Transcript ס - Technion

‫בלמ"ס‬
‫סימולציות ספרתיות ככלי וכשיטה‬
‫לאימות התכן‬
‫קובי ריינר‬
‫‪24/1/2011‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪1‬‬
‫בלמ"ס‬
‫תוכן המצגת‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫האתגר ההנדסי והמענה באמצעות סימולציות‪.‬‬
‫הסימולציה ככלי להבנת מערכות מסובכות‪.‬‬
‫הבעייתיות שבריבוי דיסציפלינות וסימולציות‪.‬‬
‫מיתווה לפיתוח באמצעות סימולציות‪.‬‬
‫הסימולציות האוויוניות בפיתוח ‪ :‬תכנון‪ ,‬מימוש‬
‫וניהול‪.‬‬
‫מרכזיות הסימולציה המערכתית באישור ובאימות‬
‫התכן‪.‬‬
‫סיכום‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪2‬‬
‫בלמ"ס‬
‫האתגר והמענה‬
‫• האתגר‪:‬‬
‫• תכן של מערכות מסובכות יותר בזמני פיתוח‬
‫קצרים יותר וללא פשרות באיכות המוצר‪.‬‬
‫• המענה‪:‬‬
‫• סימולציות ספרתיות בכל הדיסציפלינות ובכל‬
‫הרמות‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪3‬‬
‫בלמ"ס‬
‫מהי מערכת?‬
‫‪ = Systema‬שלם המורכב ממספר חלקים‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪4‬‬
‫בלמ"ס‬
‫השפעת התכן באמצעות מחשב‬
‫• תכן באמצעות מחשב (‪ )CAD‬שולט בכל תהליכי‬
‫הפיתוח‬
‫–‬
‫–‬
‫–‬
‫–‬
‫תכן מכני בהובלת ‪Pro-E + SolidWorks‬‬
‫תכן חשמלי בהובלת ‪Mentor + Cadence‬‬
‫תכן אלגוריתמי בהובלת כלי ‪Matlab‬‬
‫תכן תוכנה באמצעות ‪Raphsody‬‬
‫• שימוש בכלי ‪ CAD‬מאפשרים תכן מערכות‬
‫מסובכות‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪5‬‬
‫בלמ"ס‬
‫סיבוכיות (‪)1‬‬
‫• מסובך = מתערבב זה בזה‪ ,‬משולב‪ ,‬שאינו פשוט‪,‬‬
‫שדומה לסבך‪ ,‬שקשה להיחלץ ממנו‪ ,‬מורכב‪.‬‬
‫• מערכת מסובכת = קשה להבנה או קשה לניהול‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪6‬‬
‫בלמ"ס‬
‫סיבוכיות (‪)2‬‬
‫• ‪ – Detail Complexity‬סיבוכיות בגלל ריבוי מרכיבים‬
‫• ‪ – Dynamic Complexity‬סיבוכיות הנובעת משינוי‬
‫האינטראקציה שבין מרכיבי המערכת‪.‬‬
‫• כלים קונוונציונאליים (אנליטיים וסימולטיביים) לאנליזה‬
‫לוקאלית אינם מסוגלים להתמודד עם המערכות המסובכות‬
‫(ריבוי ממשקים‪ ,‬ריבוי טולרנסים‪ ,‬תלות הדדית‪)...,‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪7‬‬
‫בלמ"ס‬
‫אז מה עושים??‬
‫• מקצרים טווח בין כלי התכן‪ ,‬האנליזה והמימוש‬
‫באמצעות סימולציות מערכתיות‪.‬‬
‫• שמים דגש בתכנון‪ ,‬בפיתוח ובניהול הסימולציות‬
‫הלוקאליות במהלך פיתוח הפרויקט (בשאיפה לכל‬
‫הדיסציפלינות)‪.‬‬
‫• שמים דגש בתכנון‪ ,‬בפיתוח ובניהול הסימולציה‬
‫המערכתית (בשאיפה לכל הדיסציפלינות)‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪8‬‬
‫בלמ"ס‬
‫הסימולציות כמרכיב קריטי‬
‫באימות ותיקוף המערכת‬
‫• הניסויים נעשים במספר סופי של נקודות במעטפת‪.‬‬
‫• הסימולציות מפותחות ומכויילות במשך כל תהליך‬
‫הפיתוח‪.‬‬
‫ניסויים ‪ +‬סימולציה מכויילות‬
‫מערכת מאושרת‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪9‬‬
‫בלמ"ס‬
‫דוגמא לדיסציפלינות מקצועיות בפיתוח טיל טיפוסי‬
‫בקר הגאים‬
‫בקרת‬
‫טיסה‬
‫בקר מנוע‬
‫הנחייה‬
