דרישות הכרב”מ (כלי רכב בלתי מאוישים) מניעות מהפכה בביצועי המחשבים המשובצים עתירי הביצועים

מאת: עידן ושיץ, אדקו טכנולוגיות

עם השינויים הרבים המתחוללים בתחום הלוחמה המודרנית נדרשים גם שינויים בחידושים הטכניים שמציעות שותפות הטכנולוגיה במגזר הביטחון העולמי. שינוי פניה של המערכה הצבאית, עם פחות פלוגות בשטח, יותר שימוש במודיעין שנאסף באמצעות כלי רכב אוטונומיים, הזנת נתונים בזמן אמת למשימות וההתפתחות של לוחמה ממוקדת רשת – כל אלה מניעים את הפתרונות והיישומים הנחוצים כדי לתמוך טוב יותר בלוחמים של ימינו.
בלב העניין, מערכות הקרב העכשוויות תלויות בגישה לנתונים וביכולת לשתף את המפקדים בנתוני זמן אמת מורכבים, כדי שהם, בתורם, יוכלו להעביר את המידע הרלוונטי כל הדרך אל הלוחם בקו הראשון שבחזית. הלוחמה מתאימה עצמה לשילוב של יותר כלי רכב אוטונומיים, לרבות אלו שבהן עוסקת מפת הדרכים של תחום מערכות כלי הרכב הבלתי מאוישים (כרב”מ, ובלעז UGV) שפיתח משרד הפרויקטים המשותפים לפיתוח מערכות רובוטיות בצבא ארה”ב (RS JPO). במקביל ישנו גם הצורך לצמצם עוד יותר את ה-SWaP (גודל, משקל וצריכת הספק) – דבר שנעשה ביעילות רבה ביותר באמצעות טביעת רגל מבוססת סטנדרטים – וכן לספק HPEC (מחשוב משובץ עתיר ביצועים) עם I/O חיישן גמיש, מה שיצריך, שוב, התקדמות משמעותית בחדשנות התכנונית.
הצורך לתמוך בדרישות המחשוב הנייד היבשתי האוטונמי בתחום של פונקציות תפעול הרכב – כדוגמת ראייה, תקשורת וניווט אוטונומי – במקביל לצורך לתמוך בפונקציות המטען התכליתי (payload) כדוגמת הזנת חיישנים בהתאמה אישית או ניהול כלי נשק – אלה יעמיסו עול נכבד על היבול הנוכחי של מוצרי HPEC מוקשחים. האם התשובה תהיה יותר בכיוון של פתרונות קנייניים בהתאמה אישית, תמהיל של מעבדים ייעודיים קטנים, או שמא התפתחות של סטנדרטים חדשים שיענו על הצרכים של כלי הרכב האוטונומיים העתידיים? התשובה האופטימית תהיה שההתפתחותם של סטנדרטיים טכנולוגיים, COTS וחדשנות תכנונית תעזור להוביל אותנו לעידן של כלי רכב אוטונומיים שיתאימו לכל הצורות השונות של הפעילות המבצעית.

ה-RS JPO מניע מפת דרכים עבור המציאות בשטח
הכרב”מים (כלי רכב בלתי מאוישים) הקיימים היום ברובם מופעלים מרחוק על-ידי נהג אנושי, או פועלים בצורה חצי-אוטונומית. בשלב זה בהתפתחות הכרב”מ ישנו טווח מסוים של יכולות הפעלה אוטונומית. לדוגמה, ניתן ליצור את ה-UGV כך שיעבוד במוד של “slave” עם כלי רכב אחר המופעל על-ידי בן-אדם, בצורה של שיירה, או לחלופין כך שיעקוב אחרי משוואה או נקודות ביניים גיאוגרפיות תוך הסתמכות על חיישנים, GPS ועוצמת מחשוב שתנחה את ההתקדמות. ה-HPEC יכול למלא תפקיד מרכזי בהתפתחותן של יכולות אוטונומיות שכן ביכולתו להוביל לעצמאות מלאה. בנוסף, הצרכים של המטען (ה-payload), כדוגמת איתור התקני IED (חומרי נפץ מאולתרים), ייעשו הרבה יותר מתוחכמים. הפעלה אוטונומית תצריך מודעות מצבית ואת זו יוכל לספק המחשוב של המיטען כאשר הכרב”מים יהפכו לאוטונומיים לגמרי.
