Космические программы являются яркими примерами сложных проектов развития. Высокая стоимость, риск для жизни и здоровья и непредсказуемая операционная среда предъявляют самые высокие требования к методам разработки и разработчикам, стоящим за миссией. Поэтому не случайно, что новые, мощные подходы были необходимы, чтобы завоевать пространство: современная системная инженерия возникла здесь.
Картинная галерея
Картинная галерея с 5 картинками
Apollo 11: программное обеспечение спасает посадку на Луну
Июль 1969 года. Более 500 миллионов телезрителей по всему миру смотрят первую в нашей истории посадку человека на Луну. То, что происходит на заднем плане, драматично. Во время захода на посадку лунного модуля бортовой компьютер неоднократно сообщает об ошибках в навигационной системе (Apollo Guidance Computer, AGC). Перегрузка AGC при параллельной обработке данных двух радиолокационных систем практически приводит к завершению. Но только почти, потому что благодаря умному развитию, которое опережает свое время, AGC оборудован рядом систем безопасности, которые предотвращают снос.
Apollo Guidance Computer - веха для космических путешествий и развития
Сегодня, в 50-й год первой посадки человека на Луну, стоит оглянуться на СМЖЛ, разработка которого представляет собой веху как для космических путешествий, так и для основной методологии развития. AGC был первым компьютером с операционной системой реального времени в критически важном для безопасности приложении, а также ознаменовал вступление в технологию «fly-by-wire». Операционная система также имела список приоритетов для отдельных программ. Чтобы избежать полных сбоев, он имел возможность обнаруживать ошибки, автоматически перезагружаться и обрабатывать соответствующие задачи.
Пионеры системного проектирования
НАСА и его партнер MIT стали пионерами в области системного проектирования благодаря разработке AGC. В то время программы могли быть недостаточно проверены с помощью программного моделирования. Вот почему разработчик программного обеспечения Маргарет Хэмилтон разработала парадигму «Разработка перед фактом», из которой возник язык универсальных систем (рисунок 1). Язык основан на теории систем и подходит для формального и прагматического моделирования программно-интенсивных систем. Таким образом, успех миссии Apollo является успехом инновационных инженеров и заложил фундамент для современной системной инженерии для интеллектуальных технических систем.
Основное направление исследований сегодня - космическая робототехника
Одним из направлений будущих космических миссий будет космическая робототехника. Он предлагает широкий спектр потенциальных преимуществ для автономного исследования в космосе или обслуживания спутников на орбите: служебные роботы будут обслуживать, ремонтировать или утилизировать спутники на орбите в будущем.
DFKI
Автономные роботы для космических операций
Целостное, ориентированное на будущее развитие с традицией парадигмы «Разработка перед фактом» также является ключевым фактором успеха в современной космической робототехнике. Развитие космических робототехнических технологий требует высочайших технических достижений в междисциплинарной среде: от искусственного интеллекта, мехатроники, виртуальной реальности, миниатюризации до информационных и коммуникационных технологий.
Поэтому инженерам нужны интегрированные подходы и интегрированные инструменты разработки для моделирования, планирования и проектирования, настройки и визуализации. Для непрерывной защиты систем требуются инструменты моделирования, которые симулируют и визуализируют запланированные маневры настолько реалистично, насколько это возможно, как виртуальные сценарии. В сочетании с реальными тестовыми площадками могут быть предоставлены значимые сценарии защиты систем.
Генеративный дизайн
Nasa и Autodesk - развивающиеся страны для поездки на Юпитер и Сатурн
Виртуальная реальность
Как работают VR и AR - основы, обзор и примеры
Системная инженерия в современных космических исследованиях
Исследовательский проект Invirtes (комплексная разработка сложных систем на основе виртуальных испытательных стендов и современных концепций eRobotics), финансируемый DLR, посвятил себя именно этой цели. Консорциум создал среду разработки (так называемые испытательные стенды), которая обеспечивает согласованное моделирование и согласованное хранение данных космическими роботами (рисунок 3). Непрерывная интеграция и проверка моделей на всех этапах разработки повышает качество артефактов разработки и сокращает дорогостоящие итерации при интеграции системы.
Дополнительная информация о Invirtes: Комплексная разработка сложных систем
Разработка космических проектов представляет собой огромную инженерную задачу: из-за своей новизны, особенностей использования в космосе и размера проекта разработка этих систем создает трудно управляемую нехватку прозрачности с большим риском для людей и материалов: посадки и другие маневры на поверхности планеты могут обычно не повторяются и должны быть успешными с первой попытки. Поэтому обширное тестирование систем имеет большое значение, но его трудно реализовать на Земле.
Чтобы выявлять ошибки на ранней стадии, знания различных дисциплин объединяются в так называемые виртуальные испытательные стенды. Запланированные маневры моделируются и визуализируются настолько реалистично, насколько это возможно, чтобы иметь возможность делать надежные заявления о поведении системы в космосе. Однако вопрос заключается в том, какие тестовые ситуации необходимо отображать виртуально, чтобы получить полезную информацию, и какие вопросы или требования космической миссии можно в конечном итоге обеспечить.
