סימולציות בעידן מערכות מורכבות

מערכות מורכבות מרובדות (ממ”ר), הכוללות מספר תתי-מערכות מורכבות אף הן (System of Systems), דורשות סימולציה מורכבת שתקטין את עלות הניסויים. אחד הפתרונות הוא סימולציות מערכתיות הנדסיות

בעשורים האחרונים הננו עדים לגידול דרמטי ביכולות תשתיות המחשוב, כולל עליה מעריכית עם הזמן בכוח החישוב והזיכרון הזמין, כמו גם ברוחב הסרט ובקצב העברת הנתונים בתקשורת חוטית ואל-חוטית. עובדה זו, בשילוב עם שיפורים בחומרה ובאלגוריתמים בתחומים שונים, מובילה להופעת מערכות מורכבות מרובדות (ממ”ר), הכוללות מספר תתי-מערכות מורכבות אף הן (System of Systems). לדוגמא, מערכות הגנה אקטיבית יכולות לכלול מספר סנסורים מסוגים שונים, כגון מכ”מים ומערכות אלקטרו-אופטיות, מערכת שליטה ובקרה (שו”ב) אחת או יותר, מערכת שיגור ומיירטים.

סימולציה להוכחת יכולת

היכולות והביצועים של ממ”ר, לפחות באופן פוטנציאלי, עולות בהרבה על אלה של מערכות רגילות, אולם האתגר הטכנולוגי בפיתוחן גדול, ונדרש להתאים את מתודולוגיות הפיתוח בכדי להתמודד עימו, הן בפן ההנדסי – עמידה בדרישות הטכניות, והן בפן הפרויקטאלי – עמידה בלו”ז ובתקציב.

קושי מרכזי בפיתוח ממ”ר הינו תיקוף המימוש והוכחת הביצועים שלהן. מורכבות הממ”ר על רבדיהן השונים אינה מאפשרת בדיקה של כל תת-מערכת בנפרד, ומספר המתארים המערכתיים שיש לבחון גדול מכדי שניתן יהיה לעשות זאת בניסויים, במיוחד כאשר עלות הניסויים גבוהה. יותר מכך, נדרש ידע אינטר-דיסציפלינארי רחב בכדי להגדיר, לבצע ולנתח את הבדיקות המערכתיות.

אחד הכלים החשובים ביותר בתהליך הפיתוח של ממ”ר הינו סימולציות מערכתיות הנדסיות (סמ”ה). סמ”ה יכולות לשמש בעלי תפקידים שונים לאורך שלבים שונים בתהליך הפיתוח. בשלבי התכן הראשוני של רכיבים שונים בממ”ר, הן מאפשרות בחינה השוואתית של תהליכים ואלגוריתמים שונים, וכן קביעת פרמטרי מערכת. סמ”ה יכולות לשמש גם לבחינת תכן הממ”ר הכוללת, כולל ממשקים ותהליכים חוצי-מערכת. הן אף יכולות לקצר זמני אינטגרציה, ע”י השוואת תוצאות המתקבלות במעבדה לתוצאות הצפויות עפ”י הסמ”ה.

בדומה, סמ”ה יכולות לשמש לתכנון ניסויים, לאופטימיזציית פרמטרים מערכתיים ולחקר ביצועים (חק”ב) הנדסי או מבצעי. ע”י תכנון נכון של הסמ”ה, ניתן להשתמש בתשתיות אחודות, ובמידת האפשר גם במודלים דומים, עבור משתמשים שונים לאורך תהליך הפיתוח, ובכך לצמצם עלויות ולהגדיל את אמינות הסימולציות. במקרים מסוימים, ניתן אף להשתמש בסמ”ה כחלק ממעבדת אינטגרציה מערכתית.

