ملاحظات عملیاتی و نگرانی‌های اجتماعی موجب افزایش تقاضا برای داشتن هواپیما­هایی با مصرف سوخت، آلودگی صوتی و انتشار آلاینده‌های کمتر و همچنین کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری شده است. از سوی دیگر انتظارات مصرف­کنندگان (مشتری­ها) برای راحتی، سرگرمی و مسافرت­های هوایی کم هزینه باعث افزایش نیاز به سطوح کنترلی بالا در محیط کابین مسافران، توان الکتریکی بیشتر و قابلیت اطمینان بالاتر می­شود. این روند بازار باعث شده تولیدکنندگان هواپیما نسل جدیدی از هواپیماهای بسیار کارآمد را طراحی کنند. در نتیجه سطوح جدیدی از راحتی و آسایش مسافران، یکپارچگی سیستم و بهینه­سازی آیرودینامیک که نمونه آن هواپیمای بوئینگ 787 و ایرباس A350 است ارائه شد.

انتظار می‌رود هواپیماهای آینده این روند را ادامه دهند و مفاهیم پیشرفته مانند موتورهای هیبریدی، سطوح بالای مدیریت توان و ابزار آیرودینامیک جدید مانند بال­های متحرک با یکدیگر ترکیب و ادغام شوند. اما برای دستیابی به این دیدگاه نسل جدیدی از ابزارهای نرم­افزاری مورد نیاز است تا طراحی سیستم­ها کاملا قابل اطمینان، مقرون به صرفه و در زمان‌بندی موثر انجام شود.

ارائه ابزارهای مد‌ل‏سازی یکپارچه، شبیه­سازی و بهینه­سازی برای پشتیبانی موثر از تمامی مراحل طراحی هواپیما در صنعت هوافضا یک چالش مهم محسوب می­شود. در حالیکه پیشرفت­های متعددی در این زمینه بدست آمده است اما هنوز هم تکرارهای پر هزینه اغلب برای طراحی، توسعه، ادغام، اعتبار­سنجی و صحت­سنجی موفقیت‌آمیز اجزا و زیر سیستم‌های هواپیماهای مدرن ضروری است. سطوح بالای یکپارچگی سیستم‌ها در طراحی هواپیماهای جدید به طور چشمگیری پیچیدگی طراحی و صحت‌سنجی را به خصوص برای تجزیه و تحلیل وضعیت خطا و پیاده­سازی و اجرای نرم­افزارهای بدون نقص افزایش می‌دهد.

تحولات افزایش توان الکتریکی و پیچیدگی نرم افزار در هواپیما

تحولات افزایش توان الکتریکی و پیچیدگی نرم ­افزار در هواپیما

این در حالیست که ارتباط پیچیده بین سیستم‌ها باعث افزایش اهمیت تعاملات فیزیکی بین اجزای ساختاری، الکتریکی، حرارتی و هیدرولیکی هواپیما می‌شود. این تعاملات پیچیده بین زیرسیستم­ها فرایند طراحی سنتی که مبتنی بر مهندسی سیستم بر اساس اسناد کاغذی است را مشکل و تا حدی غیرممکن می‌کند. بنابراین روش­ها و ابزارهای جدید برای ایجاد هماهنگی بهتر بین ترتیب طراحی­های مختلف فراهم شد. از طریق این ابزارها الزامات و مقررات مناسب در مراحل مختلف طراحی مشخص شده و مشکلات بالقوه پیش از ساخت و آزمایش نمونه فیزیکی شناسایی می‌شوند.

در پاسخگویی به چنین نیازهایی، روش مهندسی سیستم مبتنی بر مدل (MBSE[1]) به عنوان یک رویکرد طراحی جایگزین معرفی شده است. این روش را می­توان به عنوان یک برنامه رسمی مد‌ل‏سازی برای پشتیبانی از نیازهای سیستم، طراحی، تجزیه و تحلیل، فعالیت‌های صحت‌سنجی و اعتبار­سنجی تعریف کرد که از مرحله طراحی مفهومی آغاز و در تمام مراحل توسعه سیستم و بعدها در مراحل چرخه عمر ادامه می­یابد.