Цели и решение проекта
В рамках Invirtes разрабатываются методы для максимально эффективного планирования тестовых ситуаций и включения их в подходящую стратегию тестирования, основанную на целях миссии. Для этой цели системные спецификации основаны на моделях, а виртуальные испытательные стенды объединены в устойчивую среду разработки и тестирования.
В рамках проекта Fraunhofer IEM разрабатывает концепцию языка, которая обеспечивает интегрированную систему и спецификацию тестов. Вместо обширных документов с текстовыми описаниями, выбран модельный подход. Основная информация отображается с помощью графических описательных средств и может дать четкие и противоречивые результаты для дальнейшего развития задач в проекте. Используя среду разработки Eclipse Papyrus, результаты также могут обрабатываться компьютерами. Для использования языковой концепции также разработана высшая процессуальная система. Сценарий космической робототехники, в котором разработана навигационная камера автономного ровера, служит примером применения.
Ядром является последовательная и непротиворечивая модель системы
Invirtes поддерживает этапы проектирования, разработки и интеграции системы. Ядром является последовательная и непротиворечивая модель системы. Базовая схема кросс-приложения является основой для моделирования и хранения данных. Исходя из этого, отображаются версии, варианты, объединение моделей и объединение моделей в сети. Основное внимание уделяется многомерному хранению данных моделей.
Проект системы основан на последовательной системе частичных моделей (см. Рисунок 3). Они описывают концепцию продукта и концепцию интегрированной защиты в форме концепции тестирования. Концепция продукта состоит из аспектов требований, структуры и поведения. Концепция теста описывает тестовые наборы, процедуры тестирования, параметры и объект теста. Правила моделирования обеспечивают полноту, правильность и сопоставимость артефактов. Реализация происходит в форме профиля UML / SysML.
Симуляционные карты хотя бы одного тестового примера
Разработка реализует спецификацию. Подробные модели (например, динамика) интегрированы в виртуальный испытательный стенд и связаны с моделью спецификации. Это позволяет отслеживать, управлять версиями и отслеживать изменения. Моделирование проводится в соответствии с концепцией испытаний. Симуляция изображает как минимум один тестовый случай в виртуальном сценарии. Invirtes предлагает интегрированную среду разработки для разработки сложных систем, которая была проверена консорциумом с использованием эталонных приложений.
Привлекает технология, передаваемая в наземные области применения
Подходы системного проектирования на основе моделей, разработанные в контексте миссии Apollo 11, в настоящее время очень успешно используются в проектах разработки в области автомобилестроения или машиностроения. Таким же образом технология Invirtes в будущем может быть применена к наземным областям применения, таким как автономное вождение. Это ценная основа для вопросов исследования, связанных с управлением жизненным циклом продукта или методами искусственного интеллекта для системной инженерии, которые будут очень важны для создания ценности на планете Земля в будущем.
Дополнительная информация по чтению и финансированию советы
Чтение заметок:
Федеральное министерство экономики и технологий (ред.): За устойчивое космическое путешествие в Германию. Космическая стратегия федерального правительства. 2012
Экспертная комиссия по исследованиям и инновациям (EFI) (ред.): Исследование «Автономные системы». Исследования по немецкой инновационной системе № 13-2018, Берлин, 2018
Форум экспертов по автономным системам на форуме высоких технологий (ред.): Автономные системы - возможности и риски для бизнеса, науки и общества. Длинная версия, окончательный отчет, Берлин, 2017
Гамильтон, М.: Что говорят нам ошибки. IEEE Software, том 35, № 5, 2018
Хиллебранд, М.; Берниязов Р.; Бремер, С.; Kaiser, L.; Думитреску Р.: Техника спецификаций для виртуальных испытательных стендов в космических робототехнических приложениях. SysInt, 19-20 июня, Ганновер, 2018
Россманн, Дж.; Schluse, M.; РАСТ, М.; Хоппен, М.; Atorf, L.; Думитреску, Р.; Бремер, С.; Хиллебранд, М.; Star O.; Шмиттер П. Спецификация и моделирование интегрированной системы на основе моделей: тематическое исследование для проектирования датчиков в космическом путешествии.
Примечание о финансировании:
Проект Invirtes был профинансирован Федеральным министерством экономики и технологий и поддержан Немецким аэрокосмическим центром (DLR) eV в рамках гранта № 50RA1309 с 2014 по 2018 год. Партнерами по исследованиям были MMI RWTH Aachen, RIF eV, CPA ReDev GmbH и Fraunhofer IEM.
Методы разработки
Вот как системная инженерия поддерживает оцифровку
* Майкл Хиллебранд, Фраунгофер IEM