Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Кибер-физической системы ( КПС ) представляет собой компьютерную систему , в которой механизм управляется или контролируется с помощью компьютера на основе алгоритмов . В киберфизических системах физические и программные компоненты глубоко взаимосвязаны, способны работать в разных пространственных и временных масштабах , проявлять множество различных поведенческих модальностей и взаимодействовать друг с другом способами, которые меняются в зависимости от контекста. [1] CPS включает в себя трансдисциплинарные подходы, объединяя теорию кибернетики , мехатроники , дизайна и науки о процессах. [2] [3]Управление процессом часто называют встроенными системами . Во встроенных системах упор, как правило, делается больше на вычислительные элементы, а не на тесную связь между вычислительными и физическими элементами. CPS также похож на Интернет вещей (IoT), имея ту же базовую архитектуру; тем не менее, CPS представляет собой более высокую комбинацию и координацию между физическими и вычислительными элементами. [4]

Примеры CPS включают интеллектуальные сети , автономные автомобильные системы, медицинский мониторинг , промышленные системы управления , робототехнические системы и авионику автопилота . [5] Предшественники киберфизических систем можно найти в самых разных областях, таких как аэрокосмическая промышленность , автомобилестроение , химические процессы , гражданская инфраструктура, энергетика, здравоохранение , производство , транспорт , развлечения и бытовая техника . [5]

Обзор [ править ]

В отличие от более традиционных встраиваемых систем , полноценная CPS обычно проектируется как сеть взаимодействующих элементов с физическим вводом и выводом, а не как отдельные устройства. Это понятие тесно связано с концепциями робототехники и сенсорных сетей с интеллектуальными механизмами собственно вычислительного интеллекта, ведущими путь. Постоянные достижения в области науки и техники улучшают связь между вычислительными и физическими элементами с помощью интеллектуальных механизмов, повышая адаптивность, автономность, эффективность, функциональность, надежность, безопасность и удобство использования киберфизических систем. [6]Это расширит потенциал киберфизических систем в нескольких направлениях, включая: вмешательство (например, предотвращение столкновений ); точность (например, роботизированная хирургия и производство на наноуровне); работа в опасных или труднодоступных условиях (например, поисково-спасательные работы, пожаротушение и глубоководные исследования ); координация (например, управление воздушным движением , боевые действия); эффективность (например, здания с нулевым потреблением энергии ); и увеличение человеческих возможностей (например, в области мониторинга и оказания медицинской помощи). [7]

Мобильные киберфизические системы [ править ]

Мобильные киберфизические системы, в которых исследуемой физической системе присуща мобильность, являются важной подкатегорией киберфизических систем. Примеры мобильных физических систем включают мобильную робототехнику и электронику, переносимые людьми или животными. Рост популярности смартфонов повысил интерес к мобильным киберфизическим системам. Платформы для смартфонов представляют собой идеальные мобильные киберфизические системы по ряду причин, в том числе:

  • Значительные вычислительные ресурсы, такие как возможности обработки, локальное хранилище
  • Несколько сенсорных устройства ввода / вывода, такие как сенсорные экраны , камеры, GPS чипы , динамики, микрофон, датчики света , датчики приближения
  • Множественные механизмы связи, такие как WiFi , 4G , EDGE , Bluetooth для подключения устройств к Интернету или другим устройствам.
  • Языки программирования высокого уровня, которые позволяют быстро разрабатывать программное обеспечение для мобильных узлов CPS, например Java , [8] C # или JavaScript.
  • Легкодоступные механизмы распространения приложений, такие как Google Play Store и Apple App Store.
  • Техническое обслуживание и ремонт конечным пользователем, включая частую подзарядку аккумулятора

Для задач, требующих большего количества ресурсов, чем доступно локально, один общий механизм для быстрой реализации узлов мобильной киберфизической системы на базе смартфонов использует сетевое подключение для связи мобильной системы либо с сервером, либо с облачной средой, что позволяет выполнять сложные задачи обработки, которые невозможны в условиях ограниченности местных ресурсов. [9] Примеры мобильных киберфизических систем включают приложения для отслеживания и анализа выбросов CO 2 , [10] обнаружения дорожно-транспортных происшествий, страховой телематики [11] и предоставления услуг ситуационной осведомленности службам быстрого реагирования [12] [13], измерения трафика, [14] и наблюдение за кардиологическими пациентами. [15]

Примеры [ править ]

Общие приложения CPS обычно относятся к автономным системам с сенсорной связью. Например, многие беспроводные сенсорные сети отслеживают некоторые аспекты окружающей среды и передают обработанную информацию центральному узлу. Другие типы CPS включают интеллектуальные сети , [16] автономные автомобильные системы, медицинский мониторинг, системы управления технологическими процессами , распределенную робототехнику и авионику автопилота.

