stringtranslate.com

Киберфизическая система

Киберфизические системы ( CPS ) представляют собой интеграцию вычислений с физическими процессами. [1] В киберфизических системах физические и программные компоненты глубоко переплетены, способны работать в разных пространственных и временных масштабах , проявлять множественные и различные поведенческие модальности и взаимодействовать друг с другом способами, которые меняются в зависимости от контекста. [2] [3] CPS включает в себя трансдисциплинарные подходы, объединяющие теорию кибернетики , мехатроники , проектирования и науки о процессах. [4] [5] [6] [7] Системы управления процессами часто называют встроенными системами . Во встроенных системах акцент, как правило, делается больше на вычислительных элементах, а не на тесной связи между вычислительными и физическими элементами. CPS также похож на Интернет вещей (IoT) и имеет ту же базовую архитектуру; тем не менее, CPS представляет собой более высокую комбинацию и координацию между физическими и вычислительными элементами. [4] [8]

Примеры CPS включают интеллектуальную сеть , автономные автомобильные системы, медицинский мониторинг , системы промышленного контроля , системы робототехники , переработку отходов [4] и авиационное радиоэлектронное оборудование с автопилотом . [3] [9] Предшественники киберфизических систем можно найти в таких разнообразных областях, как аэрокосмическая, автомобильная, химическая промышленность, гражданская инфраструктура, энергетика, здравоохранение, производство, транспорт, развлечения и бытовая техника. [4] [9]

Обзор

В отличие от более традиционных встроенных систем , полноценная CPS обычно проектируется как сеть взаимодействующих элементов с физическим вводом и выводом, а не как отдельные устройства. [5] Это понятие тесно связано с концепциями робототехники и сенсорных сетей , в которых интеллектуальные механизмы, присущие вычислительному интеллекту, возглавляют путь. Постоянные достижения 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. [10] 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 недоступных условиях (например, поисково-спасательные работы, пожаротушение и глубоководные исследования ); координация (например, управление воздушным движением , боевые действия); эффективность (например, здания с нулевым потреблением энергии ); и расширение человеческих возможностей (например, в области мониторинга и оказания медицинской помощи). [11]

Мобильные киберфизические системы

Мобильные киберфизические системы, в которых изучаемая физическая система обладает присущей им мобильностью, являются заметной подкатегорией киберфизических систем. Примеры мобильных физических систем включают мобильную робототехнику и электронику, транспортируемые людьми или животными. Рост популярности смартфонов повысил интерес к области мобильных киберфизических систем. Платформы смартфонов представляют собой идеальные мобильные киберфизические системы по ряду причин, в том числе:

Для задач, требующих больше ресурсов, чем доступно локально, один общий механизм быстрого внедрения узлов мобильных киберфизических систем на базе смартфонов использует сетевое подключение для связи мобильной системы с сервером или облачной средой, что позволяет выполнять сложные задачи обработки, которые невозможны в условиях ограниченности местных ресурсов. [13] Примеры мобильных киберфизических систем включают приложения для отслеживания и анализа выбросов CO 2 , [14] обнаружения дорожно-транспортных происшествий, страховой телематики [15] и предоставления услуг ситуационной осведомленности службам быстрого реагирования, [16] [17] измерения трафика, [18] и наблюдать за сердечными пациентами. [19]

Примеры

Общие приложения CPS обычно подпадают под автономные системы с поддержкой связи на основе датчиков. Например, многие беспроводные сенсорные сети контролируют некоторые аспекты окружающей среды и передают обработанную информацию в центральный узел. Другие типы CPS включают в себя интеллектуальные сети , [20] автономные автомобильные системы, медицинский мониторинг, системы управления процессами , распределенную робототехнику, переработку отходов [4] и авионику с автопилотом.