כדי לתמוך בהתקדמות לעבר אוטונומיה מלאה פיתח ה-RS JPO של צבא ארה”ב תוכנית פונקציונלית עבור כמה וכמה סוגי כרב”מים, לרבות כמה סוגים של כלי רכב ושל פלטפורמות לכלי רכב יבשתיים בלתי מאוישים. ובאופן ספציפי ניתן לקבוע כי לסוגים המוכרים כבעלי “ניידות עצמית” ו”משורינים” (appliqué) תהיה ההשפעה המרובה ביותר על התפתחות ה-HPEC.
מפת הדרכים של מערכות הכרב”מ של ה-RS JPO נוצרה עם תכונות מפתח שיאפשרו גידול וצמיחה של הכרב”מ לאורך זמן. חלק מהתכונות הללו יציבו דרישה להתפתחות או אפילו למהפיכה ב-HPEC, במיוחד כאשר מדובר ביישומים בתת-מגזרים של ניווט אוטונומי, הספק, ראייה, ארכיטקטורה ותמיכה במיטען. כדי לתמוך במפת הדרכים הזו עתידים פתרונות ה-HPEC למהר ולדרוש שדרוגי ביצועים מעבר למה שזמין היום. בתוך קבוצות הכרב”מים מסוגי “ניוד עצמי” ו”משורינים” הולכות ומתגבשות תוכניות ספציפיות עם מערכי יכולות ספציפיים, ואלה יצריכו תכונות טכנולוגיות שיאפשרו לדבוק במפת הדרכים. בין התוכניות הללו ניתן להזכיר את:
• Project Workhorse: תוכנית כרב”מ שנפרסה באפגניסטן וכוללת פלטפורמת שירות של ניוד-עצמי בצורת ה-SMSS של לוקהיד מרטין. ה-SMSS הוא רכב אוטונומי בלתי מאויש המסוגל לשאת עד חצי טון של ציוד לוחמה וניתן להפעלה מרחוק באמצעות לווין כדי לבצע פעולות אוטונומיות כדוגמת “עקוב אחרי”, “לך לנקודה X” וכן פעולת צידוד retro-traverse. חבילת החיישנים של ה-SMSS משלבת LIDAR (לייזר למדידת טווחים), אינפרא-אדום (IR) ומצלמת צבע. כלי הרכב יכול להינעל על כל אדם ולעקוב אחריו באמצעות זיהוי פרופיל התלת-ממד שלו שנלכד על-ידי החיישנים המורכבים על כלי הרכב. ה-SMSS יכול לנווט באופן אוטונומי באמצעות ניתוב מתוכנת מראש תוך שימוש בנקודות ביניים ב-GPS. התפתחות של סוג זה של כרב”מ תצריך שיפורים בצריכת ההספק של המחשב שעל כלי הרכב ואינטגרציית חיישנים מרובה וטובה יותר, ובמקביל גם מחשובים שווי ערך או גבוהים יותר עם פחות חתימת פליטה ניתנת לאיתור (ראו איור 1).
• טכנולוגיית CAST לגילוי/השמדת מטעני צד בתנועה של שיירות רכב: AMAS (Autonomous Mobility Applique System) בצורה של תוסף או ערכת חידוש ושיפור למשוריינים כמעט עבור כל רכב מאויש קיים, מה שמאפשר מגוון רחב של התנהגויות אוטונומיות. היכולות נעות מהפעלה מרחוק כסיוע לנהג ועד לניווט ונהיגה אוטונומיים לחלוטין. ה-AMAS תיוצר בעזרת אכיטקטורה פתוחה ותסופק בצורה של כמה ערכות אפשריות: “ערכה A” היא ה”מוח” האוניברסלי; “ערכה B” מכילה את החיישנים, האיסוף והמחברים הספציפיים לכלי הרכב, ואילו “ערכה C” מתמקדת בניהול המיטען. עם ה-AMAS יותר עיבוד משמעו יותר יכולת אוטונומית. כדי לעמוד בדרישות הצפויות יהיה על הערכות להיות קטנות יותר, בטביעת רגל סטנדרטית, ולנצל את החיבורים הסטנדרטיים כדי להנמיך את עלויות המערכת (ראו איור 2).
