نقش کامپيوتر در صنعت هوانوردي

[size=undefined]





 
کامپيوترهايي که به طور روزانه، مسئوليت نشست و برخاست بيش از 8000 پرواز را در فضاي هوايي انگلستان به عهده دارند، کامپيوترهاي معمولي نيستند. اين کامپيوترها در بدترين شرايط آب و هوايي، ايمني هواپيماها و پروازها را حفظ مي کنند و ما را در نهايت صحت و سلامت در سفر از يک قاره به قاره ي ديگر همراهي مي کنند. اين ها جزو کامپيوترهايي هستند که به بهترين نحو ممکن و تحت بالاترين استانداردهاي موجود جهان تست شده اند و در مطلوب ترين شرايط نگهداري به سر مي برند زيرا از کار افتادن آن ها باعث کشته شدن صدها نفر از مردم مي شود و هنوز هم بسياري از اين کامپيوترها، از کامپيوتر لپ تاپ شما که در منزل تان داريد، کم قدرت تر هستند. به دنياي هوانوردي قرن بيست و يکم خوش آمديد.
به جز هلي کوپترها و هواپيماهاي کوچک، روزهاي پرواز دستي در هوانوردي تجاري منسوخ شده است. تلفيق کنترل ديجيتال پرواز، سيستم هاي مديريت پرواز و خلبان خودکار (Autopilot)، نقش خلبان را به حدي رسانده که باور عوام اين است که کاپيتان يک پرواز، در پشت سوئيچ ها و چراغ هاي هواپيما، نقش اندکي در هدايت هواپيما بر عهده دارد. اين باور بسيار ساده لوحانه است اما تا حدودي حقيقت نيز در آن نهفته است.
وقتي ما با يک هواپيماي تجاري پرواز مي کنيم، به کامپيوترهايي که حرکت ما را در مسير درست هدايت مي کنند و حتي در شرايط خاصي ما را بر روي زمين سخت فرود مي آورند، متکي هستيم. در محيط نظامي، اين توان کامپيوترها است که خلبانان را رو در روي دشمن قرار مي دهد و اطلاعاتي را که براي تصميم گيري در مورد مرگ و زندگي به آن نياز دارند، در اختيارشان قرار مي دهد.
در اين مقاله ما قصد داريم اين کامپيوترها و کارهايي که انجام مي دهند را مورد بررسي قرار دهيم. ما همچنين خواهيم ديد که آن ها براي صرفه جويي در وقت و هزينه ي خطوط هواپيمايي، کاهش سوانح و پروازهاي ايمن تر چه سير تکاملي را طي مي کنند. ما، در مقطع تغيير و تحول صنعت هوانوردي به سر مي بريم زيرا اين صنعت از تکنولوژي ها و سيستم هاي قديمي و اختصاصي، به سمت دوران جديدي حرکت مي کند. سوار هواپيما شويد، کمربندتان را ببنديد و از پرواز لذت ببريد.
[/size]

[size=undefined]
تأثير نهايي تکامل تکنولوژي کامپيوتر بر صنعت هوانوردي، امري اجتناب ناپذير بود اما علم هوانوردي هميشه از جريان اصلي پيشرفت پرشتاب علوم کامپيوتر، ايزوله بوده است. به دنبال معرفي سيستم هاي الکترونيکي در اوايل دهه ي 80 ميلادي، توان کامپيوتري در يک خط هوايي تجاري يا نظامي فقط به ابزار الکترونيکي اختصاصي، برقراري ارتباط از طريق لينک هاي نقطه به نقطه يا در سال هاي اخير، يک شبکه ي محلي مبتني بر استانداردهاي هوانوردي ARINC 420 يا ARINC 629 محدود بوده است. مهم ترين يونيت، يعني سيستم مديريت پرواز يا FMS(Flight Management System)، با سنسورهاي ناوبري متعددي ارتباط برقرار مي کرد و دستورالعمل ها را به خلبان خودکار (autopilot) ارسال مي کرد، در حاليکه از طريق پانل هاي آنالوگ يا نمايش گرهاي انعطاف پذيرتر چند منظوره الکترونيکي، بازخوردها را در اختيار پرسنل تيم پروازي قرار مي داد. اين سيستم ها لزوماً پيچيده نبودند؛ شما هنوز هم آن ها را که به پردازنده هاي 80286 يا 80486 اينتل (مربوط به سال هاي آخر دهه ي 1980 و اوايل دهه ي 1990) متکي هستند در Airbus 320 يا جت هاي بوئينگ 777 مشاهده مي کنيد که کماکان در حال کار کردن هستند.
