КИБЕРФИЗИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ: СЛИЯНИЕ ПЕРЕДОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАПРАВЛЕНИЙ

АННОТАЦИЯ

Киберфизическая система (CPS) - сложная система управления с обратной связью, которая работает путем тесной координации физических компонентов и вычислительных объектов посредством сетевых коммуникаций, представляет собой развивающуюся технологию с большим потенциалом применения. Достижения в области сетей, датчиков, встроенных систем и технологий компьютерного оборудования и программного обеспечения дали возможность исследования этой области, но остается много серьезных проблем. В этой статье представлены основные компоненты CPS системы, характеристики CPS, современные исследования в области CPS, задачи и возможности для решения.

ABSTRACT

The Cyber Physical System (CPS), a complex closed-loop control system that works by closely coordinating physical components and computational objects through network communications, is an emerging technology with great application potential. Advances in networking, sensors, embedded systems, and computer hardware and software technologies have made it possible to explore this area, but many significant challenges remain. This article presents basic elements of CPS systems, characteristics of CPS, current research in the field of CPS, problems and opportunities for solution.

Ключевые слова: киберфизические системы, системы датчик – исполнитель, встроенные системы.

Keywords: cyber-physical systems, sensor-executor systems, embedded systems.

Опираясь на последние достижения в области сенсорных сетей, проводных и беспроводных сетей, встроенных систем, компьютеров и техники управления, CPS находят свое применение во всех сферах нашей жизни. CPS принято принимать как систему, которая объединяет вычислительные и коммуникационные возможности с объектами мониторинга или управления в реальном мире.[4] CPS представляет собой сложную систему управления с обратной связью, которая использует неточные или неполные данные из сенсорных сетей для принятия интеллектуальных решений по управлению исполнительными механизмами для эффективного управления физическими процессами. Динамика физического процесса и связанные с ним измерения датчиков определяют физический компонент CPS, тогда как аспекты коммуникации, вычислений и управления определяют кибер-компонент. Часть «кибер», которая произошла от слова «кибернетика», естественно, относится к сетевой коммуникации, вычислениям и управлению. [1]

Как указано выше, CPS состоит из кибер-компонента и физического компонента. В основе кибер-компонента лежит структура сети связи, которая включает в себя сенсорные сети для связи между датчиками и вычислительными блоками, а также интернет с проводными или беспроводными компьютерными подсетями для связи между вычислительными блоками и исполнительными механизмами для управления физической системой.[1] Вычислительные блоки выполняют тяжелые вычисления для оценки состояния системы (например, местоположение ракеты и направление её движения) и генерации соответствующих сигналов управления для исполнительных механизмов. Интерфейсы «человек-компьютер» (HCI) позволяют людям принимать главные управляющие решения на основе оценок состояния и, таким образом, становиться частью CPS. Физический компонент CPS включает объекты, которые находятся ближе к наблюдаемой физической системе [1], например, датчики, которые проводят измерения, связанные с динамикой физической системы (например, интенсивность шлейфа ракет в определенных местах), и исполнительные механизмы, которые влияют на физическую систему или ее динамику.

Возможно, что два типа объектов (кибер и физические) совмещены в реальной ситуации. Например, встроенная система для обработки управления может быть частью оборудования исполнительного механизма. Промежуточная среда между физической системой и датчиками/ исполнительными механизмами, может быть причиной возникновения искажения сигнала в зависимости от атмосферных условий. В случаях, таких как удаленная хирургическая операция, когда датчики находятся близко к физическому объекту, искажения сигнала могут возникать в среде связи между датчиками и вычислительными элементами. Благодаря разработкам встраиваемых систем, также возможно объединить чувствительные и вычислительные элементы и реализовать CPS в распределенной вычислительно – управляющей среде.[1]

CPS представляет собой динамически реорганизуемую и реконфигурируемую систему управления с высокой степенью автоматизации, сложностью во многих пространственных и временных масштабах и замкнутыми контурами управления на всех уровнях. Это также системы с объектами, объединенными в сеть в нескольких масштабах, возможно, с кибер-возможностями на каждом физическом компоненте и надежными и сертифицированными (безопасными) операциями. Проще говоря, высокая степень сложности, тесная связь и координация между вычислительными и физическими объектами системы посредством сетевой коммуникации характеризуют киберфизические системы.

Несмотря на то, что системы с различными компонентами CPS, такими как сенсорные сети, контроллеры, исполнительные механизмы, распределенные компьютеры и т. д, использовались в различных приложениях в течение некоторого времени в качестве целого, называемоемого CPS, оно привлекло внимание лишь в 2016 году, после ряда конференций и работ [4].