‫טילאות‬
‫מיסלול‬
‫ניווט‬
‫עיבוד‬
‫תמונה‬
‫עוקב‬
‫אווירואלסטיות‬
‫אלגוריתמים‬
‫התאמת‬
‫תמונה‬
‫דינמיקה‬
‫הנדסת חומרים‬
‫אלסטיקה‬
‫פלסטיקה‬
‫חוזק‬
‫מבנאות‬
‫אנליזה‬
‫מודאלית‬
‫מעבר חום‬
‫מכניקה‬
‫קריאוגניקה‬
‫תכן אדמות‬
‫‪Signal‬‬
‫‪Integrity‬‬
‫‪Power‬‬
‫‪Integrity‬‬
‫אנלוגי‬
‫ספרתי‬
‫אלקטרוניקה‬
‫אספקות‬
‫מכ"מ‬
‫‪RF‬‬
‫תקשורת‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪10‬‬
‫בלמ"ס‬
‫מדגם סימולציות בשימוש‬
‫• סימולציות מיכניות‬
‫– ‪Ansys, Patran, Nastran, Fluent, Adams, Auto Lev,‬‬
‫‪LsDyna, Work Bench, CF Design, EES, …..‬‬
‫• סימולציות חשמליות‬
‫• ‪Hyper Lynx, Spectra Quest, ModelSim, Tina, SLPS,‬‬
‫… ‪Orcad Pspice, HDL Coder, Engineering Base,‬‬
‫• סימולציות אלגוריתמיות‬
‫– ‪ ,Mathworks‬שפת ‪.... ,C/C++‬‬
‫קל הרבה יותר לבנות סימולציות מערכתיות אלגוריתמיות‬
‫(כולל תוכנה מנהלת)‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪11‬‬
‫בלמ"ס‬
‫מיתווה לפיתוח באמצעות סימולציות‬
‫• כל המפתחים יבצעו תכן באמצעות סימולציות‪.‬‬
‫• הגדלה מדורגת של הסימולציות המערכתיות‬
‫הדיסציפלינאריות‪.‬‬
‫– לדוגמא‪ :‬השימוש בסימולציות דינמיות במכניקה‬
‫מצומצם למדי‪ .‬לא מעט מהתקלות המיכניות שוחזרו‬
‫בסימולציות לאחר מעשה‪.‬‬
‫• הגדלה מדורגת של הסימולציות המערכתיות‬
‫הפרוייקטאליות‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪12‬‬
‫בלמ"ס‬
‫מהי סימולציה מערכתית ?‬
‫• מודל מבוסס מחשב המתאר את התנהגות המערכת‬
‫בנקודות עבודה נבחרות (סביבה וקלט)‪.‬‬
‫‪Input‬‬
‫‪Output‬‬
‫• המערכת הממודלת בסימולציה‬
‫המערכתית כוללת יותר ממרכיב אחד‪.‬‬
‫• מרכיבי המערכת הממודלים‬
‫בסימולציה המערכתית קשורים זה לזה‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪13‬‬
‫בלמ"ס‬
‫תצורת הסימולציה המערכתית‬
‫כל מרכיב מפותח מאילוצי ממשקים על מנת להתאים‬
‫לסימולציה מערכתית אחודה‪.‬‬
‫תצורה מאולצת ממשקים‬
‫תצורה לא מאולצת ממשקים‬
‫כל מרכיב ממשיך להיות מפותח בסביבה הטבעית‬
‫של המפתח‪ .‬המנוע המנהל דואג לתיאום הממשקים‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪14‬‬
‫בלמ"ס‬
‫דוגמאות לפיתוח סימולציה מערכתית‬
‫בתצורה לא מאולצת ממשקים‬
‫‪Ansys‬‬
‫‪Ansys‬‬
‫‪Mode‬‬
‫‪Frontier‬‬
‫‪CST‬‬
‫‪Pro-E‬‬
‫‪Excel‬‬
‫‪Mode‬‬
‫‪Frontier‬‬
‫‪Matlab‬‬
‫‪Pro-E‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪15‬‬
‫בלמ"ס‬
‫זרימת הסימולציות בפרוייקט (בעבר)‬
‫'סימולציה'‬
‫סופית‬
‫סימולציה‬
‫היברידית‬
‫דינמית‬
‫אלגוריתם ‪1‬‬
‫אלגוריתם ‪2‬‬
‫אלגוריתם ‪N‬‬
‫איטי‪ ,‬יקר‪,‬‬
‫ומסורבל‬
‫סימולציה‬
‫היברידית‬
‫סטטית‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫מהיר‪ ,‬זול וגמיש‬
‫בלמ"ס‬
‫זרימת הסימולציות בפרוייקט (היום)‬
‫'סימולציה'‬
‫סופית‬
‫סימולציה‬
‫היברידית‬
‫דינמית‬
‫סימולציה‬
‫מערכתית‬
‫אלגוריתם ‪1‬‬
‫אלגוריתם ‪2‬‬
‫אלגוריתם ‪N‬‬
‫איטי‪ ,‬יקר‪,‬‬
‫ומסורבל‬
‫סימולציה‬
‫היברידית‬
‫סטטית‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫מהיר‪ ,‬זול וגמיש‬
