שימוש במודל פונקציונלי לתמיכה בעיצוב מערכת Cyber-Physal

מערכות סייבר-פיזיות (CPS) משלבות חישוב, רשתות ותהליכים פיזיים כדי ליצור מערכות חכמות, רספוטיביות המתבססות על תשתיות מודרניות, ייצור, בריאות ותחבורה.עיצוב מערכות מורכבות אלה דורשות מתודולוגיות קפדניות שיכולות להתמודד עם הממשק בין רכיבים דיגיטליים ופיזיים.FLT:0Functional Modeling FLT:1 התפתחה כגישה בסיסית המאפשרת למהנדסים לציין, לנתח ולאמת את ההתנהגויות מרובות לפני יישום:

מה זה מודל פונקציונלי?

מודלים פונקציונליים היא טכניקה הנדסית מערכות המייצגת את הפונקציות המיועדות של מערכת באופן עצמאי מהאדריכלות הפיזית שלה.זה ללכוד את הטרנספורמציה של קלטות לתוך תפוקה, זרימת האנרגיה, החומר והמידע, ואת היחסים הלוגיים בין פונקציות.הפשטה זו מאפשרת למהנדסים סיבה על התנהגות המערכת מבלי להיות מרוסן על ידי בחירות חומרה או תוכנה ספציפיות. בהקשר של מערכות סייבר-פיזיות, מודלים פונקציונליים בין הדינמיקה וחיישנים אובייקטיביים, לבין למערכות חישוביות ופעולות גומלין, ומאפשרים, כיצד בקרה פיזית, ומאפשרים, כיצד בקרה, ופעולות אלגוריתמיות, ופעולות אלגוריתמיות, ומאפשרות, כיצד בקרה אלגוריתמים, ומאפשרות, ומאפשרות, כיצד בקרה אלגוריתמים רציונליות, מערכות מחשוביות, ומאפשרות, מערכות מחשוביות, או אלגוריתמים, מערכות מחשוביות, ומערכת מחשוביות, כיצד אלגוריתמים, מערכות מחשוביות, ומערכת מחשוביות, ומאפשרות, ומאפשרות, מערכות מחשוביות, או אלגוריתמיות, ומאפשרות, ומאפשרות, מערכות מחשוביות, מערכות מחשוביות, כיצד.

בבסיסו, מודלים פונקציונליים של דיסקום מטרות מערכת ברמה גבוהה לתוך מערכת היררכית של פונקציות.כל פונקציה תואר על ידי קלטות, פלטים, זרימת שליטה, ומגבלות ביצועים. זה מקבילה את המודולריות הטבעית של CPS, שבו תת-מערכת כגון חישה, הפעלה, תקשורת, שליטה, ניתן מודל וניתח באופן אישי לפני שילוב של שפות סטנדרטיות אלה (Slinking) מאפשר אימותים כגון סימולציה פונקציונלית של שיטות התנהגות (מודלים) כגון סימולציה פונקציונליות) כגון סימולציה פונקציונליות (מודלים).

היתרונות של שימוש במודלים פונקציונליים בעיצוב CPS

אימוץ מודלים פונקציונליים מציע מספר יתרונות ברורים לפיתוח מערכת Cyber-פיזי:

(FLT:0) שיפור בהירות ועקביות: מודלים פונקציונליים של LT:1 מגדירים במפורש פונקציות מערכת ומערכות יחסים שלהם, מה שהופך את זה קל יותר לעקוב אחר דרישות באמצעות עיצוב, יישום ואימות.כל פונקציה יכול להיות מקושר חזרה לצריכה של בעל מניות, להבטיח כי שום דבר לא אבוד בתרגום.
(FLT:0) גילוי שגיאות מוקדם: FLT:1 על ידי ניתוח מודלים פונקציונליים מוקדם בתהליך העיצוב, מהנדסים יכולים לזהות חוסר עקביות, פונקציות חסרות, סכסוכים הקצאה ותרחישים של ניתוק לפני ביצוע חומרה או קוד יקר.זה משנה את גילוי פגמים שנותרו בתוך מחזור חיי הפיתוח, צמצום משמעותי של עלויות עבודה.
(FLT:0) תקשורת בין קבוצות רב תחומיות: פרויקטים של CPS כוללים מהנדסים מכניים, מפתחי תוכנה, מהנדסי חשמל ומומחים לתחומים.מודלים פונקציונליים משמשים שפה משותפת שעולה על jargon דיסציפלינרית.
(FLT:0)Modularity and Reuse:FearLT:1 , פונקציות מוגדרות היטב ניתן לחדור ולהשתמש בו מחדש על פני פרויקטים שונים של CPS. לדוגמה, פונקציה "שליטה בפוזיציה" עשויה להיות זהה על פני נשק רובוטי, כלי רכב אוטונומיים ומכונות CNC.זה מקדם שימוש חוזר עיצוב וספריות רכיב סטנדרטיות.
(FLT:0Support for Trade-off Analysis::03: ival Models מאפשר למהנדסים לחקור הקצאות חלופיות של פונקציות לרכיבים פיזיים.לדוגמה, פונקציה ביקורתית של בטיחות עשויה להיות מוקצה ליחידה ייעודית מול משימה תוכנה משותפת, והמודל התפקודי יכול לעזור להעריך את ההשפעה על אמינות, עצלות, ועלות.