با وجود پیشرفت­های قابل توجه در مد‌ل‏سازی، شبیه­سازی، طراحی و آزمایش‌های مجازی، هنوز کمبودهایی در یکپارچه­ سازی چارچوب­ها وجود دارد. از جمله این کمبودها می‌توان به امکان شبیه­سازی و مد‌ل‏سازی همزمان عوامل فیزیکی متعدد، بهینه­سازی چند عامله، و آزمایش مجازی اشاره کرد. در نتیجه کمبود یکپارچگی ابزارها یکی از دلایل اصلی تاخیر در توسعه طرح­های جدید پیچیده است.

بنابراین یک چارچوب یکپارچه برای مد‌ل‏سازی، شبیه­سازی و بهینه­سازی در صنعت هوافضا مورد نیاز است تا MBSE را در تمام مراحل طراحی و توسعه هواپیما به طور موثر به کار گیرد. زبان­های مد‌ل‏سازی چند منظوره استاندارد (به عنوان مثال Modelica) و ارتباط با دیگر ابزارهای معمول مورد استفاده در صنعت هوافضا مانند FMI[2] جنبه­های کلیدی برای دستیابی به این اهداف هستند.

در همین راستا مرکز تحقیقاتی هوافضای اتحادیه اروپا پروژه‌ای با هدف توسعه و ارائه یک چارچوب یکپارچه برای بهینه­سازی، طراحی، شبیه‌سازی و مد‌ل‏سازی بر اساس MBSE تعریف کرده است. این پروژه با محوریت کشور ایرلند و با عنوان ابزار­های شبیه­سازی و مد‌ل‏سازی برای تلفیق سیستم­های هواپیما (MISSION[3]) در سال 2016 آغاز به کار کرد. در توسعه این ابزار اهداف زیر مدنظر قرار گرفته است:

هدف 1: بهبود قابلیت­های طراحی یکپارچه در سطح سیستم و هواپیما از طریق ادغام همزمان عوامل فیزیکی متعدد و بهینه­سازی چند عامله و همچنین ایجاد توازن بین معیارهای چندگانه طراحی شامل انتشار آلاینده‌ها (CO2, NOx)، مصرف سوخت، وزن و هزینه

هدف 2: کاهش قابل توجه در زمان توسعه، هزینه و فعالیت‌های تکراری در طول فرآیند طراحی، توسعه و اعتبار‌سنجی با استفاده گسترده از روش‌های طراحی مبتنی بر مدل

هدف 3: پشتیبانی و ارائه فناوری از طریق یک محیط مشترک، باز و بی‌طرف برای ادغام با فناوری­های مختلف توسعه یافته در مرکز تحقیقاتی هوافضای اتحادیه اروپا

هدف 4: تلاش برای گسترش استفاده از پلتفرم نهایی توسعه‌یافته به منظور تقویت طرح اجرایی

مروری اجمالی از پلتفرم MISSION

نتیجه نهایی پروژه مذکور ساخت یک پلتفرم شامل عناصر زیر خواهد بود.

  • محیط شبیه‌سازی و مد‌ل‏سازی یکپارچه

یک محیط باز و مشترک که بر اساس زبان مد‌ل‏سازی Modelica بوده و شامل پلتفرم­ها و ابزارهای مشترک از چارچوب MISSION است.

  • پلتفرم بهینه­سازی در سطح هواپیما

یک پلتفرم برای طراحی کامپیوتری از معماری هواپیما است که امکان تعریف معیارهای طراحی از دیدگاه چند منظوره از جمله معیارهایی مانند CO2، انتشار NOX، مصرف سوخت، وزن و هزینه را دارد.

نمایی از پلتفرم MISSIONشکل 2: نمایی از پلتفرم MISSION

  • پلتفرم‌های بهینه­ سازی در سطح سیستم

مجموعه ای از پلتفرم­ها برای طراحی در سطح سیستم که امکان بهینه­سازی معماری الکتریکی، معماری حرارتی، ارابه فرود، سیستم‌های عملگر، بال و کابین خلبان را دارند. این بخش از سایر فناوری­های توسعه یافته در پروژه Clean SHY 2 اتحادیه اروپا پشتیبانی می‌کند.

  • ابزارهای طراحی مبتنی بر مدل برای کنترل و الگوریتم­های مدیریت سلامت و پیش آگاهی

ابزارهای طراحی مبتنی بر مدل برای کنترل سیستم­ها و الگوریتم­های نظارت بر سلامت که از «طراحی قوی و اعتبارسنجی قدرتمند» سیستم‌های مهم ایمنی هواپیما پشتیبانی می­کند.

