モデルベース開発とは？製造業で導入するメリット・活用例・導入時のポイントを解説

1. はじめに

製造業では、製品の高度化や短納期化が進み、特に組込みシステムを搭載する製品では、ソフトウェア制御の重要性が高まっています。

従来型の組込みシステム開発では、仕様書をもとに設計や実装を進め、試作品や実機を用いて検証するため、問題が後工程で見つかると、修正に多くの時間やコストがかかる場合があります（参照*1）。

そこで注目されているのが、モデルベース開発（MBD）です。MBDは、製品や制御システムの挙動をモデル化し、シミュレーションを通じて設計の早い段階から動作や仕様を検証する開発手法です（参照*2、参照*3）。 

本記事では、モデルベース開発の基本や製造業で注目される理由、導入メリットに加え、具体的な活用例や導入を成功させるポイントを分かりやすく解説します。専門知識がない方にも理解しやすい言葉で、実務のイメージがつかめるように紹介します。

この手法により、試作品の削減や開発期間の短縮、不具合の早期発見などが期待でき、競争が激化する市場における製品開発の競争力向上にもつながる可能性があります。

また、部門間で情報を共有しやすくなり、開発プロセスを整備しやすい点もメリットの一つです。

開発プロジェクトリーダーの方をはじめ、スピードと品質の両立を目指す皆様にとって、本記事が導入を検討する際の参考になれば幸いです。

あわせて、実際の現場で想定される課題にも触れながら、導入を進める際に押さえておきたいポイントを紹介します。

2. モデルベース開発（MBD）の基本

モデルベース開発（MBD）とは、製品や制御システムの動作を数式やブロック図などのモデルで表し、シミュレーションによって早い段階からその挙動を検証する開発手法です。仮想環境で検証を行うため、多くの試作品を作る前に、上流工程から動作や仕様を確認できます（参照*2、参照*3）。

ソフトウェア制御を含む複雑な製品に適用しやすく、特に自動車などの組込みソフトウェア開発で活用されています。また、家電や電子機器を含む幅広い製品分野への適用も考えられます （参照*1、参照*3）。

また、モデルを活用することで、不具合や仕様上の問題を早期に発見し、モデル上で修正と再検証を行いやすくなります。検証を繰り返すことで設計品質の向上が期待でき、開発コストの削減や開発期間の短縮にもつながります（参照*2、参照*4）。

さらに、モデルを共通情報として活用することで、関係者間で設計内容を共有しやすくなり、認識のずれによる手戻りを減らせる点もメリットです（参照*1）。 

2.1. モデルを用いた設計・検証の全体像

MBDの基本的な流れ

1. 製品や制御システムをモデル化する
   
2. シミュレーションで動作を検証する
   
3. 問題が見つかったらモデルを修正する
   
4. 再度シミュレーションを行う
   
5. 問題が解消したら次の開発工程へ進む
   

MBDでは、まず製品や制御システムの動きを数式や論理ブロックでモデル化します。次に、そのモデルをシミュレーションソフトで動かし、想定どおりに動作するかを仮想環境で検証します（参照*3）。

この段階で設計上の矛盾や不具合が見つかった場合は、モデルを修正して再度シミュレーションを行います。これにより、上流工程でエラーや仕様の不整合を洗い出しやすくなります。

その結果、試作回数や修正工数を抑え、開発期間の短縮や品質向上につながることが期待できます（参照*2、参照*4）。

なお、制御ソフトウェア開発では、自動コード生成に対応したツールを利用することで、モデルからプログラムコードを生成することも可能です（参照*3、参照*5）。

2.2. 従来の開発との違いと比較

従来型の組込みシステム開発では、仕様書をもとに設計やコーディングを進め、試作品や実機による試験と修正を繰り返しながら完成を目指します。そのため、問題が実装後や試作後に見つかると、修正に多くの時間やコストがかかる場合があります（参照*1、参照*2）。  