‫בלמ"ס‬
‫תכולות הסימולציה המערכתית‬
‫תוכנה‬
‫תוכנה‬
‫מבצעית‬
‫עיבוד‬
‫תמונה‬
‫תוכנה‬
‫מבצעית‬
‫בקרת‬
‫מערכות‬
‫תוכנה‬
‫מבצעית‬
‫ניווט‬
‫תוכנה‬
‫מבצעית‬
‫טילאות‬
‫תוכנה‬
‫מבצעית‬
‫מתאם למע'‬
‫הפעלה‬
‫ולחומרה‬
‫דימוי בדידים‪,‬‬
‫דימוי זכרון‪...,‬‬
‫מודל חוזי‬
‫(קבצים או‬
‫סרטים)‬
‫מודל‬
‫גימבלים‪,‬‬
‫מודל מדידים‪,‬‬
‫‪...‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫מודל ‪,IMU‬‬
‫מודל ‪,GPS‬‬
‫‪...‬‬
‫מודל‬
‫אטמוספירה‪,‬‬
‫מודל‬
‫אווירודינמי‪,‬‬
‫‪...‬‬
‫‪18‬‬
‫בלמ"ס‬
‫הסימולציות ומטרותיהן בקבוצות פיתוח האלגוריתמים‬
‫(בקרה‪ ,‬הנחייה‪,‬ניווט‪ ,‬עיבוד תמונה‪ ,‬עקיבה‪)...,‬‬
‫• ס' לתכן אלגוריתם ראשוני עם מודלים מפושטים ‪Matlab, -‬‬
‫‪Simulink‬‬
‫– שלב ראשוני לתכן והגדרה‬
‫– הערכת ביצועים ראשונית‬
‫– בסיס לאימות התוכנה המבצעית‬
‫• ס' לפיתוח קוד מבצעי של האלגוריתם )… ‪(C, C++,‬‬
‫–‬
‫–‬
‫–‬
‫–‬
‫מימוש הקוד המבצעי‬
‫מימוש הדימויים הנדרשים‬
‫אימות ביצועים יחסית לסימולציית התכן‬
‫בסיס לאימות מימוש התוכנה בסביבה המבצעית‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫בלמ"ס‬
‫הסימולציות המערכתיות ומטרותיהן‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫ס' מערכתית‬
‫– אישור התוכנה המנהלת המבצעית המתווכת בין המדידים‪ ,‬המפעילים‬
‫והאלגוריתמים‪.‬‬
‫– אימות ממשקים ספרתיים ותהליכים מבצעיים‪.‬‬
‫– אימות אלגוריתמים בסביבה מערכתית יותר (מול הסימולציות לפיתוח הקוד‬
‫האלגוריתמי)‪.‬‬
‫– יצירת עירור תרחישים לבחינה בסימוליה ההיברידית‪.‬‬
‫– בסיס לאישור בדיקות בסימולציות ההיברידיות‪.‬‬
‫– כלי לשחזור תקלות ותיקונן‪.‬‬
‫ס' היברידית סטטית‬
‫– אישור מימוש מבצעי לאלגוריתמים ולמנהל משימה בסביבת דימויים דינמיים‬
‫(למדידי ניווט ולתמונה סינטטית) והזרקת שגיאות ותקלות‪( .‬האישור נעשה‬
‫יחסית לסימולציות פיתוח האלגוריתמים ולסימולציה מערכתית)‪.‬‬
‫– אישור ממשקים חשמליים‪.‬‬
‫– אישור תזמונים‬
‫ס' היברידית דינמית‬
‫– אישור העקיבה‪ ,‬הבקרה וההנחייה בסביבת דינמיקה זוויתית‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫בלמ"ס‬
‫תהליך פיתוח אופייני לסימולציה‬
‫חקר‬
‫ביצועים‬
‫של‬
‫המערכת‬
‫פענוח‬
‫פענוח‬
‫ותיקוף‬
‫מודלים‬
‫ניסוי‬
‫סקרי‬
‫מערכת‬
‫מוכנות‬
‫לניסוי‪-‬‬
‫בדיקות‬
‫מערכת‬
‫בתרחישי‬
‫הניסוי‬
‫אינטגרציה‬
‫ובדיקות‬
‫סימולציה מערכתית‬
‫מערכת מבצעית‬
‫סקרי‬
‫מערכת‬
‫אינטגרציה‬
‫אישור‬
‫ובדיקות‬
‫פיתוח‬
‫פיתוח‬
‫ועדכון‬
‫הסימולציה‬
‫המערכתית‬
‫עדכוני מודלים ותיקופם ‪ +‬עדכוני תוכנה ואישורם‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫סקרי‬
‫מערכת‬
‫הגדרת‬
‫תהליכים‬
‫הגדרה‬
‫והקצאת‬
‫דרישות‬
‫הגדרת דרישות‬
‫מהסימולציה‬
‫המערכתית‬
‫(תוכנה מבצעית‪,‬‬
‫דימויים וסביבות‬
‫עבודה)‬
‫‪21‬‬
‫בלמ"ס‬
‫ניהול התוכנות המבצעיות והדימויים‬
End
Hybrid Simulation
Algorithm
Simulation
Interface
Development
Operational Code
Verification
Interface
Development
Simulators
Development
