روند پیشرفت معماری اویونیک

مقدمه

تا قبل از دهه 1960 میلادی، سیستم‌های اویونیک بیشتر مبتنی بر قطعات و مدارهای آنالوگ بودند. این سیستم‌ها کارکردهای سطح بالایی ارائه نمی‌دادند و از نظر اندازه، وزن و مصرف توان نسبت به سیستم‌های امروزی چندان مناسب نبودند. همچنین برای اتصال سیستم‌های مختلف به یکدیگر به حجم زیادی از کابل کشی نیاز بود. با توسعه فناوری‌های دیجیتال، به مرور سیستم‌های اویونیک آنالوگ با سیستم‌های دیجیتال جایگزین شدند. بدین ترتیب علاوه بر افزایش کارایی سیستم‌های اویونیک تبادل داده بین آن‌ها نیز از طریق گذرگاه‌های داده دیجیتال امکان‌پذیر شد. بر اساس نحوه تقسیم وظایف و ارتباط تجهیزات الکترونیکی با یکدیگر معماری‌های مختلفی برای پیاده‌سازی سیستم اویونیک کلی ارائه شده مورد استفاده قرار گرفت.

استفاده از فناوری محاسباتی دیجیتالی در سیستم‌های اویونیکی هواپیمای مسافربری سبب پیشرفت بسیار سریع مشخصات هواپیما و پیچیدگی ان شده است. افزایش ترافیک هوایی که با سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای در ارتباط هستند نیازمند ارتقای سیستم‌های نظارتی به همراه افزایش قدرت محاسباتی برای پیگیری مسیرهای پیچیده پرواز با دقت بسیار بالا می‌باشند. این کار با پیشرفت در فناوری اویونیکی دیجیتال که شامل زمینه‌های پردازشی، توسعه نرم‌افزار و ارتباطات دیجیتالی شبکه محور و توانا ساختن سیستم‌های هواپیما در یک مقیاس بسیار بزرگ یکپارچه شده امکان‌پذیر است. سیستم‌های اویونیک هواپیما در حال حاضر از نظر توانایی و پیچیدگی رشد چشم‌گیری داشته‌اند. پیشرفت این فناوری‌ها از جنبه‌هایی نظیر بهبود عملکرد، قدرت محاسباتی، پیچیدگی، قابلیت اطمینان، کاهش وزن، حجم، توان مصرفی، سیم‌بندی و هزینه‌های پشتیبانی است، هرچند که این پیشرفت‌ها افزایش قیمت را نیز به همراه دارد. در شکل ‏1 روند توسعه معماری سیستم‌های اویونیک از ابتدا تاکنون نشان داده شده است. این سیر تکامل شامل معماری آنالوگ، معماری دیجیتال، معماری به هم وابسته دیجیتال (Federated) و معماری یکپارچه و ماژولار دیجیتال (Integrated Modular Avionics) است.

شکل 1 روند توسعه معماری سیستم‌های اویونیک

معماری توزیع شده آنالوگ

معماری توزیع شده آنالوگ برای اولین بار در دهه‌های 1950 و 1960 ارائه گردید. در این نوع از سیستم‌ها، قسمت‌های اصلی به وسیله سیم‌کشی سخت باهم ارتباط داشته و هیچ نوع گذرگاه داده‌ای در آن وجود ندارد. در نتیجه حجم زیادی از سیم‌کشی در سیستم وجود دارد و هرگونه دستکاری یا تغییر در ساختار آن بسیار مشکل است. سیستم‌های آنالوگ همواره مستعد خطا و از کار افتادگی بوده و محاسبه با آن‌ها دقت و پایداری محاسبات سیستم‌های دیجیتال بعدی را ندارد. در شکل 2 (الف) یک نمونه از معماری توزیع‌شده آنالوگ نشان داده شده است. با رشد سیستم‌های دیجیتال، این قابلیت به وجود آمد تا از آن‌ها برای افزایش سرعت و دقت عملیات استفاده شود. این نوع سیستم‌ها در ابتدا بسیار سنگین، حجیم و دارای محدودیت حافظه بوده و هر واحد عملیاتی، کامپیوتر و حافظه مخصوص به خود را دارد. در این مرحله واحدها و تجهیزات سیستم با توجه به نوع کاربردشان از یکدیگر مجزا می‌باشند و با این وجود توانایی انتقال داده بین اجزا به خوبی بهبود داده شده است. گذرگاه داده نه تنها در زمینه انتقال سیگنال‌ها انعطاف‌پذیری بالایی از خود نشان می‌دهد، بلکه باعث کاهش قابل ملاحظه حجم سیم‌ها در این معماری می‌شود. اگرچه حجم زیادی از سیم‌کشی‌ها به این روش کاسته شده است ولی همچنان اضافه نمودن یک جزء به شبکه کار پیچیده و دشواری محسوب می‌شود. در شکل ‏2 (ب) یک نمونه از معماری توزیع‌شده دیجیتال نشان داده شده است.