項目	従来型の組込みシステム開発	モデルベース開発（MBD）
設計・検証方法	仕様書、コーディング、試作品を用いて段階的に検証する	モデルとシミュレーションを活用し、実装前から検証する
問題発見のタイミング	実装後や試作後に見つかる場合がある	上流工程から発見しやすい
試作・実機検証	試作品や実機を用いて検証する場合が多い	実機検証と併用しながら、試作回数を減らせる可能性がある
手戻り	後工程で発生すると影響が大きい	問題の早期発見によって抑えやすい
開発期間	検証や修正に時間がかかる場合がある	開発期間の短縮が期待できる

一方、MBDでは、モデルを用いた仮想検証によって、実装や試作の前から問題を発見しやすくなります。早い段階で不具合や仕様の不整合を確認することで、後工程での手戻りや修正工数を抑えられます（参照*2）。

また、実機で確認していた内容の一部をモデル上で検証できるため、実機検証と併用しながら、試作回数を減らせる可能性があります（参照*1、参照*4）。

このように、仮想環境でのシミュレーションによって実装前からさまざまな条件を検証でき、必要に応じて自動コード生成も活用できる点がMBDの特徴です（参照*3、参照*5）。 

3. 製造業でMBDが注目される背景

製造業では、製品の高度化と短納期への対応が求められています。特に自動車や産業機器など、電動化・自動化が進む分野では、制御ソフトウェアの重要性が高まり、開発期間の短縮や品質の確保が課題となっています（参照*1、参照*2）。

従来型の開発では、問題が実装後や試作後に見つかると、設計の見直しによって開発期間やコストが増える場合があります。そこで、上流工程から仮想環境で検証を行えるMBDが注目されています（参照*1）。

また、モデルを修正して再度シミュレーションすることで、仕様変更後の動作を確認しやすくなります。このように、変更への対応を進めやすい点も、MBDが導入される理由の一つです（参照*2）。 

さらに、部門間で円滑に情報を共有するためには、共通ルールを含めた開発プロセスの整備が欠かせません。その基盤として、モデルを共通の設計情報として活用する取り組みが進んでいます。

3.1. 製品の複雑化と開発スピードの要求

現在の製造業では、製品に搭載される機能がますます高度化しています。例えば自動車産業では、自動運転支援やエネルギー効率化など、多様な制御システムを短期間で開発することが求められています。

このような状況では、試作品だけで検証を進めると、開発スピードが追いつかなくなる可能性があります。そのため、製品の高度化と短納期化が進む中で、MBDによるシミュレーションや仮想検証の重要性が高まっています。

こうした課題に対応するため、特に自動車業界などではMBDの導入が進み、試作前の段階から問題を検証する取り組みが広がっています。

これにより、開発期間の短縮や設計品質の向上が期待されています。

3.2. ソフトウェア開発の比重増加

近年、組込みシステムを搭載する製品では、ソフトウェアの設計・開発が重要な役割を担っています。特に自動車や家電などでは、多くの機能が制御ソフトウェアによって実現されるため、シミュレーションによる検証が重要になっています。 

そのため、初期段階でソフトウェアの動きをモデル化しておくことで、仕様の追加や変更にも柔軟に対応しやすくなります。例えば、複雑な制御ロジックもモデル上で可視化して検証できるため、チーム全体で内容を共有しやすくなります。

さらに、自動コード生成に対応したツールを活用することで、モデルからプログラムコードを生成でき、手作業による工程やコーディングミスを減らすことが期待できます（参照*2、参照*3、参照*5）。このような理由から、ソフトウェア開発の効率化が求められる現場では、MBDが有効な選択肢の一つとなります。  

このように、多様化する顧客ニーズや急速な技術の進歩に対応するため、MBDは重要な開発手法の一つとして活用されています。

4. MBDの導入メリット

引用：https://www.nec-solutioninnovators.co.jp/ss/mobility/column/09/index.html

製造業におけるMBDの導入には、開発効率の向上をはじめ、さまざまなメリットがあります。ここでは、代表的な5つのメリットを紹介します。なお、得られる効果は業種や製品によって異なりますが、基本的な考え方はさまざまなプロジェクトに応用できます。 

