Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

LabVIEW s podporou vícejádrových procesorů řídí největší dalekohled na světě

Článek popisuje použití grafického programovacího prostředí LabVIEW firmy National Instruments (NI) s podporou vícejádrových procesorů při vývoji systému pro řízení aktivní a adaptivní optiky v reálném čase u mimořádně velkých dalekohledů. V tomto projektu se ukázalo, že komerčně dostupný systém může řídit optiku ve výjimečně velkém teleskopu E-ELT (European Extremely Large Telescope), který se právě buduje v chilských Andách.
 

Evropská jižní observatoř spoléhá na pokročilou techniku

Evropská jižní observatoř ESO (European Southern Observatory) je astronomická vý­zkumná organizace podporovaná třinácti ev­ropskými zeměmi. Má zkušenosti s vývo­jem a instalací nejmodernějších dalekohle­dů na světě. V současnosti působí ESO ve třech observatořích v chilských Andách – La Silla, Paranal a Llano de Chajnantor. Využí­vá vždy nejnovější techniku. V observatoři v La Silla byly použity první komerční sys­témy adaptivní optiky u teleskopu o průměru 3,6 m, zatímco v teleskopu New Technology Telescope o průměru 3,5 m byla použita ak­tivní optika. V Parnalu se zase uplatnilo in­tegrované ovládání dalekohledu VLT (Very Large Telescope) a související­ho interferometru.
 
Nyní Evropská jižní observatoř buduje ve spolupráci se svými seve­roamerickými a východoasijskými partnery dalekohled ALMA (Ataca­ma Large Millimeter Array), radi­oteleskop v hodnotě miliardy ame­rických dolarů, který je vybaven 66 anténami pro pozorování v submi­limetrových vlnových délkách. Jeho dokon­čení se v Llano de Chajnantor plánuje na rok 2012.
 
Dalším projektem je návrh tele­skopu E-ELT. Průměr jeho primár­ního zrcadla je 42 m. V současnosti se pracuje na fázi B s rozpočtem 100 milionů dolarů, která zahrnuje pro­jektovou studii a výrobu prototypu. Vlastní stavba bude zahájena podle očekávání na konci roku 2010.
 

Aktivní a adaptivní optika velkých rozměrů

Při budování teleskopu o průmě­ru 42 m se čerpá ze zkušeností s ak­tivní a adaptivní optikou a segmen­tovanými zrcadly organizace ESO a celé astronomické obce. Teleskop s aktivní optikou je ovládán pomocí mnoha senzorů, akčních členů a ří­dicího systému tak, aby byl stále za­chováván správný tvar zrcadla. Tele­skop je aktivně udržován ve správné konfiguraci, aby byly odstraněny ja­kékoliv reziduální odchylky optické­ho systému a aby se zlepšila efektivi­ta a odolnost proti chybám. U těchto dalekohledů je nutné v noci aktivně upravovat optiku každou minutu, aby byl jejich obraz limitován pouze at­mosférickými jevy.
 
Adaptivní optika je založena na podobném principu. Atmosférické jevy jsou monitorovány při frek­vencích stovek hertzů a tenké zr­cadlo na ně reaguje vhodným za­křivením. Rozsah turbulencí určuje počet akčních členů na těchto zakřivených zr­cadlech. Senzory citlivé na podélné vlnění rychle vzorkují atmosféru a převádějí pří­padné odchylky na příkazy pro zrcadlo. To vyžaduje velmi rychlý hardware a software.
 
K řízení tohoto složitého systému je za­potřebí mimořádně velká výpočetní kapaci­ta. Pro řízení každého z dříve realizovaných systémů vyvinula Evropská jižní observatoř speciální řídicí systém na bázi řízení v reál­ném čase v prostředí VME (Virtual Machine Environment). Uvedený postup by mohl být v tomto případě nákladný a časově náročný. Proto nyní observatoř zkouší ve spolupráci s techniky společnosti National Instruments řídicí systém založený na komerčně dostup­ném softwaru a hardwaru k ovládání primár­ního segmentovaného zrcadla M1 daleko­hledu E-ELT. Společnými silami jsou také hledána řešení v podobě systémů na bázi ko­merčně dostupných produktů pro řízení adap­tivního zrcadla M4 v reálném čase.
 
