例_要求定義・要件定義
「建設機械のリアルタイムシミュレーション」に関する要求定義・要件定義を整理します。
シミュレーションの目的や用途によって細かい要件は変わるでしょうが、建設機械シミュレーションを前提に、要件定義の流れに沿って考えてみます。
1. 要求定義（Requirements Definition）
要求定義では、システムの目的やステークホルダーのニーズを明確にします。
(1) シミュレーションの目的
- 建設機械（例：油圧ショベル、ブルドーザー、クレーン）の動作をリアルタイムで再現する
- シミュレーションを通じて、開発・設計・トレーニング・自動化アルゴリズムの検証を行う
- 現場での運用テストやコスト削減のためのシミュレーション環境を構築する
(2) ステークホルダーと要求
| ステークホルダー | 要求 |
|---|---|
| 開発チーム | 建設機械の挙動を正確にシミュレーションできること |
| 設計者 | メカニクスや物理特性を検証できること |
| AI/自動運転研究者 | 機械学習による制御アルゴリズムを試せること |
| 現場オペレーター | 操作トレーニングができること |
| 経営層・マネージャー | 開発コストの削減につながること |
(3) 想定されるユースケース
- 建設機械の設計・試作段階での動作検証
- CADデータをもとにシミュレーションし、関節可動域や負荷を評価
- 運転トレーニング用のVR/シミュレーター
- 実際の建機を操作する前に、バーチャル環境で訓練
- AIによる自動運転アルゴリズムの開発・検証
- LiDARやカメラを用いた環境認識と制御アルゴリズムのテスト
- 建設現場の施工シミュレーション
- 建設プロジェクトの工程管理や効率最適化のための仮想環境構築
2. 要件定義（Requirements Specification）
要求をもとに、具体的なシステム要件を定義します。
(1) 機能要件（Functional Requirements）
✅ 物理シミュレーション
- 剛体・柔軟体シミュレーション（クローラー、油圧シリンダーの挙動）
- 土砂 ・岩石の掘削・積載シミュレーション（粒子法、DEMなど）
- リアルな摩擦・衝突計算
✅ リアルタイムレンダリング
- 建機のアニメーション・スキンメッシュ対応
- 環境のグラフィック（地形、障害物）
- ライティング、影、マテリアル表現
✅ 環境認識シミュレーション
- LiDAR、ステレオカメラ、IMUなどのセンサーシミュレーション
- 実機データと連携しやすいデータ出力
✅ ユーザーインターフェース
- 操作用のGUI（トレーニングモード、データ解析モード）
- 入力デバイス（ジョイスティック、VRコントローラー）対応
✅ AI・制御アルゴリズムのテスト機能
- Python API / ROS 2 対応（AI制御の実験）
- 強化学習用のシミュレーション環境
(2) 非機能要件（Non-Functional Requirements）
✅ リアルタイム性
- 物理計算・レンダリングをリアルタイムで処理（目標：30～60FPS）
- 並列計算（マルチスレッド / GPU活用）で負荷分散
✅ 拡張性
- 追加の建機モデルやカスタム機能を簡単に追加できる設計
- 物理エンジン（PhysX, Havok, Bullet）との統合が可能
✅ 互換性・データ入出力
- Unity / Unreal Engine のプラグイン形式で提供
- BIM/CIMデータやCADデータ（STEP, IGES）と連携
- シミュレーションデータをCSV/JSONで出力
✅ 安定性・精度
- 物理演算の安定性（チラつきや異常動作を防ぐ）
- 精度の調整機能（高速計算モード vs 高精度モード）
✅ 運用・デバッグ性
- ログ機能（シミュレーションの動作履歴記録）
- 可視化ツール（グラフ、デバッグウィンドウ）
(3) システム構成（アーキテクチャ）
ソフトウェア構成
| コンポーネント | 技術候補 |
|---|---|
| 物理シミュレーション | PhysX, Havok, Bullet, MuJoCo |
| レンダリング | Unity, Unreal Engine |
| 環境認識 | ROS 2, OpenCV, LiDAR SDK |
| データ入出力 | JSON, CSV, ROSbag |
| 制御システム | PID制御, 強化学習（RLlib, TensorFlow, PyTorch） |
ハードウェア要件
- GPU: RTX 3060 以上推奨（リアルタイムレンダリング）
- CPU: 8コア以上（物理シミュレーション向け）
- RAM: 16GB 以上（大規模シミュレーション用）
3. まとめ
- 要求定義では、ステークホルダーのニーズやシミュレーションの目的を整理
- 要件定義では、具体的な機能・非機能要件を明確化
- システム構成として、物理エンジンやレンダリング技術、ハードウェア要件を設定
この内容をさらに詳細化し、UMLやユースケース図と組み合わせると、より整理しやすくなります。