להלן המלצה למספר עקרונות יסוד בפיתוח סמ”ה:

חשוב להתייחס לשיקולי עלות-תועלת בהגדרת סמ”ה. סמ”ה אמורות לתמוך בתהליך הפיתוח, לקצר את משכו ולהעלות את איכות המוצר הסופי, אך עלותן בזמן ובכסף אמורה להיות קטנה בהשוואה לפרויקט הממ”ר כולו. אי לכך, הסמ”ה צריכות למדל אך ורק את הרכיבים בממ”ר שהינם רלוונטיים לשאלות ההנדסיות נדרש לתת להן מענה. למשל, לצורך בחינת סנסור במערכת הגנה אקטיבית, מספיק בד"כ למדל את הסנסור, את מערכת השו”ב אליה הוא מתחבר ואת תמונת הזירה, ללא סנסורים אחרים או מערכת השיגור והיירוט. כמו כן, יש לקבוע את רמת המורכבות (Complexity) וההתאמה המדויקת למציאות (Fidelity) של המודלים השונים בסימולציה בהתאם למספר גורמים:

השאלה הטכנית עליה הסימולציה אמורה לענות. אם המטרה היא לבחון רכיב או תהליך מסוים מתוך הממ”ר, ניתן למדל את אותו הרכיב או התהליך בצורה דומה מאד לרכיב או התהליך האמיתי, ואילו רכיבים או תהליכים אחרים אפשר למדל ברמת מורכבות מופחתת. במקרים מסוימים, ניתן להשיג התאמה גבוהה למציאות תוך שמירה על רמת מורכבות נמוכה, למשל ע”י שימוש במודל סטטיסטי לפלטים של רכיבים או תהליכים.

תיאום לרמת השגיאות ואי-הודאויות במערכת. אין טעם להשקיע זמן ומאמץ במידול רכיבים או תהליכים באופן שנותן דיוק שעולה בהרבה על שגיאות ורעשים מערכתיים, כגון שגיאות מדידה של סנסורים כתוצאה מרעש תרמי. בדומה, יש להתחשב באי-ודאויות לגבי היבטים שונים במערכת, כדוגמת דיוק מודלים פיזיקאליים, דיוק מידע מודיעיני, השפעת כיולים ושונות בתהליך הייצור.

אילוצי זמן ריצה. סמ”ה לצורך השוואה בין אלגוריתמים או תהליכים מערכתיים שונים יכולות לרוץ בזמן אמת או לאט מכך, סמ”ה המהוות חלק ממעבדות אינטגרציה חייבות לרוץ בזמן אמת, ואילו סמ”ה המשמשות לחק”ב חייבות להיות מהירות בהרבה מזמן אמת, בכדי לאפשר הרצות מונטה-קרלו מאסיביות.

אילוצי לו”ז ותקציב.

במקביל לפיתוח הסמ”ה חשוב לפתח גם כלי תחקור, במטרה לחלץ אינפורמציה בעלת משמעות מערכתית מתוך תוצאות ההרצה, שעשויות לכלול כמות אדירה של נתונים. לסט היכולות והגמישות של כלי התחקור השפעה משמעותית על יעילות הסמ”ה, היות ובחינת ביצועים עומדת במרכז השימוש בהן.

התוצאות המתקבלות מסמ”ה עשויות להשפיע באופן משמעותי על תהליך הפיתוח של הממ”ר, ולכן יש להקפיד על איכות הסמ”ה כמוצר תוכנה, על כל המשתמע מכך. בין הכלים והתהליכים בהם מומלץ להשתמש – תכן מסודר, תהליכי בדיקות מקיפים, בקרת תצורה, תהליך פיתוח ספיראלי וכדומה.

חשוב לזכור שסמ”ה מדמות את הממ”ר אך אינן שקולות להן, ולכן יש להקדיש מאמץ לתיקוף הסמ”ה על רכיביהן השונים למול הממ”ר האמיתיות, ולהגדיר תוכנית פיתוח המשלבת סמ”ה עם בדיקות מעבדה וניסויים.