MBD導入で期待できる主なメリット

• 開発期間の短縮と効率化
  
• 品質向上と不具合の早期発見
  
• 開発コストの削減
  
• 部門間コミュニケーションの改善
  
• ソフトウェア開発の効率化
  

4.1. 開発期間の短縮と効率化

MBDを導入する大きなメリットの一つは、開発期間の短縮が期待できることです。試作品を作る前に仮想環境で繰り返し検証できるため、試作や修正にかかる時間を抑えやすくなります（参照*2、参照*4）。

また、モデルによる検証では、不具合を早い段階で発見しやすくなります。初期段階で課題を洗い出すことで、後工程での手戻りを減らし、開発効率や設計品質の向上につなげられます（参照*1、参照*3）。

ただし、導入初期には、モデル作成や検証環境の整備、ツールの習得などに工数がかかる場合があります（参照*1、参照*2）。MBDが開発プロセスとして定着すれば、後工程の手戻りを減らし、継続的な効率化につなげやすくなります。 

短納期への対応が求められる場合は、上流工程からモデルを作成し、段階的に適用範囲を広げながら導入を進めることがポイントです。 

4.2. 品質の向上と不具合の早期発見

モデルを用いた仮想検証では、実機では確認しにくい動作もシミュレーションによって検証できます。そのため、不具合を早い段階で発見しやすくなり、設計品質の向上が期待できます。

従来は、実機テストで問題が見つかると、多くの工程をさかのぼって修正する必要がありました。しかし、MBDでは仕様を固める段階から問題を確認できるため、手戻りを減らしやすくなります。

例えば、自動車の制御ソフトウェア開発では、小さな論理ミスが大きな問題につながる場合があります。そのため、不具合を早期に発見できることは重要です。

このように、品質向上と不具合の早期発見は、より安定した製品開発につながる重要なメリットです。

4.3. コスト削減と開発プロセスの最適化

試作回数の削減に加え、手戻りを減らすことによる開発コストの削減も、MBDの大きなメリットです。実機テストだけでなく、設計段階での修正も抑えられるため、効率よく開発を進められます。

また、モデルを活用した開発プロセスを整備することで、部門間の受け渡しや確認手順を整理しやすくなり、無駄の少ない開発フローを構築しやすくなります。その結果、開発工程全体の流れを把握しやすくなります。 

既存のモデルやコンポーネントを再利用できれば、新しいプロジェクトで一からモデルを作成する手間を減らし、開発の効率化につなげられます（参照*2）。

また、MathWorksでは、まず一つのプロジェクトから始め、成果を確認しながらモデルやコード生成の適用範囲を広げる段階的な導入方法が紹介されています（参照*5）。段階的に導入することで、社内教育を進めながら、無理のない範囲で適用範囲を拡大できます。 

4.4. 部門間コミュニケーションの改善

製造業では、設計部門、製造部門、品質管理部門など、複数の部門が連携して製品を開発します。一方で、専門用語や知識の違いから、認識のずれが生じることも少なくありません。

MBDでは、モデルを共通情報として活用するため、数値やフローをもとに仕様を共有しやすくなります。文章や口頭だけで説明する場合と比べ、モデルを見ながら確認することで、関係者間で設計内容の認識をそろえやすくなります。

例えば、仮想検証で問題が見つかった場合でも、グラフや数値をもとに確認できるため、議論すべきポイントを共有しやすくなります。その結果、認識のずれによる手戻りを減らすことが期待できます。 

このようにモデルを共通情報として活用することで、関係者間の認識のずれを抑え、製品開発全体の効率向上につなげることが期待できます（参照*1、参照*4）。 

4.5. ソフトウェア開発の効率化

制御ソフトウェア開発では、複雑なロジックを正確に実装し、品質を確保することが重要です。自動コード生成に対応したツールを適切に活用することで、モデルからプログラムコードを生成でき、手作業によるコーディングミスを減らせます。

また、自動コード生成を活用する場合は、モデルの修正内容をプログラムコードへ反映しやすくなるため、要件変更にも対応しやすくなります。さらに、組込みソフトウェア開発では、作業工程の標準化や、モデルを活用したドキュメント作成・管理の効率化につながることも期待できます（参照*4）。 

