入門 ｜船舶用電力システムとモデルベースシステムエンジニアリング
船はマイクログリッドだ。これは新しいアイデアではない。今日ほど、その視点が的確だったことはない。私たちは、環境、経済、産業上の要件が交差する場所に立っている（航海している！）。船舶は「相互接続された負荷と分散型エネルギー資源であり...単一の制御可能な実体として機能し...陸上電力（グリッド）から接続したり切り離したりすることができる」、文字通りIEEEの定義するマイクログリッドである。この記事の目的は、Controller Hardware-In-the-Loop（CHIL）テクノロジーを使ったリアルタイムのモデリングとシミュレーションに必要なエンジニアリング要件を紹介することである。
モデルベースシステムエンジニアリング（MBSE）ソリューションは、船舶設計の標準である。CADCAM（Computer Aided Design and Computer Aided Manufacturing：コンピュータ支援設計およびコンピュータ支援製造）機能なしで船舶を建造しようとは誰も思わないだろう。しかし、ソフトウェアのみの設計スイートでは、正確なシミュレーションに必要なサブマイクロ秒の忠実度がないため、複数のパワーエレクトロニクス・コンポーネント（特にインバータと保護装置）を効果的にテストすることはできません。さらに、最新の統合制御システムは、多数のコントローラ上で文字通り数十万行のコードを実行しています。コントローラの機能をテストするための統合されたアプローチを提供するMBSEソリューションはありません。CHILは、専用のFPGAコンピューティングデバイスを組み込んで高速化を図るとともに、複数のコントローラをシステムとしてテストするために必要な機能を備え、高い忠実度を提供します。
HILソリューション｜最小限のリスクで高忠実度をテスト
HIL（Hardware In the Loop）は新しい技術ではない。実際、図1に示すように、HILにはさまざまな「味」がある。セーフティ・クリティカルな要求が厳しい自動車産業や航空産業では、90年代からこの技術が使われている。ここで、コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（CHIL）テストベッドは、車両上の多数のコントローラとモデル化されたコンポーネントで構成される。実際のソフトウェアが動作するシステムは、燃焼エンジン、油圧ブレーキ、HVAC、安全システムをモデル化した専用コンピューティングデバイスとインターフェースされている。その結果、CHILツイン（デジタル・ツイン、ただしコントローラーがループ内にあることに留意）は、コンポーネントの故障を含むシナリオで徹底的にテストされる（すべてシミュレートされているため、人員や機器に危害が及ぶ危険性はなく、スクリプトやボタンを押すだけで再現可能）。実際、ISO26262のような安全規格は、このようなテストに適している。
HILソリューションは、設計プロセスの初期段階をサポートするために、オールバーチャル（VHIL）機能を持つべきである。しかし、モデル化されたコントローラは、最終的なテスト、バリデーション、検証、試運転を行うには十分な精度とは言えません。コントローラがモデル化されている場合、オペレータ（例えばコンフィギュレーション・プログラミング）、ロジック、通信のエラーは、あまりにも簡単に見過ごされてしまいます。関連する他のコントローラとループ内で実際のソフトウェアを実行する実際のコントローラが、テストの最も効果的な方法です。パワー・ハードウェア・イン・ザ・ループ（PHIL）機能も、特にコンポーネントOEMにとっては重要である。インバータなどのフルパワーテストに代わるものはありませんが、これが完了し、そのデバイスのモデルが検証されれば、システムインテグレーターは、図2や図3のようなサブシステムやシステムのテストに焦点を当てたCHILテストベッドが最も効果的です。
別のアプローチもあるが、高度な配電と全負荷を備えた船舶の統合電力システム全体をテストベンチとして構築することは、法外に高価であり、船舶のライフサイクルの間、絶え間ない更新、修理、交換を必要とする。むしろ、CHILテストベッドは、開発と設計の間に構築され、試運転をサポートするために使用され、その後、コストと労力のほんの一部で、時間の経過とともにクラス内のすべての船舶の特性を反映するように更新される可能性があります。将来的には、CHILツインが船舶に搭載され、自律的な運用と回復力を強化することが期待されている。これは、業界にとってエキサイティングな時代である！
クレジット
テキスト ｜マット・ベイカー
ビジュアル ｜マット・ベイカー、セルジオ・コスタ、カール・ミッケイ
編集 ｜デボラ・サント、セルジオ・コスタ