אתגרים בעיצוב CPS וכיצד טיפול מודלים פונקציונליים

מערכות סייבר-פיזיות מציגות אתגרים ייחודיים שמעבדים מטרות ספציפיות:

המונחים: heterogeneity of Domains

CPS משלב דינמיקות פיזיות מתמשך עם לוגיקה חישובית דיסקרטית. גישות מודלים מסורתיים לעתים קרובות לטובת תחום אחד על השני, המוביל לשילוב קשיים.מודל פונקציונלית הרחק יישום ספציפי לתחום, ומאפשר למהנדסים להגדיר תחילה את ההתנהגויות הנדרשות באופן עצמאי ולאחר מכן למפות אותם לפלטפורמות המתאימות.לדוגמה, פונקציה "תקנה מהירה" יכולה להיות מוגדרת במונחים של טעות מצב יציב ותגובה ללא זמן לפני כן הוא מיושם באמצעות בקר אנלוגי.

מורכבות של אינטראקציה

אינטראקציות בין תת-מערכות ב- CPS יכולות לייצר התנהגויות מרשימות שקשה לחזות.מודלים פונקציונליים מספקים דרך מובנית ללכוד את הזרמים, לולאות משוב, ומגבלות התזמון.באמצעות סימולציה של המודל הפונקציונלי, מהנדסים יכולים לזהות אינטראקציות לא צפויות אך קטסטרופליות, כגון חיישן תקלות החרסה לתוך תקלה אקטוטור.זה חשוב במיוחד בתחומים קריטיים בטיחותיים כמו כלי רכב אוטונומיים ומכשירים רפואיים.

דרישות מעורבות

דרישות עבור CPS לעתים קרובות להשתנות במהלך הפיתוח כמו בעלי עניין לקבל הבנה עמוקה יותר.מודלים פונקציונליים, להיות יישום-אגנוסטי, קל יותר לעדכן מאשר מודלים עיצוב מפורט. שינוי בתפקוד העליון יכול להיות מוגדל באמצעות ההיררכיה decomposition, ואת ההשפעה על תת-תפקוד ניתן להעריך במהירות. כי agility היא חיונית בתעשיות מואצות במהירות כמו אלקטרוניקה ואוטומציה תעשייתית.

אימות ואימות

בדיקת CPS היא קשה לשמצה בשל ההפיכה בין רכיבי סייבר ופיזיים.מודל פונקציונלי תומך אימות מוקדם באמצעות סימולציה וניתוח פורמלי.לדוגמה, מודל פונקציונלי המובא בסיסמיקס יכול להפוך לייצוגים רשמיים (למשל, אוטומאטה או אוטומאטה היברידית) עבור אימות קפדני של תכונות כגון חי, בטיחות, ותגובה קשורה באופן אוטומטי כמו כלים אלה.

תהליך הדוגמנות הפונקציונליות של מערכות Cyber-Physical

יישום מודלים פונקציונליים בפרויקט CPS בדרך כלל עוקב אחר זרימת עבודה מובנית:

(FLT:0) בעלי העניין צריכים ניתוח: FLT:1 בגין על ידי זיהוי מטרות מערכתיות ראשוניות ומגבלות של משתמשים, הרגולטורים ובעלי עניין אחרים, לתפוס את אלה כדרישות פונקציונליות באמצעות שפה טבעית או שימוש במקרים, למשל, "המערכת תשמור על מהירות הרכב בתוך ±2 ק"מ / שעה של נקודת המוצא תחת כל תנאי הכביש".
הגדרה:0 (Top-level functionהגדרה: FLT:1hil Define את הפונקציות ברמה הגבוהה ביותר שהמערכת חייבת לבצע כדי לספק את הדרישות.אלה לעתים קרובות תואמים עם מטרות של מערכת-מערכתיות. עבור רחפנים אוטונומיים, פונקציות ברמה העליונה עשויות לכלול "לנסות להגיע לנקודות דרך", "מכשולים ריקים", "ו" ו"גבהים של .
(FLT:0Functional decomposition:FLT:1) לפרק כל פונקציה ברמה העליונה לתפקוד תת-תפקודי להשגת תפקיד ההורה באופן קולקטיבי.ההגדרה הזו צריכה להיות מלאה ועקבית - כל קלט, פלט, אות שליטה, וזרימת מידע יש לקחת בחשבון עבור. השתמש בטכניקות כגון חסמי זרימה פונקציונליים (FFBD) או שיפור דיאגרמות זרימה תפקודית (EFFD) כדי לדמית ויזואליזציה.com.com.
(FLT:0Model Construction באמצעות SysML:FearLT:1) צור מודל SysML עם דיאגרמות פעילות, חסימת דיאגרמות הגדרות, וגרפים פנימיים בלוקים כדי ללכוד את הארכיטקטורה התפקודית. תרשיםי פעילות להראות את זרימת השליטה והמידע בין פונקציות.בלוקים הגדרת הגדרות מגדירות את ההיררכיה התפקודית, ובלוקים פנימיים המתארים את הקשרים בין רכיבים פונקציונליים.
(FLT:0Simulation and Analysis:FLT:1hil הוצאה סימולציות דינמיות של המודל הפונקציונלי כדי לאמת התנהגות בתנאים רגילים וטעימים. כלים כמו MATLAB /Simulink או Modelica ניתן להשתמש אם המודל הפונקציונלי הוא מוקרן עם תזמון, דינמיקות מתמשכת, או ניתוח סטchastic.
(FLT:0) הקצאה לאדריכלות פיזית:FLT:1ir ברגע שהמודל התפקודי מאומת, להקצות כל פונקציה למרכיב חומרה או תוכנה ספציפיים.צעד הקצאה זה מגשר על הפער בין תפקוד וצורה.המודל הפונקציונלי מספק מעקבים כך שינויים בארכיטקטורה הפיזית (למשל, מעבר מיקרובקר ל-FPGA) ניתן להעריך נגד הדרישות התפקודיות ללא שינוי.
(FLT:0) ⁇ :0.10.10.03: ככל שהעיצוב מתקדם, התחדשות וזיקוק את המודל הפונקציונלי לשלב מידע חדש, בעיות נפתרות, או שינויים בביקוש.המודל התפקודי צריך להישאר בחיים לאורך מחזור חיי הפיתוח, תמיכה בבדיקות אינטגרציה, הסמכה מערכת ואפילו תחזוקה תפעולית.

כלים וטכניקות לחיקוי פונקציונלי ב-CPS

מגוון של כלים ומודל שפות תומכים במודל פונקציונלי עבור מערכות סייבר-פיזיות.בחירת השילוב הנכון תלויה התחום, מומחיות הצוות, ורמת הפורמליות הרצויה.

(השפה:0SysML (מערכות דוגמנות) : הרחבה של UML המותאם להנדסת מערכות.It מספקת דיאגרמות במיוחד עבור דרישות, מבנה, התנהגות, ו parametricsML משמשת באופן נרחב ב-Aerospace, הגנה ותעשיות רכב.
(FLT:0)MATLAB/Simulink:BuildFLT:1) חזק במיוחד עבור מודלים של דינמיקות בזמן מתמשך ולוגיקה שליטה. Simulink מאפשר למהנדסים לשלב בלוקים פונקציונליים עם מודלים צמחיים פיזיים, המאפשרים שיתוף פעולה של אלמנטים מקוונים ומערכת העיכול.
(הופנה מהדף ההרחבה:0)Modelica:FLT:1 An Open-source, multi-domain Modeling Language התומכת במודלים של מערכות פיזיות (חשמליות, מכניות, תרמית וכו ') Modelica מצוין לייצג את הצד הפיזי של CPS לצד התנהגות פונקציונלית.
(FLT:0) פרופילים עבור הנדסת מערכות:FearLT:1 , UML ניתן להרחיב עם פרופילים כגון MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time Embedd Systems) כדי להתמודד עם מגבלות בזמן אמת.
(FLT:0)Capella:cioFLT:1 כלי קוד פתוח MBSE אשר מיישמת את שיטת ארקדיה, אשר מדגישה מאוד ניתוח פונקציונלי. Capella מספק גישה מובנים עם שכבות ניתוח תפעולי לאדריכלות פיזית, והוא תומך בשינויים מודל למודל לסימולציה.