Работы в области CPS можно разделить на четыре групп по темам:

1) Особые проекты, например, оборона, космос, производство и одновременный контроль нескольких предприятий, управление дорожным движением, энергетические системы и энергетическая инфраструктура, здравоохранение.

2)  Проблемы и возможности CPS

3) Методы и инструменты, где рассматриваются вопросы, связанные с компьютерами и сетями, устойчивостью и надежностью систем.

4) Компоненты, рабочие среды и системы: здесь основное внимание уделяется различным аппаратным и программным вопросам, которые включают совместное проектирование высокопроизводительных управляющих вычислений, среды и ПО реального времени, спецификации.

Проблемы исследования CPS:

• Прогресс в исследованиях CPS может быть достигнут только за счет разработки базовых технологий, таких как проектирование встроенных систем, новые парадигмы проверки и валидации программного и аппаратного обеспечения, критически важные для безопасности конструкции, сложных HCI интерфейсов, допускающих быстрое вмешательство человека, сетевых технологий, сенсор-исполнительных механизмов, безопасной связи, сетевых протоколов и межуровневых конструкций для операций в реальном времени.

• С развитием базовых технологий возникнет потребность в сложных критически важных для безопасности / защищенных приложениях, которые обеспечивают высокую степень автоматизации и производительность в реальном времени.[2]

• Сложные приложения требуют сложных решений, включающих гетерогенные (аналоговые или синхронные / асинхронные цифровые) распределенные системы и новые алгоритмы цифрового управления. Неоднородность здесь подразумевает, что системы могут быть либо аналоговыми (обычно исполнительные механизмы и физические системы), либо синхронными цифровыми и запускаемыми событиями (асинхронными) системами для обработки управления.

• CPS требует смены парадигмы от централизованных систем управления к децентрализованным системам управления, запускаемым событиями, которые работают в нескольких масштабах и имеют возможность реорганизовывать и реконфигурировать.

• Сложность проектирования CPS требует использования новых системных моделей / аналитических инструментов и программных инструментов моделирования. [2]

• Сложность CPS также требует новых автоматизированных средств тестирования, которые сокращают затраты на тестирование и системную интеграцию.

• Традиционные системы управления (например, средства управления прерыванием) работают на основе входных командных сигналов, тогда как CPS должны быть оснащены интеллектуальным управлением. Сложные CPS также должны уметь угадывать намерения пользователя из контекста.

Технологические проблемы, которые могут быть решены с помощью CPS:

• Эффективный контроль дорожного движения со значительно меньшими заторами и задержками, а также нулевым уровнем смертности и минимальным травматизмом в дорожно-транспортных происшествиях.[3]

• Эффективные электросети с совместным управлением защитными устройствами в реальном времени и самовосстанавливающиеся (повторно агрегированные) участки основной мощности, которые способствуют производству и распределению электроэнергии без отключения электроэнергии.[3]

• Критические физические инфраструктуры, требующие профилактического обслуживания.

• Доступ к медицине мирового класса из любого места в любое время [3]

• Энергосберегающие здания [3]

• Эффективное сельское хозяйство с высокой урожайностью [3]

В дополнение к вышесказанному, технология CPS также может использоваться в следующих сложных приложениях:

• Наблюдение за террористической или преступной деятельностью и уведомление в режиме реального времени.

• Дистанционная хирургия, медицинские импланты [2]

• Высокоустойчивые аэрокосмические и авионические системы.[1]

• Высокоавтоматизированные производственные системы [2].

• Глубоководные исследования, тушение пожаров и другие опасные операции.[2]

В этой статье были представлены характерные черты и составные части киберфизических систем. Также представлен обзор текущих исследований в этой дисциплине, проблемы исследований CPS и возможности, которые предоставляются для решения самых сложных проблем.

Список литературы:

1. Дентонс Юроп. ИССЛЕДОВАНИЕ В ОБЛАСТИ РАЗВИТИЯ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВА О РОБОТОТЕХНИКЕ И КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ (дата обращения: 28.12.2021)
2. ФЭЭБГТУ. Киберфизические системы. [электронный ресурс] — URL: https://www.niiatm.ru/tu32/article3-KIBERFIZICESKIE-SISTEMY (дата обращения: 28.12.2021)
3. НПО УРАН. Киберфизические системы [электронный ресурс] – URL: https://xn----8sb1bccfjx.xn-80adxhks/industriya40npouranrossiya5 (дата обращения: 28.12.2021)
4. Общество. Киберфизическая система // Wikipedia 2020. [электронный ресурс] — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B D%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B5%D1%82_%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D0%B9(дата обращения: 28.12.2021)