Реальным примером такой системы является распределенный робот-сад в Массачусетском технологическом институте, в котором команда роботов ухаживает за садом из томатов. Эта система сочетает в себе распределенное зондирование (каждая установка оснащена сенсорным узлом, контролирующим его состояние), навигацию, управление и беспроводную сеть . [17]

Акцент на аспектах системы управления CPS, которые пронизывают критическую инфраструктуру, можно найти в усилиях Национальной лаборатории Айдахо и ее сотрудников, исследующих устойчивые системы управления . Эти усилия основаны на целостном подходе к проектированию следующего поколения и учитывают аспекты устойчивости, которые не имеют точной количественной оценки, такие как кибербезопасность [18], человеческое взаимодействие и сложные взаимозависимости.

Другой пример - текущий проект CarTel Массачусетского технологического института, в котором парк такси работает, собирая в режиме реального времени информацию о дорожном движении в районе Бостона. Вместе с историческими данными эта информация затем используется для расчета самых быстрых маршрутов в заданное время дня. [19]

CPS также используются в электрических сетях для выполнения расширенного управления, особенно в контексте интеллектуальных сетей для улучшения интеграции распределенной возобновляемой генерации. Необходима специальная схема корректирующих действий, чтобы ограничить токи в сети, когда выработка ветряной электростанции слишком высока. Распределенные CPS - ключевое решение для этого типа проблем [20]

В отраслевой сфере киберфизические системы, основанные на облачных технологиях, привели к новым подходам [21] [22] [23], которые проложили путь к Индустрии 4.0 в качестве проекта Европейской комиссии IMC-AESOP с такими партнерами, как Schneider Electric , SAP , Honeywell , Microsoft и др. Продемонстрировали.

Дизайн [ править ]

Проблемой при разработке встроенных и киберфизических систем являются большие различия в практике проектирования между различными задействованными инженерными дисциплинами, такими как программное обеспечение и машиностроение. Кроме того, на сегодняшний день не существует «языка» с точки зрения практики проектирования, который был бы общим для всех задействованных дисциплин в CPS. Сегодня, на рынке, где быстрые инновации считаются важными, инженеры из всех дисциплин должны иметь возможность совместно исследовать конструкции систем, распределяя обязанности между программным обеспечением и физическими элементами и анализируя компромиссы между ними. Последние достижения показывают, что объединение дисциплин с помощью совместного моделирования позволит дисциплинам взаимодействовать без применения новых инструментов или методов проектирования. [24] Результаты MODELISARПроект показывает, что этот подход является жизнеспособным, предлагая новый стандарт совместного моделирования в форме функционального макета интерфейса .

Важность [ править ]

США Национальный научный фонд (NSF) выделил кибер-физических систем в качестве одной из ключевых областей исследований. [25] Начиная с конца 2006 года, NSF и другие федеральные агентства США спонсировали несколько семинаров по киберфизическим системам. [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34]

См. Также [ править ]

  • Система позиционирования в помещении
  • Индустрия 4.0
  • Интеллектуальная система обслуживания
  • Интернет вещей
  • Адаптивный компьютерный дизайн
  • График потока сигналов