  • پلتفرم ­های آزمایش مجازی

پلتفرم­ هایی که صحت­ سنجی و اعتبار­سنجی طراحی را در سطوح مختلف انتزاعی فراهم می‌کند. این پلتفرم­ها از آزمایشات مبتنی بر رایانه در مراحل اولیه توسعه و آزمایش بلادرنگ مبتنی بر آزمایشگاه برای واحدهای کنترل شبیه­ سازی شده و حتی واحدهای کنترل ساخته شده پشتیبانی می‌کنند.

مد‌ل‏سازی چند دامنه¬ای و پلتفرم شبیه¬سازی SimulationX

شکل3: مد‌ل‏سازی چند دامنه­ ای و پلتفرم شبیه­ سازی SimulationX، محیط شبیه­سازی چند منظوره نرم ­افزاری DESYRE

پلتفرم­های طراحی و بهینه‌سازی در سطح سیستم و هواپیما

در بالاترین سطح زنجیره طراحی (سطح هواپیما)، بهینه­سازی معماری هواپیما از سطح بالای نیازمندی­ها که عملیات‌های مورد انتظار هواپیما در آن تعریف می­شود، شروع خواهد شد. به این مرحله از طراحی فاز «طراحی مفهومی» گفته می­شود. قابلیت­های بهینه­سازی چند منظوره این پلتفرم‌ها امکان ایجاد یک مصالحه بین چندین معیار طراحی مانند انتشار، مصرف سوخت و هزینه چرخه عمر را فراهم می‌کند. نتایج طراحی به عنوان نیازمندی­ها (مقررات) برای پلتفرم طراحی سیستم به کار می­رود.

در مرحله بعد، یک پلتفرم طراحی در سطح سیستم وجود دارد که ترکیبی از یک کتابخانه جامع چند حوزه‌ای از زیرسیستم­ها و اجزای هواپیما است. این پلتفرم شامل ابزارهایی برای طراحی و بهینه­سازی معماری الکتریکی، معماری حرارتی، معماری بال­ها، سیستم فرود، سیستم‌های الکترومکانیکی و کابین خلبان است. در این سطح از طراحی نیز پلتفرم ارائه شده امکان ایجاد مصالحه بین پارامترهای مختلف را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.

طراحی الگوریتم­ها و کنترل­ها مبتنی بر مدل

خروجی پروژه MISSION یک ابزار توسعه یکپارچه شامل مجموعه­ای از توابع و مدل­های کتابخانه­ای برای کنترل و مدیریت، نظارت بر سلامت و همچنین قابلیت تشخیص خطا برای سیستم­ها و زیر سیستم­های هواپیما خواهد بود. این توابع و مدل­های استاندارد کتابخانه از طراحی توابع زیر پشتیبانی می­کند.

توابع مدیریت و کنترل: مدل­های عمومی برای توسعه و تست توابع مدیریت و کنترل سیستم­ها همچون سیستم الکتریکی، سیستم مدیریت هوا یا سیستم کنترل پرواز در سطح سیستم و سطح هواپیما.

توابع تشخیص خطا: قابلیت تشخیص نقص و خطا در سیستم­های هواپیما. ابزار MISSION با این قابلیت امکان ارزیابی میزان انعطاف‌پذیری سیستم و سطح تحمل خطا و نیز توانایی بازپیکره­بندی سیستم را فراهم می­کند.

توابع نظارت بر سلامت: قابلیت نظارت بر سلامت سیستم یک موضوع مهم در صنعت هوافضا است که با هدف پیشبرد روش­های نگهداری پیشگیرانه به منظور تعمیر و نگهداری پیشگویانه عمل می­کند. این برنامه نرم‌افزاری در طراحی سیستم­های کنترل از ابزاری همچون Matlab/Simulink پشتیبانی می‌کند.

علاوه بر این، ابزار MISSION با برخورداری از ویژگی‌های زیر، روند تبدیل طراحی به محصول را بهبود می‌بخشد.

تولید خودکار کد (ACG): برای تضمین حداکثر بهره­وری از مزایای بالقوه مدل­ها، در نرم‌افزار MISSION یک ابزار تولید خودکار کد پیش‌بینی شده است.

تولید خودکار تست (ATG): ابزار MISSION توانایی سنتز خودکار بردارهای تست را دارد. آخرین پیشرفت­های روز دنیا در روش­های ATG برای تولید خودکار حالت‌های تست در این ابزار به کار گرفته شده است.