פיתוח סמ”ה הינו אחד מתחומי ההתמחות של אומניסיס בע”מ. המוצר המרכזי של אומניסיס בתחום הסמ"ה הינו Sandbox, תשתית סימולטיבית למערכות מבוססות סנסורים מורכבים, כגון מערכות הגנה אקטיבית, מכ"מים ורשתות מכ"מים, מערכות אלקטרואופטיות, מערכות אלינט וקומינט, מערכות תקשורת וכד' (ראה תרשים 1).

[תרשים 1: קווי מתאר לארכיטקטורה של תשתית הסימולציה Sandbox. החלק התחתון של התרשים (צבוע בתכלת) כולל רכיבי תוכנה גנריים, כגון מנוע הסימולציה ומנוע האנליזה הטכנו-מבצעי. החלק העליון של התרשים כולל מודלים הנדסיים ופיזיקאליים, בכללם מודלי מערכות הנדסיות ספציפיות וכן מחולל זירה ומדמה סביבה פיזיקאלית.]

רכיבי מערכת עיקריים/>

בלב התשתית עומד מנוע הסימולציה (Online Manager), המסוגל להריץ מודלים של מגוון מערכות מסוגים שונים וברמות מורכבות שונות, כולל תמיכה בממשקים בין המודלים וחילול ארכיב של תוצאות ההרצה. מנוע הסימולציה תומך הן במודלים המבצעים עיבוד מדי פרק זמן קבוע, כדוגמת רוב מערכות השו"ב, והן במודלים המבצעים עיבוד באינטרוואלים לא קבועים, למשל רוב מכ"מי ה-Phased Array.

אחד הרכיבים הנוספים בתשתית הינו מחולל זירה (Scenario Generator), המאפשר להגדיר את סוגי הסנסורים והפלטפורמות עליהן הם מותקנים, את דינאמיקת הפלטפורמות, וכן את התרחיש המבצעי, הכולל את המטרות השונות והדינאמיקה שלהן. רכיב מרכזי נוסף הינו מדמה סביבה פיזיקאלית (Environment Module). רכיב זה מדמה את התופעות הפיזיקאליות המתרחשות מחוץ לסנסור עצמו, כולל מאפייני מטרה תלויי זמן כמו חתימות שטח חתך מכ"מי (שח"ם), וכן תופעות הקשורות בהתפשטות גלים כגון רפרקציה (Refraction) והפסדי נתיב (Path Loss), רב-נתיב (Multi-Path), הדי קרקע (Clutter) וכו'. כמו כן, כוללת התשתית כלים המאפשרים ממשק עם מודלים סימולטיביים חיצוניים ומערכות מבצעיות חיצוניות (External Interface), וכן ממשק משתמש המאפשר שליטה ברכיבי הסימולציה השונים (Human-Machine Interface).

בנוסף למתואר לעיל, כוללת התשתית מנוע אנליזה טכנו-מבצעי (Analysis Engine), המאפשרים למשתמש לבצע ניתוח מעמיק של ביצועי תתי-מערכות וממ"ר ברמה טבלאית, בעזרת גרפים הנדסיים (ראה תרשים 2) ובהצגה על גבי מפה (ראה תרשים 3).

תשתית Sandbox, בשילוב עם מודלים הנדסיים מפורטים למערכות הגנה אקטיבית, מכ"מים, מערכות אלינט וקומינט, משמשים כיום מגוון גופים כגון אלתא, מל"מ, רפאל, נס, משרד הביטחון וזרועות שונות של צה"ל.

תרשים 2: דוגמאות לגרפים הנדסיים שהתקבלו כתוצאה מניתוח ביצועי מכת.

תרשים 3: דוגמאות לתוצאות אנליזה וניתוח ביצועי מערכות, המוצגות מעל גבי מפה.

הכותב הוא Ph.D.) CTO ) של חברת אומניסיס בע”מ.

You might be interested also