צורך שכיח בכל התוכניות היא הפונקציה של הפעלה אוטונומית ותמיכת מיטען. עבור טכנולוגיית ה-AMAS המוצגת באיור 3, הפעלה אוטונומית הושגה באמצעות שימוש בשילוב של כמה חיישנים, עיבוד על גבי כלי הרכב, פונקציונליות drive-by-wire ותוספת של בקרת מטען.
בעוד התוכניות הללו יוצאות לדרך בימים אלה, מפת הדרכים הטכנולוגית של ה-RS JPO של צבא ארה”ב דורשת יכולות משופרות עבור הגרסאות העתידיות והשדרוגים של התוכניות הללו שיתמכו בדרישות הבאות:
• אינטגרציה של מצלמות IR מסוג HD, יותר חידוד תמונה על כלי הרכב עבור מצלמות ספקטרום נראה, אינטגרציה עתידית הן של נתוני IR והן של נתונים נראים בזמן אמת, יותר קלטי מצלמה/חיישן שיכולים לתמוך ברוחב פס גבוה יותר
• תמיכת אלגוריתם עבור איתור אובייקטים ומניעת התנגשות, איתור ומעקב חכם של אובייקטים, עיבוד והדמיה סטריאוגרפית (ובסופו של דבר הגעה לזיהוי אובייקט)
• תמיכת מחשוב HPEC עבור כל האמור לעיל, בשילוב עם אינטגרציה של מטענים מרובי חיישנים כדוגמת איתור
IED (מטעני נפץ מאולתרים), ניהול כלי נשק, מניפולטורים והעברת אותות בין חיישנים
• ארכיטקטורה עתידית, משותפת ומבוססת סטנדרטים עבור מחשוב כרב”מ (בהתאם ל-RS JPO וליוזמת ההפעלה ההדדית שלו המצויה כרגע בשלב IOP v.0)
כדי שכרב”מים יוכלו להשיג הפעלה אוטונומית משופרת קוראת מפת הדרכים הטכנולוגית להתקדמות בתחום יכולות החיישנים במונחים של מהירות קלט, איסוף נתונים מריבוי חיישנים, עיבוד נתונים בזמן אמת והפצת תוצאות אל התת-מערכות של הבקר. ביחד עם דרישות החיישן ותמיכה ספציפית למיטען, כדוגמת מכ”ם עם מבט צד לצורך איתור IED (מטעני נפץ מאולתרים), הדרישות המופעלות על פתרון HPEC יחיד הן עצומות. בנוסף, התנופה לסטנדרטים פתוחים בכל תחום ארכיטקטורת המוצרים תניע אימוץ של פתרונות פחות קנייניים בתחום החומרה הפיסית, החיבוריות והתוכנה, מה שיצור את הפוטנציאל להתפתחות של אפשרויות מתקדמות יותר, תחרותיות ואפשרות להחלפה הדדית.

טכנולוגיית מיטען והדמיה מניעה את דרישות HPEC בכרב”מים
דרישות המחשוב בכרב”מים מונעות על-ידי ההדמיה המשמשת לתמיכה של ראיית מכונה ועל-ידי הקידום של מיטענים מורכבים עבור איתור IED (מטעני נפץ מאולתרים) יש תוכניות כרב”מ צבאיות שזקוקות ליכולת לבצע ניווט אוטונומי במהלך היום, וגם בלילה. תוכניות כאלה זקוקות גם ליכולת ניווט בהתגנבות (מבלי שתהיה פליטה של אנרגיית חיישן הקליטה). כדי לאפשר יצירת מפה מוערת של השטח ניתן להשתמש בזוג מצלמות TIR (אינפרא-אדום תרמיות), בקביעת stereo ranging ובניתוחי שטח. ה-TIR היא אופציה נוחה כיוון שברבים מכלי הרכב ממילא עשויה מצלמת TIR אחת להיות כבר חלק מחבילת החיישנים. כדי לנתח את נתוני ההדמיה התרמית ולבצע את מיפוי השטח ישתמשו במחשב HPEC.