صدور گواهینامه و صلاحیت کد: سازمان­های نظارتی در زمینه اویونیک به تازگی روش­های مبتنی بر مدل را به عنوان تابعی درجه اول برای توسعه نرم­افزارهای اویونیک به رسمیت شناخته­اند. ضمیمه استاندارهای DO-178C و DO-331 راهنمای مستقیمی در مورد نقش و استفاده از مدل­ها و فناوری­های مبتنی بر مدل برای صدور گواهینامه نرم­افزارهای هوابردی ارائه می­دهد. فرآیند و روش­های مبتنی بر مدل MISSION برای استانداردهای اخیر مانند DO-178C/DO-331و ARP 4754A با هدف کاهش زمان و هزینه­های صدور گواهینامه استفاده می­شود.

تست مجازی

در گذشته، تولید‌کنندگان صنعتی برای طراحی یک محصول، تنها بر تست‌های آزمایشگاهی و فیزیکی و محاسبات دستی تکیه می کردند. اما با افزایش پیچیدگی طراحی محصولات و همچنین فشار برای کاهش قیمت به منظور رقابت در بازار، توسعه و تست فیزیکی محصول را به فرآیندی هزینه‌بر برای تولید‌کنندگان تبدیل کرده است. با توجه به این موارد تولیدکنندگان علاقه مندند شبیه‌سازهای مجازی به جای استفاده‌ی صرف در تحقیقات دانشگاهی برای تست و توسعه‌ی محصولات تجاری مورد استفاده قرار گیرند.

برای برخی، شبیه‌سازی‌های مجازی چیزی جز صرف هزینه‌ی اضافی نیست. این حرف در مواردی که طراحی نیاز به هیچگونه اصلاح و تغییر ندارد، درست است اما زمانی که یک محصول نیاز به بهبود و اصلاح دارد، شبیه‌سازی‌های مجازی اهمیت پیدا می‌کنند. همیشه قبل از طراحی نهایی محصول، لازم است تست‌های متعددی بر روی آن صورت گیرد. اما انجام تست‌های فیزیکی اغلب زمان‌بر است و لزوم تکرار این تست‌‌ها برای تولیدکننده هزینه‌های زیادی در بر دارد. برای سازمان‌ها و شرکت‌هایی که دارای بودجه کمی هستند و قسمت زیادی از هزینه‌های آن‌ها صرف اینگونه تست‌ها می‌شود، زمان مناسبی است تا از ابزار و امکانات شبیه‌سازی مجازی استفاده کنند. با استفاده از شبیه‌سازی مجازی تعداد تست‌های آزمایشگاهی و همچنین هزینه‌های مربوط به آن‌ها (ساخت و تست) کاهش می‌یابد.

یکی دیگر از مزایای شبیه­سازی مبتنی بر روش­های صحت­سنجی، امکان تست خودکار است. تست­های خودکار علاوه بر افزایش میزان پوشش‌دهی بخش‌های مختلف سیستم، امکان صرفه‌جویی در زمان با اجرا در شب را فراهم می‌کنند.

بخشی از استراتژی MISSION امکان تست مجازی بر اساس صلاحیت مدل برای صدور گواهینامه است. MISSION با سازمان­های نظارتی مانند EASA برای بررسی راهکارهای تسهیل دریافت گواهینامه محصولات تست شده بر اساس روش‌های خود است.

نتیجه‌گیری

با توجه به نیازهای جدید برای ارتقاء سیستم‌ها در هواپیما و همچنین روند پیشرفت فناوری‌های نرم‌افزار محور و نفوذ آن‌ها در صنعت هوانوردی، شاهد پیچیدگی هرچه بیشتر مراحل طراحی هواپیما و سیستم‌های آن هستیم. از این‌رو عوامل مختلفی وجود دارد که طراح باید برای بهینه‌سازی آن‌ها تلاش کند. اغلب این عوامل در تضاد با یکدیگر بوده و باید یک مصالحه بین آن‌ها در نظر گرفته شود. وجود عوامل موثر مختلف و همچنین سیستم‌های متعدد در هواپیما فرایند بهینه‌سازی طراحی‌ها را بسیار مشکل می‌کند. اتحادیه اروپا با تعریف پروژه MISSION ابزاری موثر برای تسهیل طراحی در سطح سیستم و هواپیما ارائه کرده است که می‌تواند بطور همزمان عوامل مختلف طراحی را مدنظر قرار دهد.

 

پانویس ها:

[1] Model-Based Systems Engineering

[2] Functional Mockup Interface

[3] Modelling and Simulation Tools for Systems Integration on Aircraft