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Национальный научный фонд США, Киберфизические системы (CPS) "
  2. ^ Hancu, O .; Maties, V .; Balan, R .; Стэн, С. (2007). «Мехатронный подход к проектированию и управлению гидравлическим 3-сторонним параллельным роботом». 18-й Международный симпозиум DAAAM «Интеллектуальное производство и автоматизация: внимание к творчеству, ответственности и этике инженеров» .
  3. ^ Сух, SC, Карбон, JN, Eroglu, AE: Прикладные киберфизические системы. Спрингер, 2014.
  4. ↑ Rad, Ciprian-Radu; Хынку, Олимпиу; Такач Иоана-Александра; Олтяну, Георге (2015). «Интеллектуальный мониторинг посевов картофеля: модель архитектуры киберфизической системы в области точного земледелия». Конференция «Сельское хозяйство для жизни, жизнь для сельского хозяйства» . 6 : 73–79.
  5. ^ a b Хайтан и др., « Методы проектирования и применения киберфизических систем: обзор », IEEE Systems Journal, 2014.
  6. ^ C.Alippi: Интеллект для встроенных систем . Springer Verlag, 2014 г., 283pp, ISBN 978-3-319-05278-6 . 
  7. ^ "Киберфизические системы" . Объявления и информация о программе . Национальный научный фонд, 4201 Wilson Boulevard, Арлингтон, Вирджиния 22230, США. 2008-09-30 . Проверено 21 июля 2009 .
  8. ^ «Виртуальная машина для запуска приложений Java на CPS» . Проверено 12 апреля 2012 .
  9. ^ Уайт, Жюль ; Clarke, S .; Догерти, Б.; Thompson, C .; Шмидт, Д. «Проблемы и решения НИОКР для мобильных киберфизических приложений и вспомогательных интернет-сервисов» (PDF) . Журнал Springer об Интернет-службах и приложениях. Архивировано из оригинального (PDF) 04.08.2016 . Проверено 21 февраля 2011 .
  10. ^ J. Froehlich, Т. Dillahunt, П. Клашня, J. Манкоф, С. Consolvo, Б. Харрисон и Дж Landay, «UbiGreen: расследование мобильного инструмента для отслеживания и поддержки зеленых транспортных привычек» в Трудах 27-я международная конференция «Человеческий фактор в вычислительных системах». ACM , 2009, стр. 1043–1052.
  11. ^ П. Гендель, И. Ског, Дж. Вальстром, Ф. Бонавид, Р. Уэлш, Дж. Олссон и М. Олссон: Страховая телематика: возможности и проблемы с решением для смартфонов, журнал Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, vol. . 6, № 4, С. 57-70, зима 2014, DOI : 10,1109 / MITS.2014.2343262
  12. ^ Томпсон, C .; White, J .; Догерти, Б.; Шмидт, округ Колумбия (2009). «Оптимизация производительности мобильных приложений с помощью модельно-ориентированного проектирования» (PDF) . Программные технологии для встроенных и универсальных систем . Конспект лекций по информатике. 5860 . п. 36. DOI : 10.1007 / 978-3-642-10265-3_4 . ISBN  978-3-642-10264-6.
  13. Перейти ↑ Jones, WD (2001). «Прогнозирование транспортного потока». IEEE Spectrum . 38 : 90–91. DOI : 10.1109 / 6.901153 .
  14. ^ Роуз, Г. (2006). «Мобильные телефоны как зонды трафика: практика, перспективы и проблемы». Транспортные обзоры . 26 (3): 275–291. DOI : 10.1080 / 01441640500361108 . S2CID 109790299 . 
  15. ^ Leijdekkers, P. (2006). «Персональная система мониторинга и реабилитации сердца с помощью смартфонов». 2006 Международная конференция по мобильному бизнесу . п. 29. DOI : 10,1109 / ICMB.2006.39 . ЛВП : 10453/2740 . ISBN 0-7695-2595-4. S2CID  14750674 .
  16. ^ С. Карноускос: Киберфизические системы в интеллектуальной сети (PDF; 79 kB). В: Промышленная информатика (INDIN), 2011 г., 9-я Международная конференция IEEE , июль 2011 г. Источник: 20 апреля 2014 г.
  17. ^ "Распределенный сад робототехники" . people.csail.mit.edu . 2011 . Проверено 16 ноября 2011 года .
  18. ^ Loukas, Джордж (июнь 2015). Киберфизические атаки Растущая невидимая угроза . Оксфорд, Великобритания: Butterworh-Heinemann (Elsevier). п. 65. ISBN 9780128012901.