Реальным примером такой системы является Распределенный роботизированный сад Массачусетского технологического института , в котором команда роботов ухаживает за садом томатов. Эта система сочетает в себе распределенное зондирование (каждый завод оснащен сенсорным узлом, контролирующим его состояние), навигацию, манипулирование и работу в беспроводной сети . [21]

Акцент на аспектах системы управления CPS, которые пронизывают критически важную инфраструктуру, можно найти в усилиях Национальной лаборатории Айдахо и ее коллег, исследующих устойчивые системы управления . Эти усилия основаны на целостном подходе к проектированию следующего поколения и учитывают аспекты устойчивости, которые не имеют достаточной количественной оценки, такие как кибербезопасность, [22] человеческое взаимодействие и сложные взаимозависимости.

Другим примером является текущий проект CarTel Массачусетского технологического института, в рамках которого парк такси собирает информацию о дорожном движении в районе Бостона в режиме реального времени . Вместе с историческими данными эта информация затем используется для расчета быстрейших маршрутов для заданного времени суток. [23]

CPS также используются в электрических сетях для осуществления расширенного контроля, особенно в контексте интеллектуальных сетей для улучшения интеграции распределенной генерации из возобновляемых источников. Необходима специальная схема корректирующих действий для ограничения потоков тока в сети, когда выработка ветряных электростанций слишком высока. Распределенная CPS является ключевым решением для проблем такого типа [24].

В промышленности киберфизические системы, основанные на облачных технологиях, привели к появлению новых подходов [25] [26] [27] , которые проложили путь к Индустрии 4.0 в виде проекта Европейской комиссии IMC-AESOP с такими партнерами, как Schneider Electric , SAP , Honeywell. , Microsoft и т.д. продемонстрировано.

Дизайн

Проблемой при разработке встроенных и киберфизических систем являются большие различия в практике проектирования между различными инженерными дисциплинами, такими как программное обеспечение и машиностроение. Кроме того, на сегодняшний день не существует «языка» практики проектирования, который был бы общим для всех дисциплин, задействованных в CPS. Сегодня на рынке, где быстрые инновации считаются необходимыми, инженеры всех дисциплин должны иметь возможность совместно исследовать проекты систем, распределяя обязанности между программным обеспечением и физическими элементами и анализируя компромиссы между ними. Недавние достижения показывают, что объединение дисциплин с помощью совместного моделирования позволит дисциплинам сотрудничать без применения новых инструментов или методов проектирования. [28] Результаты проекта MODELISAR показывают, что этот подход жизнеспособен, предлагая новый стандарт совместного моделирования в форме функционального интерфейса макета .

