التصميم القائم على النموذج

التصميم القائم على النماذج ( MBD ) هو أسلوب رياضي وبصري لمعالجة المشكلات المرتبطة بتصميم أنظمة التحكم المعقدة، ^{[ 1 ]} ومعالجة الإشارات ^{، [ 2 ]} وأنظمة الاتصالات. يُستخدم هذا الأسلوب في العديد من تطبيقات التحكم في الحركة ، والمعدات الصناعية، والفضاء ، والسيارات. ^{[ 3 ] [ 4 ]} كما يُعدّ التصميم القائم على النماذج منهجية تُطبّق في تصميم البرمجيات المدمجة . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

يُوفر التصميم القائم على النماذج منهجًا فعالًا لإنشاء إطار عمل مشترك للتواصل طوال عملية التصميم، مع دعم دورة التطوير ( نموذج V ). في تصميم أنظمة التحكم القائم على النماذج، يتجلى التطوير في هذه الخطوات الأربع:

1. نمذجة نبات ،
2. تحليل وتصميم وحدة تحكم للمصنع،
3. محاكاة المصنع ووحدة التحكم،
4. دمج كل هذه المراحل من خلال نشر وحدة التحكم.

يختلف التصميم القائم على النماذج اختلافًا جوهريًا عن منهجية التصميم التقليدية. فبدلًا من استخدام هياكل معقدة وبرمجيات مطولة، يُمكن للمصممين استخدام التصميم القائم على النماذج لتحديد نماذج للمنشآت ذات خصائص وظيفية متقدمة باستخدام وحدات بناء زمنية مستمرة ومتقطعة. تُتيح هذه النماذج المُنشأة، عند استخدامها مع أدوات المحاكاة، إمكانية إنشاء نماذج أولية سريعة، واختبار البرمجيات، والتحقق منها. ولا يقتصر الأمر على تحسين عملية الاختبار والتحقق فحسب، بل يُمكن أيضًا، في بعض الحالات، استخدام محاكاة الأجهزة في الحلقة مع نموذج التصميم الجديد لإجراء اختبار التأثيرات الديناميكية على النظام بسرعة وكفاءة أعلى بكثير من منهجية التصميم التقليدية.

في عشرينيات القرن الماضي، تضافرت جهود جانبين من الهندسة، وهما نظرية التحكم وأنظمة التحكم، مما أتاح إمكانية إنشاء أنظمة متكاملة واسعة النطاق. في تلك الأيام، شاع استخدام أنظمة التحكم في البيئة الصناعية. وبدأت المنشآت الصناعية الكبيرة باستخدام وحدات التحكم في العمليات لتنظيم المتغيرات المستمرة مثل درجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق. وكانت المرحلات الكهربائية المدمجة في شبكات متدرجة من أوائل أجهزة التحكم المنفصلة التي ساهمت في أتمتة عملية تصنيع كاملة.

اكتسبت أنظمة التحكم زخمًا كبيرًا، لا سيما في قطاعي السيارات والطيران. ففي خمسينيات وستينيات القرن العشرين، أدى التوجه نحو الفضاء إلى زيادة الاهتمام بأنظمة التحكم المدمجة. وقام المهندسون بتصميم أنظمة تحكم، مثل وحدات التحكم في المحركات وأجهزة محاكاة الطيران، لتكون جزءًا من المنتج النهائي. وبحلول نهاية القرن العشرين، أصبحت أنظمة التحكم المدمجة منتشرة على نطاق واسع، حتى أن الأجهزة المنزلية الاستهلاكية الرئيسية ، كالغسالات ومكيفات الهواء، احتوت على خوارزميات تحكم معقدة ومتطورة، مما جعلها أكثر ذكاءً.

في عام 1969، طُرحت أولى وحدات التحكم الحاسوبية. حاكت هذه الوحدات المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) المبكرة عمليات تقنيات التحكم المنفصلة المتوفرة آنذاك والتي كانت تستخدم دوائر الترحيل القديمة. أحدث ظهور تقنية الحاسوب الشخصي نقلة نوعية في سوق التحكم في العمليات والتحكم المنفصل. إذ يُمكن لجهاز حاسوب مكتبي جاهز، مزود بالبرمجيات والأجهزة اللازمة، تشغيل وحدة معالجة كاملة، وتنفيذ خوارزميات PID المعقدة والمعروفة، أو العمل كنظام تحكم موزع (DCS).

الخطوات الرئيسية في منهج التصميم القائم على النموذج هي:

1. نمذجة المصانع. يمكن أن تكون نمذجة المصانع قائمة على البيانات أو على المبادئ الأساسية . تستخدم نمذجة المصانع القائمة على البيانات تقنيات مثل تحديد النظام . في تحديد النظام، يتم تحديد نموذج المصنع من خلال الحصول على البيانات الأولية ومعالجتها من نظام واقعي، واختيار خوارزمية رياضية لتحديد نموذج رياضي. يمكن إجراء أنواع مختلفة من التحليلات والمحاكاة باستخدام النموذج المحدد قبل استخدامه لتصميم وحدة تحكم قائمة على النموذج. تعتمد النمذجة القائمة على المبادئ الأساسية على إنشاء نموذج تخطيطي يطبق المعادلات التفاضلية الجبرية المعروفة التي تحكم ديناميكيات المصنع. أحد أنواع النمذجة القائمة على المبادئ الأساسية هو النمذجة الفيزيائية، حيث يتكون النموذج من كتل متصلة تمثل العناصر الفيزيائية للمصنع الفعلي.
2. تحليل وتصميم وحدة التحكم . يُستخدم النموذج الرياضي المُصمم في الخطوة الأولى لتحديد الخصائص الديناميكية لنموذج النظام. بعد ذلك، يمكن تصميم وحدة تحكم بناءً على هذه الخصائص.
3. المحاكاة غير المتصلة والمحاكاة الآنية . يتم دراسة استجابة النظام الديناميكي للمدخلات المعقدة والمتغيرة مع الزمن. ويتم ذلك عن طريق محاكاة نموذج خطي ثابت مع الزمن (LTI ) بسيط، أو عن طريق محاكاة نموذج غير خطي للنظام مع وحدة التحكم. تتيح المحاكاة اكتشاف المواصفات والمتطلبات وأخطاء النمذجة فورًا، بدلًا من اكتشافها لاحقًا في عملية التصميم. يمكن إجراء المحاكاة الآنية عن طريق توليد رمز برمجي تلقائيًا لوحدة التحكم المطورة في الخطوة 2. يمكن نشر هذا الرمز على حاسوب خاص للنماذج الأولية الآنية، والذي يمكنه تشغيل الرمز والتحكم في تشغيل النظام. في حال عدم توفر نموذج أولي للنظام، أو إذا كان الاختبار عليه محفوفًا بالمخاطر أو مكلفًا، يمكن توليد الرمز تلقائيًا من نموذج النظام. يمكن نشر هذا الرمز على الحاسوب الخاص بالنماذج الأولية الآنية، والذي يمكن توصيله بالمعالج المستهدف الذي يعمل عليه رمز وحدة التحكم. وبالتالي، يمكن اختبار وحدة التحكم آنيًا مقابل نموذج النظام الآني.
4. النشر. يُفضل أن يتم ذلك عبر توليد الكود من وحدة التحكم المطورة في الخطوة الثانية. من غير المرجح أن تعمل وحدة التحكم على النظام الفعلي بنفس كفاءتها في المحاكاة، لذا تُجرى عملية تصحيح أخطاء تكرارية من خلال تحليل النتائج على النظام المستهدف وتحديث نموذج وحدة التحكم. تتيح أدوات التصميم القائمة على النماذج تنفيذ جميع هذه الخطوات التكرارية في بيئة مرئية موحدة.

أصبحت عيوب التصميم القائم على النماذج مفهومة بشكل جيد إلى حد ما في هذه المرحلة المتأخرة من دورة حياة تطوير المنتج.

• من أبرز عيوب هذا النهج أنه شاملٌ وغير موحد في تطوير الأنظمة المدمجة القياسية. فغالباً ما يفوق الوقت اللازم لنقل النظام بين المعالجات والأنظمة البيئية القيمة الزمنية التي يوفرها في التطبيقات المخبرية البسيطة.

• معظم سلسلة أدوات التجميع مغلقة المصدر، وعرضة لأخطاء مثل أخطاء الأعمدة، وغيرها من أخطاء التجميع الشائعة التي يمكن تصحيحها بسهولة في هندسة الأنظمة التقليدية.

• قد تؤدي أنماط التصميم وإعادة الاستخدام إلى تطبيقات نماذج غير ملائمة لتلك المهمة. على سبيل المثال، تطبيق وحدة تحكم لمنشأة إنتاج سيور ناقلة تستخدم مستشعرًا حراريًا ومستشعر سرعة ومستشعر تيار. هذا النموذج غير مناسب عمومًا لإعادة تطبيقه في وحدة تحكم محرك، على الرغم من سهولة نقله، وما يترتب على ذلك من أخطاء برمجية.
• مشكلات التحكم في الإصدارات : قد يواجه التصميم القائم على النماذج تحديات كبيرة بسبب نقص الأدوات عالية الجودة لإدارة التحكم في الإصدارات، لا سيما فيما يتعلق بعمليات المقارنة والدمج. وهذا قد يؤدي إلى صعوبات في إدارة التغييرات المتزامنة والحفاظ على ممارسات قوية للتحكم في الإصدارات. على الرغم من ظهور أدوات أحدث، مثل الدمج ثلاثي الاتجاهات، لمعالجة هذه المشكلات، إلا أن دمج هذه الحلول بفعالية في سير العمل الحالي لا يزال مهمة معقدة. ^{[ 8 ]}

على الرغم من قدرة التصميم القائم على النماذج على محاكاة سيناريوهات الاختبار وتفسير نتائج المحاكاة بدقة، إلا أنه غالبًا ما يكون غير مناسب في بيئات الإنتاج الواقعية. فالاعتماد المفرط على مجموعة أدوات معينة قد يؤدي إلى إعادة عمل مكثفة، وربما يُعرّض مناهج الهندسة بأكملها للخطر. ورغم ملاءمته للتجارب المعملية، إلا أنه ينبغي توخي الحذر الشديد عند اختياره لنظام إنتاجي.

من بين المزايا التي يوفرها التصميم القائم على النماذج مقارنة بالنهج التقليدي ما يلي: ^{[ 9 ]}

• يوفر التصميم القائم على النموذج بيئة تصميم مشتركة، مما يسهل التواصل العام وتحليل البيانات والتحقق من النظام بين مختلف مجموعات التطوير.
• يستطيع المهندسون تحديد الأخطاء وتصحيحها في وقت مبكر من تصميم النظام، عندما يكون تأثير تعديل النظام على الوقت والمال في حده الأدنى.
• يتم تسهيل إعادة استخدام التصميم، سواء للترقيات أو للأنظمة المشتقة ذات القدرات الموسعة.

نظراً لمحدودية الأدوات الرسومية، اعتمد مهندسو التصميم سابقاً بشكل كبير على البرمجة النصية والنماذج الرياضية. إلا أن تطوير هذه النماذج كان يستغرق وقتاً طويلاً، وعرضة للأخطاء. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ تصحيح أخطاء البرامج النصية عملية شاقة، تتطلب الكثير من التجربة والخطأ قبل الوصول إلى نموذج نهائي خالٍ من الأخطاء، خاصةً وأن النماذج الرياضية تخضع لتغييرات غير مرئية أثناء مراحل التصميم المختلفة.

تهدف أدوات النمذجة الرسومية إلى تحسين هذه الجوانب من التصميم. توفر هذه الأدوات بيئة نمذجة رسومية عامة وموحدة للغاية، وتُقلل من تعقيد تصميمات النماذج بتقسيمها إلى تسلسلات هرمية من وحدات التصميم الفردية. وبذلك، يستطيع المصممون تحقيق مستويات متعددة من دقة النموذج بمجرد استبدال عنصر من عناصر الوحدة بآخر. كما تُساعد النماذج الرسومية المهندسين على تصور النظام بأكمله وتبسيط عملية نقل النموذج من مرحلة إلى أخرى في عملية التصميم. كان برنامج المحاكاة EASY5 من بوينغ من أوائل أدوات النمذجة التي زُوّدت بواجهة مستخدم رسومية، إلى جانب AMESim ، وهي منصة متعددة المجالات والمستويات تعتمد على نظرية مخطط الروابط. وسرعان ما تبع ذلك أدوات مثل 20-sim و Dymola ، التي سمحت بتكوين النماذج من مكونات مادية مثل الكتل والينابيع والمقاومات، وما إلى ذلك. ثم ظهرت لاحقًا العديد من الأدوات الحديثة الأخرى مثل Simulink و LabVIEW .

• نظرية التحكم
• المواصفات الوظيفية
• الهندسة القائمة على النماذج
• النمذجة العلمية
• المواصفات (المعيار الفني)
• هندسة النظم