MBDは、ソフトウェアの変更や改良を伴う製品開発において、短納期への対応や品質向上を支える手法として活用できます。

このように、MBDは製造業が抱える開発期間の短縮や品質向上などの課題に対応する有効な手法の一つです。

5. 製造業におけるMBDの活用例

ここでは、MBDの代表的な活用分野や活用方法を3つ紹介します。自動車産業や産業機械、家電・電子機器はいずれも、ソフトウェア制御が製品開発の重要な役割を担う分野です。これらの分野では、動作シミュレーションや制御アルゴリズムの検証にMBDを活用することで、試作回数の削減や設計品質の向上が期待できます。 

5.1. 自動車産業の制御システム開発

自動車には複雑な制御ソフトウェアが数多く搭載されており、エンジンやブレーキ、ステアリングの制御から、自動運転支援まで幅広い機能に利用されています。自動車分野では、制御システムの複雑化を背景にMBDの導入が進んでいます（参照*2）。

MBDを活用することで、制御ロジックをモデル化し、走行シミュレーションを通じて性能や、安全に関わる制御の挙動を検証できます（参照*3）。また、不具合を早い段階で発見しやすくなるため、制御設計の品質向上にもつながります。

さらに、自動コード生成に対応したツールを利用すれば、モデルからプログラムコードを生成でき、コーディングや実装後の検証を効率化しやすくなります（参照*2、参照*5）。 

このような開発手法を定着させるためには、開発チームがモデル作成やシミュレーションのスキルを身に付けることも重要です。

5.2. 産業機械・ロボットの動作シミュレーション

工場で稼働する産業機械やロボットでは、正確な動作制御と安全性が重要です。MBDの活用方法として、複雑な動作を仮想環境で再現し、稼働効率や安全に関わる動作条件を事前に検証することが考えられます。

例えば、ロボットアームの制御では、動作軌道や衝突の可能性をシミュレーションし、その結果を制御ロジックへ反映する方法があります。これにより、試作品を作る前から、想定する運用条件をモデル上で検証できます。 

また、設計部門、制御ソフトウェア開発部門、品質管理部門がモデルを共通情報として活用することで、設計内容を共有しやすくなり、認識のずれによる手戻りの削減が期待できます。 

小規模なテーマから段階的に導入することで、MBDを無理なく活用しやすくなります。

5.3. 家電・電子機器の組込みソフトウェア開発

家電や電子機器には、多くの機能が搭載されるようになっています。冷蔵庫やエアコンなど、複数のセンサや制御回路を備えた製品では、複雑な動作を組込みソフトウェアで制御しています。

MBDの活用方法として、これらの制御システムをモデル上で検証し、試作品を作る前に動作をシミュレーションすることが考えられます。省エネ制御や温度管理なども、モデル上で繰り返し検証することで、制御設計の品質向上が期待できます。

また、大規模な開発チームでも、モデルを共通情報として活用することで、設計内容を共有しやすくなります。

このような活用により、手戻りの削減や開発効率の向上につながる可能性があります。 

6. 導入時の課題と成功のポイント

モデルベース開発には多くのメリットがありますが、導入時にはいくつかの課題もあります。重要なのは、ツール導入や社内教育を進めるだけでなく、共通ルールを整備し、段階的に導入を進めることです。ここでは、代表的な課題と導入を成功させるポイントを解説します。 

MBD導入時によくある課題

• モデル作成スキルの習得
  
• シミュレーションツール・自動コード生成ツールの導入
  
• 社内教育と人材育成
  
• 共通ルールや開発プロセスの整備
  

6.1. モデル作成スキルとツール導入

MBDの成果を左右する重要な要素の一つが、検証の目的に合ったモデルを作成することです。モデルの精度や作成スキルが不足していると、シミュレーション結果を十分に活用できない可能性があります。また、導入にはモデル作成やツール習得、人材育成などの負担も伴います（参照*1、参照*2）。