شکل ‏2 الف) معماری توزیع شده آنالوگ ب) معماری توزیع شده دیجیتال

معماری به هم وابسته دیجیتال

در دهه 1980، معماری به هم وابسته دیجیتال در طراحی و تلفیق تجهیزات اویونیک مورد استفاده قرار می‌گرفت. در این معماری متناظر هر وظیفه، یک کامپیوتر برای پردازش اطلاعات قرار داده شده است و قطعات به صورت وابسته و توزیع شده در سطح هواپیما جانمایی می‌شوند. همچنین کلیه تجهیزات بوسلیه گذرگاه داده با یکدیگر ارتباط دارند. اما این ساختار موجب افزایش وزن و حجم سیستم‌های اویونیک خواهد شد. برای اولین بار در این معماری مفهومی جدید از قطعات اویونیک به نام واحد جایگزینی خط (Line Replacement Unit) ارائه گردید که نوعی پردازشگر تکامل یافته برای انجام وظایف خواسته شده است. در حقیقت یک معماری به هم وابسته از تعداد نسبتا زیادی LRU که با یک گذرگاه داده با یکدیگر در ارتباط هستند تشکیل شده است. در طول فرآیند به بلوغ رسیدن حافظه‌های الکترونیک به ویژه حافظه‌های غیر فرار، معماری به هم وابسته توانست از قابلیت برنامه‌نویسی مجدد در بسیاری از LRUهای سیستمی و گذرگاه‌های داده برخوردار گردد که این یک پیشرفت بسیار موثر در زمینه نگهداری محسوب میشود. سیستمهای به هم وابسته با میزان یکپارچه‌سازی عمیقتر و به کارگیری شبکههای فیبر نوری با پهنای باند بالا توانستند امکان پردازش حجم زیادی از اطلاعات را به وجود آورند. در شکل 3 نمونه‌ای از معماری به هم وابسته دیجیتال نشان داده شده است.

شکل 3 معماری به هم وابسته دیجیتال

معماری ماژولار (IMA)

در اوایل دهه 1990 میلادی شرکتهای هواپیمایی مفهومی را توسعه دادند که در آن چندین عملیات نرمافزاری از چندین سطح مختلف روی یک قطعه محاسباتی اویونیک مجتمع میشد. این کار باعث کاهش وزن و حجم گردید اما انتشار خطا روی یک پردازنده خطای بیشتری را در پی داشت که قابلیت اطمینان کنترل‌کنندهها را کاهش می‌داد و هزینههای نگهداری را بالا میبرد. در واقع، یکپارچهسازی نیازمند شرایط خاصی روی سیستم عامل است. یک واسط باید پیادهسازی شود که وظایف نرم‌افزاری متفاوت را از یکدیگر جدا نگه دارد و آنها را از سخت‌افزار تفکیک نماید و سرویسهایی را برای تشخیص خطای پیچیدهتر، ارائه دهد. برای کاهش هزینه‌های یکپارچه‌سازی، استاندارد نمودن مفاهیم ضروری است. اولین گام در این راستا در سال 1995 با ارائه مفهومی به نام IMA برداشته شد. این مفهوم جداسازی قطعات اویونیک به اجزای سازنده آن یعنی پردازنده، ورودی/خروجی، منبع تغذیه و درگاه شبکه را به همراه داشت. این عملکردها به ماژولهای مجزایی تخصیص داده شده است. این ماژولها عبارتند از: هسته ماژول پردازشگر، ماژول ورودی/خروجی، ماژول منبع تغذیه و ماژول درگاه شبکه. این ماژولها داخل یک محفظه مونتاژ شده‌اند. ارتباط بین این ماژولها از طریق یک گذرگاه داده با قابلیت تحمل خطا (به جای متوقف کردن فرآیند) صورت میگیرد. معماری IMA سطوح بالاتری از کارایی و ظرفیت سیستمی، بیشتر در دسترس بودن تجهیزات، کاهش هزینه‌های نگهداری و در نتیجه کاهش هزینه‌ها در طول عمر سیستم را فراهم مینماید. در واقع پیشرفت سریع و ادامه‌دار فناوری اویونیک به دلیل عواملی چون، پیشرفت تکنولوژی ساخت قطعات و سیستمهای الکترونیک، افزایش خواستهها و پیچیدگی کاربردها، کاهش متوالی نسبت هزینه‌های سختافزاری به نرمافزاری و مزایای مجتمع‌سازی و استاندارد‌سازی است. شکل 4 نمونه‌ای از معماری یکپارچه شده و ماژولار دیجیتال را نشان می‌دهد.

شکل 4 معماری یکپارچه شده و ماژولار دیجیتال

اصول اویونیک ماژولار مجتمع یک رویکرد مشترک با معماری باز را برای سخت‏افزار محاسباتی معرفی می‏کند تا یک بستر منبع با محاسبات غنی را جهت اجرای نرم‏افزار کاربردی سامانه‌های اویونیک فراهم نماید. یک سیستم‌عامل بلادرنگ مدیریت تخصیص منبع محاسباتی را به عهده داشته و افراز و تفکیک سیستمی را تضمین می‏نماید. مقررات و اخذ گواهینامه مربوط به سخت‏افزار و نرم‏افزار مستقل می‏باشند. یک شبکه ارتباطی با پهنای باند زیاد وظیفه تبادل اطلاعات میان منابع محاسباتی و ورودی/خروجی را بر عهده دارد. تبادل اطلاعات مربوط به منابع ورودی/خروجی در متمرکزکننده‏های داده از راه دور (Remote Data Concentrator) در محل حس‌گرها و محرک‏های هواپیما انجام می‏شود. مزایای قابل‌توجه در این سطح از تجمیع عبارت‌اند از:

صرفه‏جویی در حجم، وزن و تعمیر و نگهداری.
به اشتراک‏گذاری منابع مانند منابع تغذیه میان تعدادی از ماژول‏های کارکردی.
طراحی‏های استاندارد ماژول به‌منظور دست‏یابی به یک رویکرد یکپارچه‏تر در طراحی تجهیزات.
صدور گواهینامه ارتقاء سخت‌افزار و نرم‌افزار کاربردی.
مدیریت تجهیزات منسوخ‌شده.

نسل بعدی معماری اویونیک، تحت عنوان پروژه SCARLETT، کنسرسیومی متشکل از 40 کمپانی و موسسه تحقیقاتی از 16 کشور است که توسط اتحادیه اروپا تاسیس شده است. در این پروژه نسل دوم IMA با نام IMA2G مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از IMA2G باعث کاهش بیشتر هزینه‌ها و مدیریت پیچیدگی در حال افزایش سامانه‌های الکترونیکی هواپیما می‌گردد. در شکل 5 عوامل موثر در توسعه IMA بیان شده است. همچنین در حوزه SCARLETT، مفهوم IMA می‌تواند در موارد زیر بهبود یابد:

معرفی یک مفهوم سخت‌افزاری قابل انعطاف که ورودی/خروجی را از ماژول‌های محاسباتی جدا می‌نماید و ماژول‌های ورودی/خروجی پردازش هسته، بجای اجزای الکترونیکی ماژولار توزیع شده که توسط AFDX متصل شده‌اند، جایگزین می‌گردد.
یک مفهوم نرم‌افزاری، که باعث عدم وابستگی بیشتر بین کاربردها و پلتفرم لایه‌ی زیرین می‌شود.
سازوکارهای قابل بازپیکربندی که با استفاده از مکانیزم تحمل خطا قابلیت عملیاتی را افزایش می‌دهند.
یک زنجیره ثابت برای توسعه تمام فعالیت‌ها (شامل تلفیق و تائید صحت عملکرد)
کاهش تعداد اجزای الکترونیکی که می‌توانند در انواع مختلف هواپیماها مورد استفاده دوباره قرار بگیرند.
بهبود کارایی با استفاده از روش‌هایی همچون فناوری جدید چند هسته‌ای.