System cyberfizyczny - Cyber-physical system

Cyber-fizycznej systemu ( CPS ) i inteligentny system, to system komputerowy , w którym urządzenie jest sterowane lub monitorowane przez komputerowych algorytmów . W systemach cyber-fizycznych komponenty fizyczne i programowe są głęboko ze sobą powiązane, zdolne do działania w różnych skalach przestrzennych i czasowych , wykazują liczne i odrębne modalności behawioralne i oddziałują ze sobą w sposób zmieniający się wraz z kontekstem. CPS obejmuje podejścia transdyscyplinarne , łącząc teorię cybernetyki , mechatroniki , projektowania i nauki o procesach. Sterowanie procesem jest często określane jako systemy wbudowane . W systemach wbudowanych nacisk kładziony jest raczej na elementy obliczeniowe, a mniej na intensywny związek między elementami obliczeniowymi a fizycznymi. CPS jest również podobny do Internetu rzeczy (IoT), dzieląc tę ​​samą podstawową architekturę; niemniej jednak CPS przedstawia wyższą kombinację i koordynację między elementami fizycznymi i obliczeniowymi.

Przykłady obejmują CPS smart grid , autonomiczne samochodowych systemów, monitoring medyczny , przemysłowe systemy sterowania , robotyki systemy i automatycznego pilota awioniki. Prekursory systemów cyber-fizycznych można znaleźć w tak różnych dziedzinach , jak lotnictwo , motoryzacja , procesy chemiczne , infrastruktura cywilna , energetyka , opieka zdrowotna , produkcja , transport , rozrywka i urządzenia konsumenckie .

Przegląd

W przeciwieństwie do bardziej tradycyjnych systemów wbudowanych , pełnoprawny CPS jest zwykle zaprojektowany jako sieć interaktywnych elementów z fizycznym wejściem i wyjściem, a nie jako samodzielne urządzenia. Pojęcie to jest ściśle powiązane z koncepcjami robotyki i sieci czujników z mechanizmami inteligencji właściwymi inteligencji obliczeniowej na czele. Trwające postępy w nauce i inżynierii poprawiają powiązanie między elementami obliczeniowymi i fizycznymi za pomocą inteligentnych mechanizmów, zwiększając adaptacyjność, autonomię, wydajność, funkcjonalność, niezawodność, bezpieczeństwo i użyteczność systemów cyberfizycznych. Poszerzy to potencjał systemów cyberfizycznych w kilku kierunkach, w tym: interwencja (np. unikanie kolizji ); precyzja (np. chirurgia robotyczna i produkcja na poziomie nano); działanie w niebezpiecznych lub niedostępnych środowiskach (np. poszukiwanie i ratownictwo, gaszenie pożarów i eksploracja głębinowa ); koordynacja (np. kontrola ruchu lotniczego , prowadzenie działań wojennych); efektywność (np. budynki o zerowej energii netto ); oraz zwiększanie ludzkich zdolności (np. w monitorowaniu i dostarczaniu opieki zdrowotnej ).

Mobilne systemy cyber-fizyczne

Mobilne systemy cyberfizyczne, w których badany system fizyczny ma wrodzoną mobilność, stanowią znaczącą podkategorię systemów cyberfizycznych. Przykłady mobilnych systemów fizycznych obejmują robotykę mobilną i elektronikę transportowaną przez ludzi lub zwierzęta. Wzrost popularności smartfonów spowodował wzrost zainteresowania obszarem mobilnych systemów cyber-fizycznych. Platformy na smartfony stanowią idealne mobilne systemy cyber-fizyczne z wielu powodów, w tym:

W przypadku zadań, które wymagają więcej zasobów niż są dostępne lokalnie, jeden wspólny mechanizm szybkiej implementacji mobilnych węzłów cyber-fizycznych systemów mobilnych opartych na smartfonach wykorzystuje łączność sieciową do połączenia systemu mobilnego z serwerem lub środowiskiem w chmurze, umożliwiając złożone zadania przetwarzania, które są niemożliwe ze względu na lokalne ograniczenia zasobów. Przykłady systemów cyber-fizyczne mobilnych obejmują aplikacje do śledzenia i analizowania CO 2 emisji, wykrywanie wypadków drogowych, telematyki ubezpieczeniowych oraz zapewnienie usług sytuacyjne świadomości do pierwszego reagowania, ruch środka i monitorowania pacjentów z zaburzeniami kardiologicznymi.