לצורך הפיתוח של הפעלה אוטונומית המסתמכת על TIR המוצעת בכרב”מים יצטרך עיבוד התמונה הקריטי לפונקציות בקרה – כדוגמת ניווט אוטונטמי – לגדול בהתאם לעלייה בזרמי נתוני החיישן. כדי להשיג ראיית מכונה יעילה, סביר להניח שנשתמש בשילוב חיישני מצלמה שיכלול IT ,CCD צבעוני ויכולת LIDAR ב”צריח” יחיד. כל אחת מהמצלמות הללו תפעיל בין 15 ל-60fps ומסוגלת כבר היום לחולל 516Mbits לשנייה של נתוני תמונה למצלמה, שעתידים לגדול ל-1.3Gbits/s ולבסוף גם ל-3.48Gbits/s. יש אפשרות שנתוני המצלמה לא יידחסו במקור כדי לא לפגוע ברמת עיבוד התמונה שניתן לרנדר על-ידי ממשק ה-HPEC באמצעות סטנדרט אותות הוידאו RS-170 או
RS-422. עם העלייה בקצבי הנתונים יוכלו CameraLink, GigEVision או CoaXpress להחליף את הממשקים הנזכרים לעיל.
מפת הדרכים של הצבא האמריקאי קוראת לפיתוח של אלגוריתמים חדשים למניעת התנגשויות ומכשולים המסתמכים במידה רבה על חישובים רקורסיביים שמתבצעים בצורה הטובה ביותר על GP-GPUs או על FPGAs מיוחדים. לדוגמה, מחקר שנערך לאחרונה על עיבוד תמונת UAV באמצעות אלגוריתמים מבוססי GP-GPU הראה עלייה של 99.5% בביצועים בהשוואה להרצת אותו אלגוריתם על CPU של אינטל. בכל המקרים, ה-GP-GPU רינדר (תרגם ועיבד) את התוצאות תוך פחות מ-50msec 4. כאשר מדברים על תרחיש של כלי רכב אוטונומי לגמרי שבו אין מעורבות של בן אדם מפעיל, ההחלטות על פעולת הרכב חייבות להתקבל בזמן אמת ובמהירות. קיומו של HPEC המצויד ביכולת GP-GPU שמסוגל לבצע מתאם (קורלציה) של כל הקלטים ולבצע בהצלחה את המשימה הוא ללא ספק הכרחי. לכן השימוש בכמה סוגים של מצלמות HD שפועלות ברזולוציה גבוהה, ורוחב פס גבוה יניע את התכנון של מחשוב HPEC מוקשח התומך בכרב”מים עתידיים.
מערכת מיטען מלאה לטיפול ב-IED (מטעני נפץ מאולתרים) מצריכה רכיב של איתור IED, רכיב של הערכת ה-IED ורכיב של סיכול ה-IED. עיבוד המיטען חייב להתבצע בזמן אמת כדי להשיג את רמת הבטיחות הרצויה עבור כלי הרכב והמשימה שלו. כמו עם ניווט אוטונומי ועם ראיית מכונה, איתור בזמן אמת של השינויים בנתונים המגיעים מרכיבי הגלאי יצריך כמות גדולה של עיבוד FPGA או GP-GPU.
היום נהוג להשתמש בשיטת “הפרד ומשול” כדי להפריד בין בקרת כלי הרכב, החיישנים ועיבוד המיטען. הפרדת פונקציות ל”ערכות” כפי שמתואר עם טכנולוגיית ה-AMAS (ראו איור 4) היא גישה טובה להתמודדות עם הצמיחה העתידית של HPEC בכרב”מים. לדוגמה, כלי רכב אוטונומי לגמרי עם מטען של מכ”ם חודר קרקע לא יוכל לבצע את כל משימות העיבוד שלו עם פתרון HPEC יחיד. באמצעות תת-חלוקה של הבעיה לצמתי מחשוב ופונקציות יצוץ ויתפתח פתרון מדרגי ארוך טווח. קיומם של סטנדרטים עבור פתרונות הכרב”מ, שקובעים את הכללים של ממדי הקופסה הפיסית של ה-HPEC, סוגי המחברים
וה-I/O הנתמכים, יאפשר את יכולת ההחלפה ההדדית ואת ההתפתחות ביחד עם הצמיחה והשינוי בפתרונות ה-HPEC.