  19. ^ "CarTel [Картель Массачусетского технологического института]" . cartel.csail.mit.edu . 2011. Архивировано из оригинала на 11 августа 2007 года . Проверено 16 ноября 2011 года .
  20. ^ Лю, Р .; Шривастава, АК; Баккен, Делавэр; Аскерман, А .; Панчатичи, П. (ноябрь – декабрь 2017 г.). «Децентрализованная оценка состояния и корректирующие меры контроля для минимального ограничения ветра с использованием распределенной вычислительной платформы». IEEE Transactions по отраслевым приложениям . 53 (6): 5915. DOI : 10,1109 / TIA.2017.2740831 . ОСТИ 1417238 . 
  21. ^ А. В. Коломбо, Т. Бангеманн, С. Карноускос, Дж. Дельсинг, П. Стлука, Р. Харрисон, Ф. Джеммс и Дж. Ластра: Промышленные облачные киберфизические системы: подход IMC-AESOP . Springer Verlag, 2014, ISBN 978-3-319-05623-4 . 
  22. ^ Wu, D .; Розен, DW; Wang, L .; Шефер, Д. (2014). «Облачное проектирование и производство: новая парадигма в цифровом производстве и инновациях в дизайне» (PDF) . Компьютерный дизайн . 59 : 1–14. DOI : 10.1016 / j.cad.2014.07.006 .
  23. Перейти ↑ Wu, D., Rosen, DW, & Schaefer, D. (2014). Облачное проектирование и производство: состояние и перспективы. В: Schaefer, D. (Ed): Cloud-Based Design and Manufacturing: Service-Oriented Product Development Paradigm for 21st Century, Springer, London, UK, pp.1-24.
  24. ^ Дж. Фицджеральд, П. Г. Ларсен, М. Верхоф (ред.): Совместное проектирование встроенных систем: совместное моделирование и совместное моделирование . Springer Verlag, 2014 г., ISBN 978-3-642-54118-6 . 
  25. ^ Вольф, Уэйн (ноябрь 2007 г.). "Хорошие новости и плохие новости (Embedded Computing Column". IEEE Computer . 40 (11):. 104-105 DOI : 10,1109 / MC.2007.404 .
  26. ^ "Семинар NSF по кибер-физическим системам" . Архивировано из оригинала на 2008-05-17 . Проверено 9 июня 2008 .
  27. ^ «Помимо SCADA: встроенное сетевое управление киберфизическими системами» . Архивировано из оригинала на 17 января 2009 года . Проверено 9 июня 2008 .
  28. ^ "Саммит киберфизических систем NSF" . Архивировано из оригинала на 2009-05-12 . Проверено 1 августа 2008 .
  29. ^ "Национальный семинар по высоконадежным автомобильным киберфизическим системам" . Архивировано из оригинала на 2008-08-27 . Проверено 3 августа 2008 .
  30. ^ "Национальный семинар по составным и системным технологиям для высоконадежных киберфизических систем" . Проверено 4 августа 2008 .
  31. ^ "Национальный семинар по программным платформам высокой надежности для киберфизических систем (HCSP-CPS)" . Проверено 4 августа 2008 .
  32. ^ "Новые направления исследований для будущих киберфизических энергетических систем" . Проверено 5 июня 2009 .
  33. ^ «Преодолевая кибернетический, физический и социальный миры» . Архивировано из оригинала на 2012-07-16 . Проверено 25 февраля 2011 .
  34. ^ «Основы NIST для инноваций в семинаре по киберфизическим системам» . Архивировано из оригинала на 2015-08-20 . Проверено 8 февраля 2012 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Эдвард А. Ли, Киберфизические системы - Адекватны ли вычислительные основы?
  • Пауло Табуада, Киберфизические системы: программный документ
  • Раджеш Гупта, Модели и методы программирования для пространственно-временных действий и рассуждений в киберфизических системах
  • EA Lee и SA Seshia, Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach , http://LeeSeshia.org, 2011.
  • Альтави Р., Юсеф А., Компромиссы безопасности в киберфизических системах: обзор практических примеров имплантируемых медицинских устройств
  • Ахмад И., Аспекты безопасности киберфизических систем

Внешние ссылки [ править ]

  • Виртуальная организация CPS
  • Конференция «Неделя киберфизических систем» иллюстрирует текущие исследования в этой области]
  • Операции по кибер-физическим системам ACM Journal в этой области