Algorithm
Development
Protocol
Development
System Simulation
Mission Manager
Development
Target
Drivers
Development
= Operational ICD
= Simulator
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
Operational Code
Development
= Operational CSCi
‫בלמ"ס‬
‫סימולציית ניווט‬
GPS Errors Parameters
Operational ICD
“Mission Manager”
Nominal GPS Input File
GPS
MODEL
GPS Status
Navigation
IMU Errors Parameters
IMU
MODEL
Nominal IMU Input File
CSCi
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
Launcher
MODEL
Nominal AC Input File
AC Errors Parameters
‫בלמ"ס‬
‫סימולציית טילאות‬
“Environment”
Engine Errors Parameters
Force
Equations
Launcher
Model
Engine Status
Nav Status
Engine
MODEL
Wind
MODEL
Servo
MODEL
Servo Errors
Parameters
Nav Errors
Parameters
Nav
MODEL
Guidance &
Control
CSCi
Moment
Equations
Discretes
Aerodyn.
Model
Atmosphere
Equations
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
“Mission Manager”
‫בלמ"ס‬
‫סימולציה מערכתית חוג סגור‬
‫ טילאות ותוכנה מנהלת‬,‫כולל ניווט‬
Force
Equations
Wind
MODEL
“Environment”
Launcher
Model
Navigation CSCi
Moment
Equations
MMI
Engine
MODEL
Servo
MODEL
Guidance & Control
CSCi
Discretes
Mission Manager
CSCi
Aerodyn.
Model
Operational ICD
IMU
MODEL
GPS
MODEL
Atmosphere
Equations
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫בלמ"ס‬
‫תשתיות סימולציה ברפאל‬
‫• ‪ :REMUS‬תשתית תוכנה גנרית לפיתוח סימולציות ספרתיות‬
‫• פותח ומתוחזק מאז ‪1995‬‬
‫• ספריה גנרית המספקת שרותים ומסגרת לסימולציה (‪)C++‬‬
‫• סביבה ידידותית להרצות (בודדת‪ ,‬סדרה‪ ,‬מונטה קרלו) ולחק"ב‬
‫• ‪ :GES‬תשתית חומרה‪/‬תוכנה גנרית לסימולציות היברידיות‬
‫• פותח ומתוחזק בחט"ל מאז ‪1996‬‬
‫• ספריה גנרית המספקת שרותים ומסגרת לסימולציה (‪)C++‬‬
‫• סביבה ידידותית להרצות (בודדת‪ STD ,‬אוטומטי)‬
‫• ממשק ‪GES/REMUS‬‬
‫• להרחבת השימוש בסימולציה המערכתית בסביבה ההיברידית‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫בלמ"ס‬
‫תכן באמצעות סימולציות מערכתיות כאמצעי‬
‫לשיפור איתנות התכן‬
‫• בדיקתיות גבוהה הרבה יותר‪.‬‬
‫– התוכנה נבדקת בשלוש רמות ‪:‬‬
‫• סימולצית מפתח לתיקון באגים פנימיים‬
‫• סימולציה מערכתית לתיקון באגים בממשקים שבין חבילות‬
‫תוכנה‬
‫• סימולציה היברידית לתיקון באגים בממשקי סינכרון‬
‫ובהתאמה לחומרה‬
‫• חקר ביצועים אינטגרטיבי אמין יותר‪.‬‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪27‬‬
‫בלמ"ס‬
‫יתרונות נוספים לתכן באמצעות‬
‫סימולציות מערכתיות‬
‫• הוזלת סבב פיתוח‬
‫– הצלחה בפעם הראשונה‬
‫– ביצוע ‪ Re-Use‬גדול יותר של תוכנות מבצעיות מאושרות‬
‫– התאוששות מהירה יותר מתקלות‬
‫– עלות האישורים היקרים זולה יותר‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬
‫‪28‬‬
‫בלמ"ס‬
‫אין ארוחות חינם‬
‫ההשקעה משתלמת !!!‬
‫קניין רפאל – מערכות לחימה מתקדמות בע"מ‬