Przykłady

Typowe zastosowania CPS zazwyczaj należą do autonomicznych systemów opartych na czujnikach. Na przykład wiele bezprzewodowych sieci czujników monitoruje niektóre aspekty środowiska i przekazuje przetworzone informacje do węzła centralnego. Inne rodzaje CPS obejmują inteligentną sieć , autonomiczne systemy motoryzacyjne, monitorowanie medyczne, systemy sterowania procesami, robotykę rozproszoną i automatyczną awionikę pilota.

Przykładem takiego systemu w świecie rzeczywistym jest Distributed Robot Garden w MIT, w którym zespół robotów opiekuje się ogrodem pomidorów. System ten łączy detekcję rozproszoną (każda instalacja jest wyposażona w węzeł czujnikowy monitorujący jej stan), nawigację, manipulację i sieci bezprzewodowe .

Skupienie się na aspektach systemów sterowania CPS, które przenikają infrastrukturę krytyczną, można znaleźć w wysiłkach Idaho National Laboratory i współpracowników badających odporne systemy sterowania . Wysiłek ten przyjmuje holistyczne podejście do projektowania nowej generacji i uwzględnia aspekty odporności, które nie są dobrze skwantyfikowane, takie jak bezpieczeństwo cybernetyczne, interakcje międzyludzkie i złożone współzależności.

Innym przykładem jest realizowany przez MIT projekt CarTel, w ramach którego flota taksówek zbiera informacje o ruchu drogowym w czasie rzeczywistym w rejonie Bostonu. Wraz z danymi historycznymi informacje te są następnie wykorzystywane do obliczania najszybszych tras dla danej pory dnia.

CPS są również wykorzystywane w sieciach elektrycznych do wykonywania zaawansowanej kontroli, zwłaszcza w kontekście sieci inteligentnych, aby zwiększyć integrację rozproszonego wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych. Potrzebne są specjalne schematy działań zaradczych, aby ograniczyć przepływy prądu w sieci, gdy generacja farmy wiatrowej jest zbyt wysoka. Rozproszone CPS to kluczowe rozwiązanie tego typu problemów

W dziedzinie przemysłu systemy cyber-fizyczne wspierane przez technologie chmury doprowadziły do ​​nowatorskich podejść, które utorowały drogę do Przemysłu 4.0, jak wykazał projekt Komisji Europejskiej IMC-AESOP z partnerami, takimi jak Schneider Electric , SAP , Honeywell , Microsoft itp.

Projekt

CPS dla produkcji.png

Wyzwaniem w rozwoju systemów wbudowanych i cyber-fizycznych są duże różnice w praktyce projektowej między różnymi zaangażowanymi dyscyplinami inżynierskimi, takimi jak oprogramowanie i inżynieria mechaniczna. Dodatkowo, na dzień dzisiejszy nie ma „języka” w zakresie praktyki projektowej, który byłby wspólny dla wszystkich zaangażowanych dyscyplin w CPS. Dzisiaj, na rynku, na którym zakłada się, że szybka innowacja jest niezbędna, inżynierowie ze wszystkich dyscyplin muszą być w stanie wspólnie badać projekty systemów, przypisywać obowiązki do oprogramowania i elementów fizycznych oraz analizować kompromisy między nimi. Ostatnie postępy pokazują, że łączenie dyscyplin za pomocą współsymulacji umożliwi dyscyplinom współpracę bez wymuszania nowych narzędzi lub metod projektowania. Wyniki projektu MODELISAR pokazują, że podejście to jest wykonalne dzięki zaproponowaniu nowego standardu kosymulacji w postaci funkcjonalnego interfejsu makiety .

Znaczenie

Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki (NSF) uznała systemy cyber-fizyczne za kluczowy obszar badań. Począwszy od końca 2006 roku NSF i inne agencje federalne Stanów Zjednoczonych sponsorowały kilka warsztatów na temat systemów cyber-fizycznych.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne