سامانه نرم افزاری تلسکوپ رصدخانه ملی ایران

رضا روانمهر*؛ بازار: تلسکوپ رصدخانه ملی ایران بعنوان بزرگ‌ترین پروژه علمی کشور در پژوهشگاه دانشهای بنیادی و در طی یک دهه گذشته طراحی و ساخته شده است. رصدخانه ملی ایران در قله گرگش در ارتفاع ۳۶۲۰ متری از سطح دریا و در ۴۰کیلومتری جنوب کاشان قرار دارد.

این رصدخانه شامل مجموعه تلسکوپ۳.۴ متری، آرایه لنز، پایشگاه و ساختمان خدمات و لایه‌نشانی آینه‌ها می‌باشد. تلسکوپ اصلی رصدخانه ملی ایران یک تلسکوپ اپتیکی مدرن از نوع Ritchey-Chretien Cassegrain است که قطر آینه اولیه آن ۳.۴ متر و قطر آینه ثانویه آن۰.۶ متر می‌باشد. نسبت کانونی این تلسکوپf/۱۱.۲۵ است. وزن مجموعه تلسکوپ ۹۰ تن است، که بر روی یک پایه بتنی به قطر ۵/۶ متر و ارتفاع ۱۲.۵ متر قرار گرفته است.

تلسکوپINO۳۴۰یک مجموعه بسیار پیچیده از سیستم‌های مختلف است که شامل تعداد زیادی قطعات اپتیکی ومکانیکی، مکانیزم های الکترومکانیکی و یک سامانه کنترلی منحصر بفرد مشتمل بر مجموعه‌ای از نرم‌افزارها و سخت‌افزارها می‌باشد.

تلسکوپ با بخش‌های مختلفی از رصدخانه مثل محفظه یا ابزارگان در ارتباط مستقیم است. از این رو لازم است که سامانه کنترلی تلسکوپ برای مدیریت مناسب فعالیت‌های مورد نیاز به سامانه‌های کوچکتری تقسیم شود.

از جمله آن‌ها می توان به سامانه کنترلی سطح بالا، سامانه کنترل تلسکوپ، سامانه اپتیک فعال، سامانه کنترل محفظه، سامانه مانیتورینگ عوامل محیطی و غیره اشاره کرد.در واقع سامانه کنترل تلسکوپ مسئول شناسایی شی رصدی، نشانه‌روی و ره‌گیری آن و در نهایت رساندن نور از آن به ابزار علمی نصب شده بر روی تلسکوپ است.

فلسفه طراحی و پیاده‌سازی این سیستم به‌گونه‌ای تدوین شده است که کلیه سامانه‌های کنترلی، سامانه ایمنی، سامانه‌های رصدی و کاربری و سامانه‌های ابزار دقیق را شامل شده و مشخصات مورد نیاز و ارتباطات بین آنها را تعیین نماید.

این فلسفه دربردارنده زوایا و ابعاد مختلفی در راستای هر چه کاراتر شدن طراحی و توسعه سامانه کنترل نظیر فرآیند تدریجی توسعه و تجمیع، استراتژیهای مناسب سامانه‌های کنترلی توزیعی بی‌درنگ، بررسی و تحلیل الزامات برای شناسایی صحیح و به موقع پارامترهای مختلف سیستم و ...میباشد.

مبانی این فلسفه در پس زمینه ذهن و مطالعات تیم مهندسی رصدخانه قرار داشته و ضمن استفاده دائم از آن در طراحی و اجرای تمام فعالیت‌های ذکر شده، به تدریج آن را تکامل نیز می‌دهند.

پایبندی به این فلسفه تضمین کننده یکپارچگی و همنوایی سامانه‌های مختلف در بستر سالهای متمادی طراحی و توسعه این سیستم توسط مهندسین مختلف بوده است. مطالعات انجام شده در فلسفه موجود به عنوان پیش زمینه دانش لازم به تیم مهندسی نرم‌افزار و سخت‌افزار رصدخانه کمک می‌کند تا هرچه بیشتر بتوانند فرایند های تدوین شده را پیگیری کرده، مشخصات و نیازمندی‌های هر زیرسامانه را به درستی شناسایی نموده و از آنها در طراحی و پیاده‌سازی موثر استفاده کنند.

برای طراحی و توسعه سامانه نرم‌افزاری تلسکوپ رصدخانه ملی ایران اولین گام ارائه یک معماری متناسب با نیازمندی‌های عملکردی و غیرعملکردی تلسکوپ است. در این راستا معماری این سامانه با توجه به مفاهیم و استراتژی‌های سیستم‌های توزیع شده بی‌درنگ طراحی شده است به گونه ای که بتواند بهترین عملکرد با بالاترین سطح قابلیت اطمینان را ارائه کند.

این سامانه باید بتواند مسائلی نظیر طراحی ماجولار، استفاده از اینترفیس‌های مناسب، زمان‌بندی وظایف بی‌درنگ، مدیریت منابع، پشتیبانی از پروتوکل‌های مختلف، مقیاس‌پذیری، کنترل ترافیک و ازدحام و ...را در اختیار بگذارد.

سامانه نرم‌افزاری تلسکوپ بخشی از پیکره واحد این سامانه دقیق و پیچیده است که دارای دو زیر سامانه اصلی سطح بالا(High-level) و سطح پایین (Low-level) می‌باشد. سامانه سطح بالا وظایف و سرویس‌های مختلف رصدی و عملکردی را در اختیار رصدگران و کاربران مرتبط قرار می‌دهد و سامانه سطح پایین وظیفه کنترل و نظارت بر زیر سامانه‌های سخت‌افزاری تلسکوپ و محفظه را بر عهده دارد.

سامانه‌ی کنترلی سطح بالای تلسکوپ شامل چندین اپلیکیشن (برنامه کاربردی) است که متناسب با کاربران و نوع کاربری آنها بر روی کلاسترطراحی و اجرا شده و برخی از سرویسها را بر بستر وب نیز ارایه میکنند.

فرایند توسعه سامانه کنترل تلسکوپ با فاز طراحی مفهومی اغاز و سپس طراحی جزیی آن انجام شده است. در هر دو مرحله اسناد مختلفی برای ارزیابی و صحه‌گذاری داوران و متخصصین بین المللی ارایه شده است.

پس از اعمال بازخوردهای هیئت داوران در اسناد و طراحی‌های مرتبط، مرحله توسعه و پیاده‌سازی نرم‌افزاری و سخت‌افزاری این سامانه‌ها انجام شده است. پس از ساخت و اسمبلی سازه اصلی تلسکوپ و نگه دارنده آینه اولیه آزمون های عملکردی تلسکوپ در محل کارخانه(Factory Acceptance Test) و سپس بعد از انتقال تلسکوپ به سایت (Site Acceptance Test)انجام شده است که نهایتا منجر به نورگیری اولیه (در دو فاز مهندسی و علمی) میشود.

در مراحل مختلف اجرای پروژه نرم افزارسامانه کنترل تلسکوپ فرآیندهای مختلفی فنی و مدیریتی بکار گرفته شده است. به طور مثال فرایند طراحی و توسعه تکرارشونده وافزایشی برای فازهای مختلف(Inception, Elaboration, Construction and Transition)، فرآیند مدیریت اسناد و پیگیری مشکلات از طریق سفارشی‌سازی نرم‌افزارهایOpenKMو Jira و یا فرآیندهای مرتبط با مدیریت تسک‌ها و وابستگی بین آنها و...

در راستای تحقق نیازهای علمی و مهندسی تلسکوپ ابزارها و پلتفرم‌های مختلفی برای پیاده‌سازی نرم‌افزارها در سطوح مختلف استفاده شده است. در طراحی و مدل‌سازی نرم افزار EnterpriseArchitectبه منظور مدیریت نیازمندیها، طراحی و توسعه سیستم، مهندسی سیستم و مدلسازی داده‌ها بکارگرفته شده است.

با توجه به توزیع شده‌گی مقیاس وسیع سیستم، بسترارتباطی مناسب بین نودها با بکارگیری میان افزارهای مبتنی بر رویکرد انتشار/اشتراک (publish/subcribe)پیاده‌سازی شده است. در طراحی و شبیه سازی الگوریتم‌های کنترلی بلادرنگ از ابزارهایی نظیر Simulink و LabVIEWReal-TimeModule استفاده شده است.

رصدخانه در طی دوران کاری خود چه در شب‌های رصدی و چه در روز (برای کارهای مهندسی و تعمیر و نگهداری) داده‌های مختلفی را تولید می‌کند که نیاز به ذخیره‌سازی، طبقه‌بندی در پایگاه داده اصلی سیستم و آنالیزهای بعدی دارد.

این اطلاعات می‌تواند شامل داده‌های رصدی، داده‌های مهندسی عملکرد سیستم، داده‌های مرتبط با رویدادها، اخطارها و آلارم‌های سیستم و نیز داده‌های لاگ عملیات مرتبط با کاربران باشد.

برای استفاده بهینه از این داده‌ها که نشان دهنده نمودهای مختلفی از عملکردها و سرویسهای رصدخانه است نیاز به روشهای کارا برای نظارت و گزارش‌گیری می باشد. لازم به ذکر است که این داده‌ها به مرور زمان و هرچه غنی‌تر شدن آنها می‌تواند در سرویس‌های داده کاوی و یادگیری ماشین برای استفاده بهینه‌ از منابع رصدخانه در آینده نزدیک استفاده شود.

در راستای پیاده‌سازی سامانه نرم‌افزاری سیستم کنترل تلسکوپ، چالش‌های مختلف فنی و مدیریتی در بیش از یک دهه طراحی، توسعه، پیاده‌سازی و آزمون این سامانه مطرح بوده است:

. جدید بودن طراحی و ساخت چنین سامانه‌ای با عملکرد خاص آن در ایران .

. عدم دانش فنی و تجربه لازم در مهندسین داخلی برای طراحی و توسعه سامانه در ابعاد مختلفی نظیر بررسی و تحلیل الزامات، طراحی و پیاده‌سازی، مدیریت ریسک، فرایندهای آزمون و صحه‌گذاری و...

. شناسایی و آموزش کارشناسان خبره و مهمتر از آن حفظ نیروهای متخصص که سرمایه اصلی این گونه پروژه‌های دانش-محور هستند. متاسفانه در بیش از یک دهه طراحی و ساخت سامانه تقریبا تمام نیروهای مهندسی نرم‌افزار و سخت‌افزار مجموعه بعلت مهاجرت نیروهای متخصص قبلی با نیرویهای جدید جایگزین شدند!

. مستندسازی در پروژه‌های دانش محور که بخصوص درگیر فرار مغزها هستند بسیار حساستر و مهمتر است. در همین راستا فرآیندهای مختلفی در مجموعه طراحی و اجرا شده است که نشت دانش (knowledge leakage)را به حداقل برساند.

. دسترسی به منابع لازم که بعضا انحصاری و قابل دسترس در مجموعه مقالات کتابخانه‌های دیجیتال یا بستر اینترنت نیستند.

. ایجاد بستر مناسب برای آموزشهای تخصصی مستمر بخصوص برای افراد تازه وارد به تیم مهندسی.

. تجمیع زیرسامانه‌های مختلف و ارکستریشن لازم به گونه‌ای که به پرفورمنس مجموعه خللی وارد نشود.

. ایجاد یک مدل کاری ترکیبی در دوران پاندمیک که به خصوص در زمان راه‌اندازی سیستمها در سایت (قله ۳۶۲۰ متری) و نیاز به حضور فیزیکی افراد امری بسیار پیچیده بوده است.

در انتها از تمام همکارانی که در طی این سالها در مراحل مختلف طراحی و پیاده‌سازی سامانه کنترل (نرم‌افزار و سخت‌افزار) مشارکت داشته‌اند و بخصوص مدیریت محترم طرح رصدخانه ملی ایران و سایر بخشهای پروژه نظیر مهندسی مکانیک،اپتیک و عمرانی تشکر و قدردانی می نمایم.

*رضا روانمهر مسئولیت سامانه نرم افزاری تلسکوپ رصدخانه ملی ایران را بر عهده داشته است.