Segmentované zrcadlo M1 o celkovém průměru 42 m se skládá z 984 šestiúhelníko­vých zrcadel (obr. 1), každé o hmotnosti té­měř 150 kg a průměru 1,5 až 2 m. Pro srov­nání, průměr primárního zrcadla Hubbleova vesmírného teleskopu je 2,4 m. Jen primár­ní zrcadlo dalekohledu E-ELT bude čtyřikrát větší než jakýkoliv jiný optický teleskop na Zemi. Dalekohled obsahuje celkem pět zrca­del M1 až M5 (obr. 2).
 

Extrémní požadavky řídicího systému na výpočetní kapacitu

Při činnosti zrcadla M1 se jeho segmenty mohou vzájemně naklánět (obr. 3). Odchyl­ka je monitorována senzory umístěnými na okrajích zrcadel a akční členy mohou těmi­to segmenty v případě potřeby pohnout v ja­kémkoliv směru o 3°. Na 984 segmentech zrcadla je nainstalováno 3 000 akčních čle­nů a 6 000 senzorů.
 
Tento systém, řízený softwarem LabView, musí číst údaje ze senzorů pro určení polohy segmentů zrcadla, a jestliže se segmenty po­hnou, musí je pomocí akčních členů vyrov­nat. Software LabView počítá součin matice 3 000 × 6 000 bodů a vektoru o 6 000 bodech a tento výpočet provádí 500krát až 1 000krát za sekundu, aby bylo dosaženo efektivního nastavení zrcadla.
 
Senzory a akční členy rovněž řídí adaptiv­ní zrcadlo M4. Nicméně M4 je tenké zakřivi­telné zrcadlo o průměru 2,5 m, které je ovlá­dáno s použitím 8 000 akčních členů (obr. 4). Řešení je podobné aktivnímu řízení zrcadla M1, ale namísto udržování tvaru je třeba tvar měnit podle aktuálních atmosférických po­ruch. Data výskytu atmosférických jevů jsou převedena na vektor o 14 000 hodnotách. Pro­tože je nutné každých několik milisekund ak­tualizovat 8 000 akčních členů, vypočítá se součin řídicí matice 8 000 × 14 000 a vektoru o 14 000 hodnotách. Zaokrouhlením nahoru vychází výpočetní výkon na 9 000 × 15 000, a je tedy zhruba patnáctkrát větší než pro vel­ké segmentované zrcadlo M1.
 
Evropská jižní observatoř spolupracova­la se společností NI již na tvorbě synchro­nizačního systému a systému pro sběr dat z velkého počtu kanálů a přitom se pracov­níci NI začali věnovat souvise­jícím matematickým a řídicím problémům. Simulovali rozmís­tění, navrhli řídicí matici a ří­dicí smyčku. Základem těchto operací je velmi rozsáhlá ma­ticově-vektorová funkce pro­gramu LabVIEW, provádějí­cí značnou část výpočtu. Říze­ní zrcadel M1 a M4 vyžaduje enormní výpočetní výkon, kte­rý zabezpečuje několik vícejá­drových systémů. Protože při ří­zení zrcadla M4 je třeba řešit patnáct submatic matic 3 000 × 3 000, bylo zapotřebí pat­náct počítačů s co největším počtem jader. Proto bylo nezbytné použít řídicí systém se schopností pracovat s několika jádry. Pro to je velmi vhodné právě prostředí LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), které dokáže ovládat více ja­der s využitím komerčně dostupných řešení.
 

LabVIEW s podporou náročných výpočtů s vícejádrovými procesory

Protože bylo nutné navrhnout řídicí sys­tém ještě před vlastní stavbou dalekohledu E-ELT, mohla konfigurace systému ovlivnit některé konstrukční vlastnosti teleskopu. Vyvinutý řídicí systém bylo nezbytné vy­zkoušet tak, jako by řídil skutečný daleko­hled. Proto technici společnosti NI vyvinuli pomocí LabVIEW také systém, který v reál­ném čase simuluje činnost zrcadla M1. Řídi­cí systém zkoušeli metodou HIL (Hardwa­re-In-the-Loop), která se běžně používá při navrhování řídicích systémů v automobilo­vém a leteckém průmyslu k ověřování řídi­cího prvku pomocí přesného simulátoru pra­cujícího v reálném čase. Vyvinutý simulátor zrcadla M1 reaguje na výstupní hodnoty ří­dicího systému a ověřuje jeho chování. Ří­dicí systém i simulátor zrcadla byly umís­těny na vícejádrový počítač, na němž běží modul LabVIEW Real-Time Module, zajiš­ťující deterministický běh.
 
V podobných úlohách vyžadujících nároč­né výpočty jsou velmi úzce propojeny komu­nikační a výpočetní úkoly. Chyby v komuni­kačním systému vedou k chybám celého sys­tému. Proto vývoj celkového řešení zahrnuje návrh vzájemné souhry komunikace a vý­počtů. Technici společnosti NI potřebovali rychlou, deterministickou výměnu dat v já­dru systému, takže hned věděli, že tento sys­tém nemůže využívat standardní Ethernet pro komunikaci, protože jeho síťový protokol je nedeterministický. Pro výměnu dat mezi ří­dicím systémem a simulátorem zrcadla M1 použili funkci deterministické sítě LabVIEW Real-Time Module a získali tak síť s determi­nistickým přenosem dat rychlostí 36 MB/s.
 
Společnost NI vypracovala úplné řeše­ní pro zrcadlo M1, které využívá dvě pra­covní stanice Dell Precision T7400, každou s osmi jádry, a notebook fungující jako roz­hraní obsluhy. Toto řešení zahrnuje také dvě sítě – standardní síť propojující oba systémy reálného času (Real Time Target) s noteboo­kem a časově deterministickou síť Ethernet o rychlosti 1 GB/s pro výměnu dat I/O mezi systémy reálného času (obr. 5).
 
Co se týče chování systému, bylo zjiště­no, že řídicí jednotka během každé smyčky přijme hodnoty z 6 000 senzorů, vykoná řídi­cí algoritmus pro vyrovnání segmentů a vyšle 3 000 výstupních hodnot pro akční členy. Tým společnosti NI pro dosažení těchto výsledků vytvořil řídicí systém a simulátor skutečného chování teleskopu v reálném čase. Tento simu­látor přijme během jedné iterace výstupní hod­noty 3 000 akčních členů, výpočet doplní pro­měnnou reprezentující atmosférické poruchy, jako je vítr, vykoná algoritmus pro simulaci zrcadla M1 a vyšle hodnoty z 6 000 senzorů. Pro adekvátní řízení zrcadla musí celá řídicí smyčka proběhnout za méně než 1 ms (obr. 6).
 
Technici NI provedli dva srovnávací testy pro násobení matic a vektorů s využitím Lab­VIEW Real-Time Module na počítači se dvěma čtyřjádro­vými procesory:
  • s využitím čtyř jader a funk­ce single precision (32bito­vé výpočty s pohyblivou de­setinnou čárkou) bylo dosa­ženo doby výpočtu 0,7 ms,
  • s využitím osmi jader a funkce single precision bylo dosaženo doby výpo­čtu 0,5 ms.
Zrcadlo M4 musí měnit tvar podle naměřených atmosférických jevů a technici společnosti NI dospěli k závěru, že tento problém lze řešit pouze za použití vy­spělého deskového (blade) systému s vícejádrovými procesory. Společnost Dell nabídla týmu NI pro otestování tohoto řešení vlastní šestnáctideskový systém M1000 (obr. 7). Vý­sledky testů byly povzbuzující. Každý z des­kových počítačů M1000 disponuje osmi já­dry, což znamená, že řídicí problém zpracová­vaný programem LabVIEW byl distribuován na 128 jader.
 
Technici společnosti NI dokázali, že po­mocí prostředí LabVIEW a LabVIEW Real--Time Module lze vyvinout systém na bázi komerčně dostupných produktů a řídit vícejá­drové výpočty pro dosažení výsledků v reál­ném čase. Tým Evropské jižní observatoře má tedy pro řešení dalekohledu E-ELT poslední objevy počítačové vědy, což může značně při­spět i k pokroku v astronomii.
Jason Spyromilio,
European Southern Observatory
 
Obr. 1. Teleskop E-ELT (nahoře) a jeho primární zrca­dlo M1 o průměru 42 m složené z šestiúhelníkových segmentů (dole)
Obr. 2. Dalekohled obsahuje celkem pět zrcadel M1 až M5
Obr. 3. Naklápění segmentů zrcadla M1
Obr. 4. Zrcadlo M4 je ovládáno pomocí 8 000 akčních členů
Obr. 5. Schéma řízení zrcadla M1
Obr. 6. Obrazovky řídicího systému pro ovládání zrcadla dalekohledu
Obr. 7. Řídicí systém je řešen pomocí šestnáctideskového počítače M1000 společnosti Dell