シミュレーションツールや自動コード生成ツールの導入には、ライセンスや利用環境に応じた費用がかかる場合があります。そのため、最初から組織全体へ展開するのではなく、小規模なプロジェクトで効果を確認しながら、段階的に適用範囲を広げる方法が考えられます（参照*5）。 

ツールを選ぶ際は、実際に利用する担当者の意見を取り入れ、使いやすさやカスタマイズ性、技術サポートなども確認するとよいでしょう。十分に比較・検討することで、導入後のリスクを抑えやすくなります。

導入時は現在の機能だけでなく、将来の拡張性も考慮して選定することが大切です。

6.2. 社内教育と開発プロセスの整備

新しい開発手法を導入する際は、社内教育の進め方が成功を左右します。MBDの概要を説明するだけでなく、演習や実習を通してモデルを作成し、シミュレーションを実践できるレベルまで習得することが重要です。

また、部門ごとに異なる進め方では十分な効果を得にくいため、全員が共通して取り組める開発プロセスを整備する必要があります。その際は、モデルのバージョン管理やレビュー体制を明確にしておくことが大切です。

さらに、MBDに詳しい人材が少ない場合は、外部セミナーや専門家の支援を活用する方法もあります。必要に応じて外部と連携しながら社内にノウハウを蓄積することで、次のプロジェクトにも活かしやすくなります。

重要なのは、技術面だけでなく、実際に運用するメンバー同士が協力できる体制を整えることです。

6.3. 段階的な導入と共通ルールの確立

MBDを最初から組織全体へ導入すると、モデル作成やツール習得、プロセス変更などの負担が一度に発生する可能性があります。そのため、まず一つのプロジェクトから始め、成果を確認しながら導入範囲を段階的に広げる方法が有効です（参照*5）。

また、早い段階で共通ルールを整備することで、部門ごとの運用の違いを抑え、開発プロセスを円滑に進めやすくなります。また、早い段階で共通ルールを整備することで、部門ごとの運用の違いを抑え、開発プロセスを円滑に進めやすくなります。モデルの命名規則やフォルダ構成、レビュー手順などを統一しておけば、担当者間で共通した手順に沿ってモデリングやシミュレーションを進めやすくなります。 

このように、段階的な導入と共通ルールの整備を組み合わせることで、MBDをより円滑に定着させることができます。大切なのは、現場が運用しやすい仕組みを整え、導入メンバーが主体的に取り組める環境をつくることです。

その結果、開発期間の短縮や品質向上に加え、コスト削減などの効果も期待できます。

7. まとめ：MBD導入の総括

モデルベース開発（MBD）は、製造業における製品の高度化や短納期化、ソフトウェア制御の複雑化に対応するための開発手法として注目されています。

試作回数の削減による開発期間の短縮や、シミュレーションを活用した不具合の早期発見による品質向上など、製品開発におけるさまざまな課題への対応が期待できます。

一方で、導入にはモデル作成スキルの習得やツール導入、社内教育などの課題もあります。そのため、小規模なテーマから始め、共通ルールを整備しながら段階的に適用範囲を広げていくことが重要です。

MBDを効果的に活用することで、部門間の情報共有を円滑にし、開発効率や品質の向上につなげることが期待できます。自社の開発体制に合わせて無理のない範囲から取り入れ、継続的な改善につなげていきましょう。

＜参考文献＞
（*1）モデルベース開発とは？メリット・デメリットや導入の課題などを徹底解説 | 東芝情報システム株式会社
https://www.tjsys.co.jp/focuson/clme-mdb/index_j.htm

（*2）MBD(モデルベース開発)とは？自動車開発におけるメリットと課題 | モビリティソリューション | NECソリューションイノベータ
https://www.nec-solutioninnovators.co.jp/ss/mobility/column/09/index.html

（*3）MBD(モデルベース開発) - MATLAB & Simulink
https://www.mathworks.com/discovery/mbd.html

（*4）モデルベースデザインを採用する理由 - MATLAB & Simulink
https://jp.mathworks.com/campaigns/offers/next/why-adopt-model-based-design.html

（*5）モデルベースデザイン - MATLAB & Simulink
https://jp.mathworks.com/solutions/model-based-design.html