの機能を基盤とするフレームワークを用いて、デジタルツイン導入の現状をマッピングした。
• 物理的ハードウェアへのアクセスが限られる状況を踏まえ、シミュレーションまたはエミュレーションを用いたSILテスト手法の実現可能性を評価した。
• エンジニアリング文化およびソフトウェア工学教育の不足が、DT導入の主な非技術的障壁であると特定した。
• 定性的分析を用いて、開発制約、セキュリティ、デジタルツインの認識された利点に関するテーマを導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMEにおける組み込みソフトウェア開発の文脈で、デジタルツインの導入を妨げる主な制約要因は何か？
• RQ2 SMEは現在、ソフトウェアインザループ（SIL）テストをどのように実施しているのか。そのアプローチの限界は何か？
• RQ3 SMEの開発プロセスに、デジタルツインまたはデジタルシャドウはどの程度統合されているか？
• RQ4 SMEのエンジニアの視点から、デジタルツイン導入の認識された利点と課題は何か？
• RQ5 文化的要因および教育的要因は、SMEにおけるデジタルツイン技術の導入にどのように影響しているか？

主な発見

• 物理的ハードウェアへのアクセスが限られるため、SMEはソフトウェアインザループ（SIL）テストにシミュレーターやエミュレータに依存せざるを得ず、すべてのリアルタイム制御用途に適応できない。
• 正確なタイミング制約をエミュレートできる適切なツールが不足しているため、ハードリアルタイム要件が大きな障壁となっている。
• セキュリティおよびセーフティ上の懸念から、デジタルツインのリモート運用が制限され、大多数のSMEが完全なデジタルツインの導入を避ける。
• 唯一のSME（SSSHT）が完全なデジタルツインの導入を計画しているが、他のSMEは開発段階でのみデジタルシャドウやモデルを用いているにとどまっている。
• 技術的・文化的な障壁がある中でも、全インタビュー対象者が、ソフトウェア品質の向上およびカスタマイズ性の向上に向けたデジタルツインの潜在的価値を認識している。
• SMEにおける組み込みソフトウェアコミュニティの保守的傾向に加え、ソフトウェア工学教育の不足が、新しい開発手法の導入を遅らせている。