Важность

Национальный научный фонд США (NSF) определил киберфизические системы как ключевую область исследований. [29] Начиная с конца 2006 года, NSF и другие федеральные агентства США спонсировали несколько семинаров по киберфизическим системам. [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ли, Эдвард А. «Киберфизические системы: проблемы проектирования». 11-й симпозиум IEEE по объектно-ориентированным распределенным вычислениям в реальном времени (ISORC) .
  2. ^ "Национальный научный фонд США, Киберфизические системы (CPS)"
  3. ^ Аб Ху, Дж.; Леннокс, Б.; Арвин Ф., «Надежное управление пластом для сетевых робототехнических систем с использованием отрицательной мнимой динамики», Автоматика, 2022.
  4. ^ abcde Патил Т., Ребайоли Л., Фасси И., «Киберфизические системы для управления завершением срока службы печатных плат и мехатронных изделий в домашней автоматизации: обзор» Устойчивые материалы и технологии, 2022.
  5. ^ Аб Ху, Дж.; Ню, Х.; Карраско, Дж.; Леннокс, Б.; Арвин Ф. «Отказоустойчивая совместная навигация сетевых роев БПЛА для мониторинга лесных пожаров» Аэрокосмическая наука и технологии, 2022.
  6. ^ Ханку, О.; Матиес, В.; Балан, Р.; Стэн, С. (2007). «Мехатронный подход к проектированию и управлению гидравлическим трехмерным параллельным роботом». 18-й Международный симпозиум DAAAM «Интеллектуальное производство и автоматизация: фокус на креативность, ответственность и этику инженеров» .
  7. ^ Сух, С.С., Карбоне, Дж.Н., Эроглу, А.Е.: Прикладные киберфизические системы. Спрингер, 2014.
  8. ^ Рад, Чиприан-Раду; Хынку, Олимпиу; Такач, Иоана-Александра; Олтяну, Георге (2015). «Интеллектуальный мониторинг урожая картофеля: модель архитектуры киберфизической системы в области точного земледелия». Конференция «Сельское хозяйство ради жизни, жизнь ради сельского хозяйства» . 6 : 73–79.
  9. ^ Аб Хайтан и др., «Методы проектирования и применения киберфизических систем: обзор», IEEE Systems Journal, 2014.
  10. ^ К.Алиппи: Интеллект для встраиваемых систем. Springer Verlag, 2014, 283 стр., ISBN 978-3-319-05278-6 . 
  11. ^ «Киберфизические системы». Объявления и информация о программе . Национальный научный фонд, 4201 Wilson Boulevard, Арлингтон, Вирджиния 22230, США. 30 сентября 2008 г. Проверено 21 июля 2009 г.
  12. ^ «Виртуальная машина для запуска приложений Java на CPS». Архивировано из оригинала 29 мая 2012 г. Проверено 12 апреля 2012 г.
  13. ^ Уайт, Жюль; Кларк, С.; Догерти, Б.; Томпсон, К.; Шмидт, Д. «Проблемы исследований и разработок и решения для мобильных киберфизических приложений и поддержки интернет-сервисов» (PDF) . Springer Journal of Internet Services and Applications. Архивировано из оригинала (PDF) 4 августа 2016 г. Проверено 21 февраля 2011 г.
  14. ^ Дж. Фрелих, Т. Диллахант, П. Класня, Дж. Манкофф, С. Консолво, Б. Харрисон и Дж. Лэндей, «UbiGreen: исследование мобильного инструмента для отслеживания и поддержки привычек зеленого транспорта», в Proceedings of the 27-я международная конференция «Человеческий фактор в вычислительных системах». ACM , 2009, стр. 1043–1052.
  15. ^ 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, том. 6, № 4, стр. 57-70, зима 2014, doi :10.1109/MITS.2014.2343262
  16. ^ Томпсон, К.; Уайт, Дж.; Догерти, Б.; Шмидт, округ Колумбия (2009). «Оптимизация производительности мобильных приложений с помощью модельно-ориентированного проектирования» (PDF) . Программные технологии для встраиваемых и универсальных систем . Конспекты лекций по информатике. Том. 5860. с. 36. дои : 10.1007/978-3-642-10265-3_4. ISBN 978-3-642-10264-6.
  17. ^ Джонс, WD (2001). «Прогнозирование транспортных потоков». IEEE-спектр . 38 : 90–91. дои : 10.1109/6.901153.
  18. ^ Роуз, Г. (2006). «Мобильные телефоны как датчики трафика: практика, перспективы и проблемы». Обзоры транспорта . 26 (3): 275–291. дои : 10.1080/01441640500361108. S2CID  109790299.