ההתפתחות של תקני טכנולוגיה, COTS וחדשנות תכנונית
הצרכים המתפתחים של הכרב”מ דורשים מהירות עיבוד גולמית ואלגוריתמי ביצוע רקורסיביים במיוחד, מה שיוצר את הצורך בפתרונות HPEC המשלבים מעבדי אינטל COTS גנריים ו-GP-GPU המשולבים בקשר הדוק בפתרון יחיד.
כפי שכבר הזכרנו, ה-RS JPO וצבא ארה”ב מקדמים את השימוש בסטנדרטים בתהליך הפיתוח של פתרונות כרב”מ חדשים וה-VPX בגדלי 3U ו-6U הקיימים היום בשוק מספקים פתרונות HPEC מוקשחים. הסטנדרטים המתפתחים בפתרונות HPEC בעלי טביעת רגל קטנה יותר כוללים את סטנדרט ה-VITA Technologies המוכר כ-VITA 75. תקן זה נוקט גישה שונה בבסיסה מזו של סטנדרטים אחרים של גורם צורה קטן בכך שהוא מתמקד בקופסה הפיסית, מערך של ממדי מארז סטנדרטיים, מחברים ופיני I/O, במקום בפירוט של מודולי המחשב הנפרדים שנמצאים בפנים.
פרופילי התת-מערכת של VITA 75 מורכבים מארבעה תת-פרופילים שונים ונפרדים:
• רכיב VITA 75.0 של פרופיל תת-מערכת (פרופיל בסיס)
• רכיב VITA 75.11 של פרופיל תת-מערכת (פרופיל פנל קדמי)
• VITA 75.2x רכיב של קירור והשמה, מורכב ממפרט VITA 75.2xdots שלאחריו הפרופיל המוגדר על-ידי VITA 75.2x
פתרונות ה-VITA 75 מתאימים במיוחד להתמודדות עם דרישות ה-HPEC בכרב”מים כיוון שהם מספקים למתכננים מערך של טביעות רגל סטנדרטיות שלרוב הן קטנות מפתרונות OpenVPX 3U או 6U המצוידים בצורה דומה, ובמקביל הם גם מציעים סכמת מחברים סטנדרטית המאפשרת החלפה הדדית של תת-מערכות ברמת כלי הרכב ומספקת את הנחוץ לצורך פיתוח של התת-מערכות בכלי הרכב באופן צפוי וניתן לחיזוי. מערכת ה-HPERC (מחשב מוקשח במיוחד ועתיר ביצועים) של ADLINK היא דוגמה אופיינית לסוג זה של פתרון VITA 75 (ראו איור 5). ה-HPERC מספקת בסיס יציב של עיבוד i7 של אינטל בשילוב הדוק עם NVIDIA משובץ או ATI GP-GPU, כמו גם שפע של תמיכת I/O ואפיק נתוני רכב ומצלמה. פתרון זה יכול לספק באופן מיידי את עיבוד התמונה הנחוץ וה-I/O הנדרש עבור יישומי כרב”מ גם היום וגם בעתיד.

סיכום
הכרב”מים (UGVs) מבטיחים אפשרות לתגבור כוחות היבשה. האתגרים של הפעלה אוטונומית באמת ותמיכת מיטען מספקת מצביעים על כיוון ברור עבור ה-HPEC. אם רוצים לממש את מפת הדרכים השאפתנית של הכרב”מים, הרי שחייבת לצוץ ולהתפתח ארכיטקטורת HPEC ברורה ומבוססת סטנדרטים. חברת ADLINK, לצד יצרניות נוספות של פלטפורמות משובצות, עובדת ועמלה להגדיר ולפתח תוך התבססות על סטנדרטים מוכרים בתעשייה מתוך מטרה לעמוד בדרישות הגודל, המשקל וצריכת ההספק של ה-HPEC העתידיים ובמקביל לספק את הדרישות התובעניות של כרב”מים ותוכניות אחרות המיועדות לחזק ולהעצים את כוח הלחימה.