هر چند طي دهه ي گذشته، علم هوانوردي تغييرات زيادي کرده است. کاکپيت (کابين خلبان) با عوض شدن پانل هاي تجهيزات آنالوگ و کنترل هاي فيزيکي به چيزي با عنوان glass cockpit (کاکپيت شيشه اي) تغييري انقلابي را تجربه کرده است. در حاليکه نمايش گرهاي چند منظوره قابل برنامه ريزي، داده هاي ناوبري و بازخوردها را فراهم مي کنند، صفحه کليدها و trackballها، سيستم هاي گوناگون را کنترل مي نمايند. اگرچه منوهاي متني و keypadهاي ساده، کماکان براي يونيت هاي نمايش گر کنترلي که خلبانان براي برنامه ريزي FMA از آن استفاده مي کنند، مورد استفاده قرار مي گيرند، آن ها به نمايش گرهاي جغرافيايي مدرن نيز مجهز شده اند. علاوه بر اين، در حاليکه بوئينگ هنوز هم yoke پرواز کلاسيک خود را در هواپيماها حفظ کرده است، Airbus مدت ها قبل آن را با يک side-stick مشابه با flight stickهايي که در شبيه سازي هاي کامپيوتري مورد استفاده قرار مي گيرد، تعويض کرده و فضاي بيش تري براي تعامل با کامپيوترها در اختيار تيم پروازي گذاشته است.
اما اين ها در مقايسه با چيزي که در پشت صحنه در حال رخ دادن است، امر مهمي نيست. قرار است يونيت هاي اختصاصي با Integrated Modular Electronics جايگزين شوند. پردازنده هاي قديمي تک کاره، با بانکي از يونيت هاي متمرکز و چند منظوره که مي توانند براي اجراي گستره گوناگوني از کاربردهاي حياتي و غيرحياتي برنامه ريزي و پيکره بندي شوند و منابع را بين خودشان به اشتراک بگذارند، جايگزين مي شوند. به عنوان مثال، سيستم هاي هواشناسي و هشدار ممکن است در همان جعبه ي فيزيکي فعلي باقي بمانند. برقراري ارتباط آن ها با هم و از طريق شبکه هاي پرسرعت اترنت يا فيبر نوري، کارآيي بيش تري را در بسته هاي همواره رو به کوچک شدن و انعطاف پذير فراهم مي آورد.
[/size]

[size=undefined]
در همين زمان، مفهوم تکنولوژي COTS(commercial off-the-shelf) در هر حال ايجاد تغييري انقلابي در کاکپيت است. به جاي طراحي يا خريد سخت افزار خاص براي هر يک از يونيت ها و نوشتن نرم افزار ويژه به منظور استفاده از آن، توليدکنندگان تجهيزات هوانوردي، پردازنده هاي عمومي تري خريداري مي کنند و از سيستم عامل هاي داراي مجوز قبلي، درايورها و ميان افزارها به عنوان اساسي براي اجراي برنامه هاي کاربردي خود استفاده مي کنند. اين ابزار به دقت تست مي شوند که مهم ترين اين تست ها، تست three redundant، بدين معنا است که اگر يکي از اين يونيت ها از کار بيفتد، دو يونيت ديگر بتوانند کار آن را انجام دهند. در بعضي از برنامه هاي کاربردي پرواز، نظير کنترل هاي fly-by-wire، توليدکنندگان سيستم هاي هوانوردي ممکن است از پردازنده هاي متفاوتي استفاده کنند و دستورالعمل هاي نرم افزاري مشابهي را به عنوان شکلي از کنترل خطا بر روي آن اجرا نمايند.
سيستم هاي توکار به کار رفته در بخش اعظمي از سيستم هاي هوانوردي امروزي به ساختار Freescale Power که توسعه اي بر ساختار تک هسته اي مورد استفاده در کامپيوترهاي قديمي Mac G4 کمپاني Apple محسوب مي شود، متکي هستند. هرچند که اين نيز با حرکت Freescale به سمت يک خط چند هسته اي و استفاده از پردازنده اتم اينتل، Core 2 و Core i7 که به سرعت در حال فراگير شدن در بازار هستند در حال تغيير است. Wind River توسعه دهنده ي سيستم عامل زمان واقعي VxWorks 653 که در بسياري از هواپيماها به کار مي رود در حال حاضر 95 درصد از فعاليت خود را بر روي پلتفرم Freescale متمرکز کرده است اما انتظار دارد طي چند سال آينده آن را به سمت اينتل سوق دهد.
فروشندگان COTS در حال حرکت به سمت اينتل هستند زيرا آن گونه که Chip Downing مدير Wind River گفته "در اغلب موارد، آن ها از کارايي بسيار بيش تري برخوردار هستند." از ساختار ارتقاء يافته کارآيي مميز شناور Core، اغلب با عنوان يک توسعه و پيشرفت ياد مي شود. علاوه بر اين، يک حرکت رو به رشد به سمت استفاده از پردازنده هاي گرافيکي مدرن با به کارگيري نام هاي معروفي همچون S3, AMD و Nvidia، يونيت هاي پردازنده گرافيکي را براي استفاده به عنوان کنترلرهاي صفحه نمايش و پردازنده هاي موازي چند منظوره فراهم کرده است.
در علم هوانوردي، هر نوع انتقال به تکنولوژي جديد مدت زماني طول مي کشد. همان گونه که Steve Nieuwsma قائم مقام مهندسي سيستم هاي تجاري در Rockwell Collins مي گويد "براي فراهم نمودن حداکثر راحتي در پرواز، ما به استفاده از تکنولوژي هاي معتبري که حداقل يک نسل از عمر آن ها گذشته باشد گرايش داريم؛ 10000 متر بالاي زمين با 200 مسافر جاي خوبي براي کشف خطاها نيست".
وقتي موضوع استفاده از نرم افزارهايي که در پهنه ي آسمان مورد استفاده قرار مي گيرند به ميان مي آيد، عجيب نيست که ويندوز بزرگ ترين نامي که مطرح مي شود، نباشد. به جاي آن، برنامه هاي کاربردي خاص و سفارشي که بر روي سيستم عامل هاي زمان واقعي مثل VxWorks 653 يا Green Hills Integrity اجرا مي شوند، مورد استفاده قرار مي گيرد. همان گونه که در الزامات يک نرم افزار خاص (ARINC 653) تعريف شده است، اين نرم افزارها سيستم را هم از نظر فضاي آدرس و هم از نظر زمان، پارتيشن بندي مي کنند.بنابراين پردازنده ها مي تواند بدون اين که يک وظيفه با ساير وظائف تداخل پيدا کند، آن ها را در زمان هاي خاص و قابل پيش بيني به اجرا در آورد.
مجوزدهي، ما را از ايمني پرواز مطمئن مي کند اما در عين حال باعث کند شدن روند توسعه مي شود. به عنوان مثال تمام نرم افزارهايي که بر روي يک هواپيما اجرا مي شوند بايد از استاندارد ايمني B-DO 178 که دقيق ترين و سخت گيرانه ترين استاندارد در توسعه ي نرم افزار به شمار مي رود تبعيت کنند. يک استاندارد جديدتر يعني D0-254 همين سخت گيري را در مورد سخت افزار اعمال مي کند.
دستيابي به اين مجوزها، ماه ها به مدت زمان توسعه ي نرم افزارها اضافه مي کند و در عين حال ميليون ها دلار به هزينه کلي ساخت هواپيما مي افزايد. در مورد نرم افزار، هر خط از کد توسط تيمي از برنامه نويساني که درگير فرآيند اصلي توسعه نيستند بازبيني و کنترل مي شود. تست هاي ويژه اي نوشته مي شود تا تک تک دستورالعمل ها را چک کند. به عنوان يک نمونه، اسناد مجوز B-DO 178 براي سيستم عامل VxWorks 653 متعلق به Wind River از بيش از 70000 فايل هايپرلينک شده بر روي يک DVD تشکيل شده که هزينه ي تست آن نيز چيزي در حدود 30 ميليون دلار بوده است. اين دليل ديگري است براي اين که چرا بايد از يک روش يکپارچه در اين زمينه استفاده کرد. اگر يونيت هاي پردازنده اجزاء مشترک را با هم به اشتراک بگذارند و يک سيستم عامل مشترک نيز وجود داشته باشد، سخت افزار و کد کم تري به دريافت مجوز نياز دارد. Chip Downing از Wind River مي گويد "اين کار به ما امکان مي دهد بر روي بخش هايي که تغيير مي کنند، يعني برنامه هاي کاربردي متمرکز شويم زيرا چيزهاي ديگر قبلاً مجوز دريافت کرده اند".
اين پيشرفت ها به خودي خود جالب نيستند اما از نظر معنايي که براي صنعت هوانوردي دارند بسيار حائز اهميت هستند. به عنوان مثال يکي از تأثيرات بديهي جايگزين کردن تعداد زيادي از جعبه هاي اختصاصي با تعداد کم تري از ماژول هاي مجتمع، کاهش سايز و وزن است. در زماني که خطوط هوايي در حال کار بر روي حذف هر کيلوي اضافي براي صرفه جويي در هزينه هاي سوخت هستند، اين يک ايده ي قانع کننده محسوب مي شود. تکنولوژي چند پردازنده اي فقط در اين زمينه شتاب ايجاد مي کند. جايگزين شدن چارت هاي کاغذي و دفترچه هاي راهنما با معادل هاي الکترونيکي آن ها که بر روي نمايش گرهايي با رزولوشن بالا اجرا مي شوند و سيستم هاي راهنماي عمودي که براي بهينه کردن مصرف سوخت در طي پرواز طراحي شده اند، پتانسيل زيادي براي خطوط هوايي ايجاد مي کند تا بتوانند مقادير قابل توجهي در هزينه هاي خود صرفه جويي کنند.
توسعه و پيشرفت در توان پردازشي و گرافيکي همچنين بر روي خود خلبانان نيز تأثير خواهد گذاشت. برخلاف عقيده ي عامه ي مردم، تيم انساني پرواز هنوز هم در عمليات پروازي درگير است. David Reynolds مسئول ايمني و امنيت پرواز BALPA(British Airline Pilots Association) مي گويد "اين روزها روشي که هواپيماها پرواز مي کنند به شکل عمده اي به تجهيزات اتوماتيک بستگي دارد. تکنولوژي موجود به شکلي است که وقتي هواپيما به ابتداي باند پرواز مي رسد خلبان اتوماتيک فعال مي شود و زماني غيرفعال مي شود که هواپيما به زمين نشسته و به فرودگاه مقصد مي رسد". اگرچه مسئولان ايالات متحده خلبانان را از روشن کردن خلبان اتوماتيک در هنگام بلند شدن از زمين منع کرده اند ولي خلبانان کمک هايي را از auto-throttle دريافت مي کنند. همچنين نشاندن هواپيما بر روي زمين توسط خود خلبان براي آن ها افتخاري محسوب مي شود، به غير از مواردي که هواي بد يا ديد اندک، اتکا به قضاوت خلبان در مقايسه با آلات دقيق کابين را دشوار کند.
بعد از جمع شدن ارابه ي فرود و به محض اين که هواپيما به زاويه ي اوج گرفتن مي رسد، FMS ثانيه به ثانيه فرآيند پرواز را زير نظر مي گيرد و طرح پروازي (flight plan) برنامه ريزي شده را دنبال مي کند. هر چند، مسافرت هوايي الزاماً بايد انعطاف پذير باشد. تيم پرواز براي آگاهي از هشدارها، سيستم هاي آن برد مانيتورينگ، برقراري ارتباط با کنترل ترافيک هوايي، و مشخص کردن شدت باد در ارتفاع هاي مختلف به منظور صرفه جويي در وقت يا سوخت، به نمايش گرها چشم مي دوزند. انجام اين کارها به تصحيح منظم flight plan بر روي FMS نياز دارد زيرا مسيرهايي با اين مشخصات ممکن است در حين پرواز باز شوند.