  19. ^ Лейдеккерс, П. (2006). «Система персонального мониторинга сердца и реабилитации с использованием смартфонов». 2006 Международная конференция по мобильному бизнесу . п. 29. дои :10.1109/ICMB.2006.39. hdl : 10453/2740. ISBN 0-7695-2595-4. S2CID  14750674.
  20. ^ С. Карнускос: Киберфизические системы в интеллектуальной сети (PDF; 79 КБ). В: Промышленная информатика (INDIN), 9-я Международная конференция IEEE, 2011 г. , июль 2011 г. Проверено 20 апреля 2014 г.
  21. ^ "Сад распределенной робототехники". люди.csail.mit.edu . 2011 . Проверено 16 ноября 2011 г.
  22. ^ Лукас, Джордж (июнь 2015 г.). Киберфизические атаки Растущая невидимая угроза. Оксфорд, Великобритания: Баттервор-Хайнеманн (Эльзевир). п. 65. ИСБН 9780128012901.
  23. ^ "CarTel [Картель MIT]" . cartel.csail.mit.edu . 2011. Архивировано из оригинала 11 августа 2007 года . Проверено 16 ноября 2011 г.
  24. ^ Лю, Р.; Шривастава, АК; Баккен, Делавэр; Аскерман А.; Панчиатичи, П. (ноябрь – декабрь 2017 г.). «Децентрализованная оценка состояния и меры по устранению последствий минимального ограничения ветра с использованием распределенной вычислительной платформы». Транзакции IEEE для промышленных приложений . 53 (6): 5915. doi :10.1109/TIA.2017.2740831. ОСТИ  1417238.
  25. ^ А.В. Коломбо, Т. Бангеманн, С. Карнускос, Дж. Дельсинг, П. Стлука, Р. Харрисон, Ф. Джаммес и Дж. Ластра: Промышленные облачные киберфизические системы: подход IMC-AESOP. Springer Verlag, 2014, ISBN 978-3-319-05623-4 . 
  26. ^ Ву, Д.; Розен, Д.В.; Ван, Л.; Шефер, Д. (2014). «Облачное проектирование и производство: новая парадигма цифрового производства и инноваций в дизайне» (PDF) . Системы автоматизированного проектирования . 59 : 1–14. дои : 10.1016/j.cad.2014.07.006. S2CID  9315605.
  27. ^ Ву, Д., Розен, Д.В., и Шефер, Д. (2014). Облачное проектирование и производство: статус и перспективы. В: Шефер Д. (ред.): Облачное проектирование и производство: парадигма разработки сервис-ориентированных продуктов для 21 века, Springer, Лондон, Великобритания, стр. 1–24.
  28. ^ Дж. Фицджеральд, П.Г. Ларсен, М. Верхуф (ред.): Совместное проектирование встраиваемых систем: совместное моделирование и совместное моделирование. Springer Verlag, 2014, ISBN 978-3-642-54118-6 . 
  29. ^ Вольф, Уэйн (ноябрь 2007 г.). «Хорошие новости и плохие новости (колонка для встроенных вычислений». IEEE Computer . 40 (11): 104–105. doi : 10.1109/MC.2007.404.
  30. ^ «Семинар NSF по киберфизическим системам». Архивировано из оригинала 17 мая 2008 г. Проверено 9 июня 2008 г.
  31. ^ «За пределами SCADA: встроенное сетевое управление киберфизическими системами» . Архивировано из оригинала 17 января 2009 года . Проверено 9 июня 2008 г.
  32. ^ "Саммит киберфизических систем NSF" . Архивировано из оригинала 12 мая 2009 г. Проверено 1 августа 2008 г.
  33. ^ «Национальный семинар по высоконадежным автомобильным киберфизическим системам». Архивировано из оригинала 27 августа 2008 г. Проверено 3 августа 2008 г.
  34. ^ «Национальный семинар по составным и системным технологиям для киберфизических систем высокой надежности». Архивировано из оригинала 15 декабря 2007 г. Проверено 4 августа 2008 г.
  35. ^ «Национальный семинар по высоконадежным программным платформам для киберфизических систем (HCSP-CPS)» . Архивировано из оригинала 17 декабря 2006 г. Проверено 4 августа 2008 г.
  36. ^ «Новые направления исследований будущих киберфизических энергетических систем» . Проверено 5 июня 2009 г.
  37. ^ «Соединяя кибер, физический и социальный миры». Архивировано из оригинала 16 июля 2012 г. Проверено 25 февраля 2011 г.
  38. ^ "Семинар NIST по основам инноваций в киберфизических системах" . Архивировано из оригинала 20 августа 2015 г. Проверено 8 февраля 2012 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки