Le tecnologie per le applicazioni nel campo della difesa stanno subendo una profonda evoluzione. I fattori più critici che stanno portando a questo cambiamento sono la crescente complessità dei prodotti e dei sistemi militari, tanto che si parla sempre più spesso di sistemi di sistemi, e la necessità di connettere più sistemi in rete e di integrarli in un'unica architettura "network centrica". In un mondo ormai globalizzato, anche il mercato dei sistemi per l'aerospazio e la difesa è sempre più competitivo. Le aziende attive nel settore devono minimizzare il time-to-market, al fine di rincorrere la tecnologia in rapida e continua evoluzione e di rispondere alle richieste degli utenti, che cambiano con un ritmo incalzante. Non ci si può più permettere di "rilassarsi" sul monopolio tecnologico. Data la complessità crescente, i progetti sono soggetti ad un'alta probabilità di insuccesso. Di conseguenza occorre adottare un approccio sistemistico a tutti i livelli e rendere i prodotti programmabili, modulari e interoperabili. Questo vale anche per la strumentazione di test.
L'importanza del software sta crescendo in tutte le fasi del ciclo di sviluppo, dalla progettazione, al test, alla validazione dei prodotti, tanto che il confine fra hardware e software è sempre più sfumato.
Il Concurrent Engineering
Un'altra tendenza in rapida affermazione è verso il "concurrent engineering": in presenza di sistemi complicati, è importante considerare gli aspetti legati al test fin dalle prime fasi del progetto. Non è più possibile lavorare a compartimenti stagni e pensare al test solo alla fine del ciclo di sviluppo, perché si rischierebbe di rallentare eccessivamente il time-to-market.
Gli aspetti legati al test sono particolarmente critici nelle applicazioni in campo militare e dell'avionica, le quali richiedono un grande numero di testi strutturali per tenere conto degli aspetti ambientali, come urti, vibrazioni o escursioni termiche e per verificare l'affidabilità degli apparati elettrici, elettronici, meccanici del sistema, oltre che del software. Ad esempio, in avionica sono richiesti livelli di affidabilità dell'ordine di alcune parti per milione, in relazione alle particolari funzioni dei sottosistemi. Le unità di controllo adattativo del volo e i sistemi fly-by-wire devono
essere controllati elettronicamente, devono essere safety critical e rispondere a requisiti molto severi in termini di affidabilità e di prestazioni. L'elettronica e il software rappresentano ormai un terzo del valore di un aereo militare. Un sistema elettronico in un velivolo può integrare dai 50 ai 150 calcolatori con diverse funzioni. Gli apparecchi militari di ultima generazione ormai non funzionano più senza calcolatore. Essi devono poter volare sia nel deserto, sia in ambiente polare in un intervallo operativo minimo di temperature compreso fra - 20 °C a 50 °C. Le interfacce uomo/macchina, come i display, gli indicatori di stato, o la plancia portastrumenti, devono essere chiaramente visibili in qualsiasi condizione ambientale e di luminosità. Non è raro avere calcolatori vicino a cannoni che devono sparare, e questo rende i test funzionali particolarmente critici.
Il Collaborative Engineering
Cambia anche l'organizzazione del lavoro in campo militare, sempre più basata sul "collaborative engineering", ossia sulla gestione di gruppi di lavoro delocalizzati geograficamente, e su una concezione allargata delle aziende, che comprende anche clienti e fornitori e persino i competitor, i quali possono diventare dei partner nello sviluppo di progetti o di tecnologie innovative.
È necessario inoltre formare una rete di eccellenza, in modo da creare sinergie fra le aziende attive nel settore, sia di grandi, sia di piccole dimensioni, gli atenei e le organizzazioni governative.
La riduzione dei costi è una necessità imprescindibile: occorre realizzare, a costi inferiori, sistemi più complessi con più funzioni, più servizi e con un grado superiore di affidabilità.
Per questo motivo le aziende attive nel settore militare stanno ricorrendo in modo sempre più massiccio a componenti COTS standard "da scaffale", e in particolare a quelli qualificati per l'intervallo di temperature industriale o automotive. Alcune funzioni critiche, ovviamente, non possono essere realizzate con dispositivi COTS; tuttavia, se in passato le applicazioni militari erano rese affidabili dalla qualità intrinseca dei componenti, realizzati ad hoc per le applicazioni militari, oggi la qualità e l'affidabilità deve essere garantita a livello di sistema e di processo produttivo. Da qualche anno i progettisti militari hanno iniziato ad usare i cataloghi di prodotti commerciali, anziché quelli militari, cambiando radicalmente approccio rispetto al passato.
I cicli di vita dei prodotti
Questo ha ripercussioni anche sui cicli di vita dei prodotti. Essendo basati su componenti che diventano obsoleti anche solo dopo un anno, ed essendo necessario garantire allo stesso tempo un supporto dei prodotti su un arco di 20 - 25 anni, è indispensabile ricorrere ad architetture modulari, che consentono di sostituire componenti e sottosistemi guasti con altri di ultima generazione, quando non è possibile riparare le schede. Dato che la complessità tecnica dei progetti e il numero di componenti nei sistemi elettronici aumenta, e il costo di sviluppo diventa un fattore sempre più importante, è necessario sviluppare i nuovi progetti usando modelli e prototipi virtuali. Ciò consente di ridurre i rischi e cambia il modo con cui è organizzata la progettazione. I progettisti stanno infatti passando ad ambienti di programmazione grafici e automatizzati, come quelli basati sul linguaggio SysML, una versione dell'UML più orientata alla progettazione a livello di sistema..
Emerge quindi l'esigenza di un ambiente integrato e aperto per la progettazione, la simulazione e il test dei sistemi elettronici per applicazioni militari.
Una raccomandazione pubblicata dal dipartimento di difesa americano (DoD) nel 2002, incoraggiava l'uso della strumentazione sintetica e la sostituzione dell'hardware dedicato con componenti COTS standard adattati alle specifiche militari, al fine di ridurre i costi di sviluppo e di manutenzione dei sistemi militari e di accelerare il time-to-market.
Un nuovo approccio virtuale
I fornitori di soluzioni per usi militari sono ricorsi alla strumentazione sintetica adottando due approcci diversi. Uno di questi è basato sull'uso di firmware e di sistemi di misura dedicati connessi fra loro attraverso bus GPIB, LAN o USB. Un altro approccio consiste invece nel centralizzare le operazioni di controllo, gestendole attraverso un processore generico o un Pc e dell'hardware modulare. Quest'ultimo è alla base del concetto di strumentazione virtuale, che spesso è usato in modo intercambiabile con quello di strumentazione sintetica (ma in realtà ne costituisce un sottoinsieme), e garantisce una notevole riduzione dei costi di sviluppo dei sistemi militari.
Il ricorso alla strumentazione virtuale consente inoltre di venire incontro alle esigenze emergenti di modularità, di concurrent engineering e di collaborative engineering, unificando i dati e le procedure attraverso la progettazione, la simulazione, la validazione, fino alla logistica e alla manutenzione dei prodotti, e semplificando il coordinamento fra i gruppi di lavoro attivi nelle diverse fasi del ciclo di sviluppo dei sistemi militari. Attraverso la strumentazione virtuale è anche possibile usare le informazioni condivise per effettuare l'assistenza a distanza dei prodotti.
Il Forum Aerospazio e Difesa 2007
Questi in sintesi sono stati i concetti e le ultime tendenze dell'industria italiana nei settori aerospaziale e militare, delineati nel corso della terza edizione del Forum Aerospazio e Difesa 2007. L'evento, organizzato come di consueto a Roma con cadenza biennale da National Instruments Italia, ha affiancato alle keynote numerose sessioni tecniche e un'area espositiva in cui gli Alliance Partner di National Instruments hanno presentato applicazioni tecniche reali. Al Forum hanno partecipato aziende sia di grandi, sia di piccole dimensioni fra cui Wind River, Selex, il gruppo Finmeccanica, Galileo Avionica, Thales Alenia Space, Vitrociset, AgustaWestland, e importanti realtà del mondo accademico come il CIRA (Centro Italiano Ricerche Aerospaziali) e le università degli Studi di Bologna e di Forlì. National Instruments punta a coinvolgere in modo più ampio il mondo accademico, sfruttando le sinergie già presenti con le principali università Italiane, come i Politecnici di Torino, Milano e Roma, intervenendo con lezioni tenute dai propri esperti, ed effettuando donazioni di prodotti hardware e software.
Il punto di vista dei militari
L'intervento di apertura del Forum Aerospazio e Difesa 2007 è stato tenuto dal Generale Ispettore Pietro Finocchio, Direttore Generale di Teledife, organismo attivo nella ricerca nel campo telecomunicazioni, dell'informatica e delle tecnologie avanzate per la difesa. Il Generale ha richiamato l'attenzione sulle esigenze pratiche di innovazione tecnologica del settore della difesa in particolare in applicazioni quali radar, sistemi di telecomunicazioni, elettronici, informatici e di osservazione spaziale. L'evoluzione delle tecnologie è ormai il fattore determinante per garantire la sicurezza e la difesa ed evitare i conflitti a livello internazionale. In Italia tradizionalmente l'esercito coopera con la protezione civile, affiancando le attività di soccorso di quest'ultima con le operazioni di presidio: si ha quindi uno scambio di dati e di tecniche fra la protezione civile e il settore militare.
Per i militari oggi è impossibile non essere esperti di elettronica: essi devono usare con grande familiarità i terminali GPS per l'orientarsi e per comunicare la propria posizione, devono poter inviare messaggi dal palmare, ed essere dotati di videocamere e di sensori intelligenti per individuare la presenza del nemico, tutelando così la propria incolumità. Lo sviluppo dei velivoli militari e da trasporto costituisce un aspetto critico per la difesa e la sicurezza, come pure le tecnologie per le comunicazioni. Oggi, con la diffusione della tecnologia Software Defined Radio è difficile distinguere fra hardware e software, ed è possibile realizzare soluzioni hardware multifunzione, in supportare grado di diversi algoritmi e tipi di radio in relazione alle applicazioni, garantendo i massimi livelli di sicurezza delle reti. Dato che le organizzazioni terroristiche usano spesso Internet per pianificare attentati, è necessario poter codificare automaticamente messaggi vocali e scritti, per identificare le aree più pericolose. In ambito militare si usano tradizionalmente reti separate e criptate, che sono tuttavia molto costose da realizzare e da manutenere e non sono flessibile. In futuro sarà usata la rete Internet anche in campo militare, criptando biometricamente i dati e ricorrendo a tecniche avanzate per la sicurezza, che comprendono anche la crittografia quantistica.
Alcune applicazioni pratiche
Fra le applicazioni presentate durante il Forum Aerospazio e Difesa 2007, Thales Alenia Space, la prima azienda a realizzare una catena di montaggio per satelliti artificiali per usi sia militari, sia commerciali, ha usato con successo le soluzioni di strumentazione virtuale per sviluppare delle schede PXI Express per le comunicazioni satellitari, che sarà disponibile entro fine anno. Le applicazioni servite da tali schede richiedono il monitoraggio continuo, il ricorso ad architetture multicore e il trasferimento di grandi quantità di dati in sistemi complessi che integrano fino anche a 700 dispositivi, con una media di 30 - 40 per sistema. L'uso di LabView Embedded e di LabView DSP ha consentito di ridurre i tempi di prototipazione e di produzione, oltre a semplificarne il riuso e a migliorare la gestione delle risorse del sistema per evitare colli di bottiglia.
Vitrociset, in collaborazione con il CIRA, ha sviluppato il sistema EGCE (Electrical Ground Control Equipment) per veicoli spaziali senza equipaggio (unmanned space vehicle), mettendo a punto il software prevalentemente in ambiente LabView, con aggiunte in linguaggio C per alcune funzioni custom. È stato così possibile ottenere una riduzione di un fattore 2 - 3 nei costi di sviluppo e di test delle schede in linea di produzione.
Galileo Avionica, specializzata nella realizzazione di sensori e di sistemi ad ala fissa e mobile (aerei ed elicotteri) per la difesa. La società ha messo a punto dei sistemi di collaudo in ambiente LabView FPGA, che consente di emulare in prototipi di sistemi ad elevata densità e complessità, anche basati su soluzioni multiprocessore e multiDSP. Grazie a questo approccio è stato possibile realizzare una stazione di collaudo in poche settimane, ed è stato molto più semplice individuare errori nel progetto e riaggiornare il sistema. Il ricorso all'ambiente LabView e ad un'architettura flessibile, aperta e scalabile basata sull'uso di componenti COTS ha ridotto notevolmente il time-to-market e ha migliorato il design reuse.
La strumentazione virtuale sempre più pervasiva
Le società di analisi confermano che la tendenza verso l'adozione della strumentazione virtuale è in netta ascesa. In base a un rapporto di Frost & Sullivan, mentre nel 2001 si registrava una sostanziale parità fra le soluzioni di strumentazione standard e virtuale presenti sul mercato, nel 2006 il rapporto fra le due era di 1 a 4. Uno strumento di misura virtuale è definito via software su un hardware generico, il quale è basato su uno o più processori, su interfacce standard per la connettività, in grado di garantire il trasferimento dati in tempo reale, e su altri moduli funzionali, ad esempio con funzioni di acquisizione dei dati. Nella strumentazione virtuale il software ha un peso predominante.
Le soluzioni per la strumentazione virtuale sono poco costose, facili da usare e non sono legate a soluzioni hardware particolari; esse costituiscono sistemi aperti e interoperabili.
In un sistema di strumentazione virtuale, per ogni interfaccia di comunicazione sono connessi in media 2,5 - 2,6 strumenti. Anche la massiccia diffusione dello standard PXI, lanciato nel 1997, e pensato specificamente per ottimizzare la velocità, l'accuratezza e la latenza nelle misure effettuate da Pc, comprova che il concetto di strumentazione virtuale sta prendendo piede sempre più.
National Instrument è leader storico e pioniere nel campo della strumentazione virtuale. LabView, introdotto nel 1982 e sviluppato da Jeff Kodosky, uno dei fondatori di National Instruments, è un ambiente integrato di test indipendente dal particolare sistema hardware e software adottato che permette agli ingegneri di concentrarsi sugli aspetti legati al test. La società offre anche l'ambiente NI TestStand, che consente di sviluppare rapidamente sistemi di test e di validazione avanzati e completamente automatizzati, e di gestire ed eseguire sequenze di test scritte in qualsiasi linguaggio di programmazione.
National Instruments ha ridotto i costi delle proprie soluzioni PXI e ha annunciato di recente le prime schede PXI Express, in grado di supportare la trasmissione seriale dei dati a 2,5 Gbit/s. Questo livello di prestazioni consente di affrontare problemi in campo militare fino a poco tempo fa non approcciabili, consentendo di trasmettere dati a 4 Gigabyte/s per linea, superando di ordini di grandezza il limite di 100 Mbyte/s dello standard PXI. Nessun bus può risolvere qualsiasi esigenza applicativa, per cui coesisteranno diversi standard per i bus di comunicazione. Per questo motivo le soluzioni di National Instruments sono trasparenti rispetto al particolare standard adottato. La strumentazione virtuale, consente inoltre di adattare l'hardware basato su componenti COTS ad una particolare applicazione, ad esempio cambiando le caratteristiche di sincronizzazione e di filtraggio, grazie ad una vista hardware e software altamente integrata.
Un altro aspetto importante è il supporto di piattaforme diverse da quella Pc tradizionale, sempre più diffuse: basti pensare che solo il 2% dei processori è integrato nei Pc. National Instruments supporta tali piattaforme attraverso ambienti ottimizzati come LabView Embedded, LabView FPGA e LabView DSP. Tali ambienti forniscono ai progettisti un'interfaccia utente ad alto livello che genera codice ottimizzato, senza dover apprendere il linguaggio VHDL che è indubbiamente potente ma è appannaggio di pochi.
La versione 8.20 di LabView è stata migliorata per la modularità e per il supporto a funzioni avanzate di simulazione e di elaborazione matematica. La versione 8.5, presentata in occasione della Ni Week di Agosto a Austin, in Texas, aggiunge il supporto alle architetture multicore e ulteriori migliorie, che includono un'interfaccia per la progettazione grafica delle macchine a stati.