سيستم هاي همواره در حال توسعه، کنترل هاي بيش تري را در حين پرواز در اختيار خلبان قرار مي دهند. Steve Nieuwsma از Rockwell Collins مي گويد "يکي از برنامه هاي کاربردي بسيار هيجان انگيز و جالب توجه، Synthetic Vision است که يک نماي سه بعدي از مسير پرواز، مشابه با چيزي که در Google Earth مشاهده مي کنيد ارائه مي نمايد". با استفاده از اين تجهيزات کمکي در کنار سيستم هاي مکان يابي پيشرفته تر، خلبانان ايده ي بهتري از زمين زير پاي خود و اتفاقاتي که در آسمان اطراف شان رخ مي دهد پيدا مي کنند.
[/size]
[size=undefined]
اين موضوع خصوصاً زماني اهميت بيش تري پيدا مي کند که اين پيشرفت ها را در داخل شلوغ ترين فضاي هوايي جهان بررسي کنيم. در حال حاضر، بخش عمده اي از مسئولان کنترل ترافيک هوايي (ATC:Air Traffic Control) جهان براي هدايت و کنترل و مديريت ترافيک هوايي هنوز هم به ارتباطات صوتي، رادار و ارتباطات داده اي ابتدايي متکي هستند. بدون وجود داده هاي دقيق، ATCها مجبور به اعمال تأخيرهاي زماني بيش تري بين فرود هواپيماها هستند که اين موضوع به نوبه ي خود بر ظرفيت فرودگاه ها تأثير مي گذارد و باعث شلوغي و ترافيک مي شود. در آينده از چيزي به نام 4D trajectory management استفاده خواهد شد که در آن ATC مي تواند خط سير يک هواپيما را در چهار بعد (طول جغرافيايي، عرض جغرافيايي، سطح پرواز و زمان) مانيتور کند و بدون به خطر انداختن ايمني پرواز، جداسازي را حذف کند.
براي اين که چنين چيزي به وقوع بپيوندد، سيستم هاي نسل بعدي ATC اروپا و آمريکا به يک استاندارد ارتباطي جديد به نام automatic dependent surveillance-broadcast يا ADS-B متکي خواهند شد که در آن از سيستم هاي ناوبري و GPS هواپيماها براي مشخص کردن مکان و مسير دقيق آن بهره برداري مي شود و اين اطلاعات به وسيله ي يک لينک داده اي 1090MHz فرکانس راديويي به ايستگاه هاي زميني و ساير هواپيماها ارسال مي شود (اگرچه اين مشخصات از چندين گزينه پشتيباني مي کند). با روز آمد شدن مکان هواپيما در زمان واقعي بر روي نمايش گرهاي رزولوشن بالاي کاکپيت و به کارگيري نسل بعدي کنسول هاي ATC مشخص کردن مکان هواپيما در آسمان و پيش بيني برخوردها ساده تر مي شود. تسهيلات پيشرفته ATC در ايستگاه هاي Shanwick و Prestwick انگلستان مدت ها است با استفاده از رادار و ابزار پيش بيني مسير به انجام مي رسد اما ظهور ADS-B امکانات و توانمندي هاي آن را به سطح بالاتري ارتقاء خواهد داد.
حتي با وجود تمام اين امکانات، ما هنوز به يک خلبان انسان نياز داريم اما به احتمال زياد ديگر نيازي به کمک خلبان نخواهد بود. Steve Nieuwsma اعتقاد دارد که در 20 تا 30 سال آينده، يک خلبان مي تواند هواپيما را به تنهايي هدايت کند. او مي گويد "گرچه اين کار به نوعي تکنولوژي نياز دارد که بتواند هواپيما را در نهايت ايمني و در هر شرايط آب و هوايي به طور خودکار به زمين بنشاند و اين بدان معنا است که خود خلبان هم بايد تحت هر شرايطي از قابليت و ظرفيت انجام اين کار برخوردار باشد. برخي از انواع اين تکنولوژي هاي فرود خودکار، اين روزها در دسترس قرار دارند اما نه براي موقعيت هاي غيرعادي و دشوار".[/size]