מקרה מחקר: מודלים פונקציונליים של משאבת אינפוזיה רפואית

כדי להמחיש את היישום המעשי של מודלים פונקציונליים, לשקול משאבה אינפוזיה חכמה המשמשת בבתי חולים.המשאבה חייבת לספק נוזלים במחירים מבוקרים בדיוק תוך ניטור עבור אוקציות, בועות אוויר, ופקודות משתמש.שימוש במודל פונקציונלי, צוות העיצוב ממשיך כדלקמן:

(ב) ⁇ :0) פונקציות ברמה הגבוהה ביותר: FLT:1 "נוזלים חמורים למרשם", "אלפרט מפעיל לאנומליות", "היסטוריית אירוע הלוגי".
(FLT:0)Decompose "Deliver נוזל per summary": Elements 1 Sub-functions כוללים "Set Flow Rate", "Start/stop Delivery", "Measure בפועל זרימה", "שליטה של לולאה קלוז".
(FLT:0)Model with SysML:FLT:1 ⁇ פעילות מראה את הרצף: המשתמש נכנס מרשם המערכת אימות מנוע מאפשר לך זרימת חיישן קורא בקר מתאמת את מחזור החובה PWM. מודל מכונה מדינה קובע כמו "Priming", "Infusing", "שימושי", "אלחמוש".
(FLT:0) סימולציה: סימולציה: 1FLT) סימולציה המודל התפקודי בסימפולינק עם מודל צמחי של מכניקת המשאבה ודינמיקה נוזלית.מבחן תרחישים של הפחתה: צמצום אזור חצי-שטחי על-ידי 90% ולוודא כי המודל הפונקציונלי גורם אזעקה בתוך 200 מ"מ ועצור את המנוע.
הפונקציה "Measure בפועל Flow" מוקצה חיישן אפקט הול ומיקרובקר ADC. הפונקציה "בקרת לולאה קלה" פועלת במשימה של מערכת הפעלה בזמן אמת.הההקצאה מתועדת בתרשים בלוק פנימי של סיסML.

מודל פונקציונלי זה אפשר לצוות לזהות סכסוך תזמון מוקדם: לולאת הבקרה הנדרשת 5 מ"ג ביצוע, אבל ערימה התקשורת עבור כניסה השתמש באותו משאב והציג את ג'ייטר.המודל עשה זאת במפורש, מה שגרם עיצוב מחדש של תוכנית התזמון לפני כל אבטיפוס חומרה נבנה.

שילוב מודלים פונקציונליים עם הנדסה מבוססת מודל (MBSE)

מודלים פונקציונליים היא פעילות הליבה בתוך הדיסציפלינה הרחבה יותר של הנדסת מערכות מבוססות מודל (MBSE) MBSE דוגלת בשימוש במודלים משולבים לאורך מחזור חיי המערכת, מהרעיון ועד לגמלאות.מודלים פונקציונליים משמשים כעמוד השדרה ההתנהגותי של מודל המערכת הכולל, המחברת למודלים, מודלים מבניים, מודלים parametric.

בסביבה MBSE, מודלים פונקציונליים אינם נוצרים בבידוד.הם קשורים לאלמנטים דרישה באמצעות ההרחבה:0> או FLT:1> יחסים ב-SML. רכיבי סטרקטיטורי בתרשים הגדרת בלוק ניתן לעקוב לאחור כדי לתפקד באמצעות הקצאת מערכות יחסים. ההגבלות parametric, כגון צריכת אנרגיה או תקציבי משקל, ניתן לקשור לפונקציות כדי לאפשר ניתוח של סחר-off זה מבטיח שינוי באופן אוטומטי, או שינוי פונקציה התקינה.

המועצה הבינלאומית להנדסה מערכות (INCOSE) ,1 מספקת הדרכה על שיטות העבודה הטובות ביותר של MBSE, וארגונים רבים אימצו מסגרות כמו ארקדיה (עם Capella) או OOSEM (Object-Oriented Systems Engineering Method) שיטות אלה להטביע מודלים פונקציונליים כצעד מרכזי בזרימת העבודה הכוללת.

מגמות עתידיות במודלים פונקציונליים עבור CPS

כמו מערכות סייבר-פיזיות צומחות בקנה מידה ואוטונומיה, טכניקות מודלים פונקציונליים מתפתחות כדי לעמוד באתגרים חדשים:

(FLT:0) שילוב של בינה מלאכותית:FLT:1 מודרני CPS יותר ויותר להשתמש אלגוריתמי למידת מכונה עבור תפיסה, תכנון ושליטה. מודלים פונקציונליים צריך לייצג התנהגויות נלמדות כמו "Black-box" פונקציות תוך כדי עדיין לאפשר אימות.
(FLT:0) תאומים: מודלים פונקציונליים 1:1 יכול ליצור את הבסיס של תאומים דיגיטליים - העתקים וירטואליים בזמן אמת של מערכות פיזיות.על ידי עדכון המודל התפקודי עם נתונים תפעוליים, מהנדסים יכולים לחזות ירידה בביצועים, תחזוקה התוכנית ואופטימיזציה של פעולות.מודל פונקציונלי הופך לחפץ חי מתפתח עם CPS.
מחקר סינתזה:0 (Automated synthesis: ibph:1) מחקר מתקדם על יצירת ארכיטקטורות פיזיות באופן אוטומטי ממודלים פונקציונליים.בהתחשב במערך של פונקציות ומגבלות (עלות, כוח, אמינות), אלגוריתמי אופטימיזציה יכולים להציע הקצאה ואפשרויות מבנה, עלייה של חקר החלל העיצוב.
(FLT:0) סודיות-בעיצוב:FearLT:1 עם קישוריות מוגברת, CPS פגיעים להתקפות סייבר.מודלים פונקציונליים ניתן להרחיב כדי לכלול פונקציות אבטחה - אותנטיזציה, הצפנה, זיהוי אנומלי - וכדי מודל משטחים התקפה.זה מאפשר ניתוח אבטחה מוקדם בעיצוב, עיקרון שתמך בסטנדרטים כמו ISA/IEC443.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

בעוד מודלים פונקציונליים מציעים יתרונות משמעותיים, הצוותים נתקלים לעתים באתגרים המודעות של המלכודות האלה יכולים לעזור להבטיח אימוץ מוצלח:

(FLT:0) Over-abstraction:FLT:1Build Modeling at Too high a Level יכול להסתיר אינטראקציות קריטיות.מהנדסים חייבים להתחמש בין מודלים פונקציונליים ומפורטים כדי לאמת הנחות.
(FLT:0) אינטגרציית כלי: FLT:1uing כלים מרובים ללא חילופי נתונים מתאימים מוביל לאי-consistencies. בחר כלים התומכים בדגימה משותפת (למשל, SysML כ- pivot) או להשתמש בפלטפורמות MBSE משולבות.
(FLT:0) אבחון דרישות שאינן פונקציונליות: גרף 1 מודלים פונקציונליים באופן טבעי ללכוד התנהגות, אך עשוי להמיט ביצועים, אמינות או דרישות אבטחה. השתמש ב-SsML parametrics או דיאגרמות דרישות נפרדות כדי ללכוד אלה ולקשר אותם לפונקציות.
(FLT:0) מעורבות בעלי מניות בעלי מניות: ibph:1 מודלים פונקציונליים הם רק שימושי אם הם משקפים את הצרכים של בעלי מניות אמיתיים.מומחים בתחום ההתמחות, מפעילי, ומתחזקים במודולים של ביקורת כדי להבטיח דיוק ושלמות.

מסקנה

מודלים פונקציונליים מספקים בסיס איתן לעיצוב מערכות סייבר-פיזיות שהן אמינות, בטוחות ויעילות. על ידי התמקדות במה שהמערכת חייבת להשיג ולא איך היא בנויה, מהנדסים יכולים לנהל מורכבות, לזהות שגיאות מוקדם, לתקשר ביעילות על פני דיסציפלינות.המתודולוגיה היא תמיכה טובה על ידי כלים כמו SysML, MATLAB /Sulink, ומודליקה, ומשתלבתלבתפת למסגרות מבוססות מודל - כמו גם תמיכה מקצועית לכל כלי רכב מתקדמים - CPS - להמשיך לספק תכונות פונקציונליות יעילות יותר לאימון יעיל יותר לאימון יעיל יותר ל- CPS.

לקריאה נוספת על SysML ו- MBSE, להתייעץ עם ה-FLT:0 (SysML ForumFLT:1 ו-FLT:2 המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST)FLT 3 משאבים במערכות סייבר-פיסיקה.