stringtranslate.com

Киберфизическая система

Киберфизические системы ( CPS ) — это механизмы, контролируемые и отслеживаемые компьютерными алгоритмами, тесно интегрированные с Интернетом и его пользователями. В киберфизических системах физические и программные компоненты тесно переплетены, способны работать в различных пространственных и временных масштабах , демонстрировать множественные и различные поведенческие модальности и взаимодействовать друг с другом способами, которые меняются в зависимости от контекста. [1] [2] CPS включает в себя трансдисциплинарные подходы, объединяющие теорию кибернетики , мехатроники , проектирования и науки о процессах. [3] [4] [5] [6] Управление процессами часто называют встроенными системами . Во встроенных системах акцент, как правило, делается больше на вычислительных элементах и ​​меньше на интенсивной связи между вычислительными и физическими элементами. CPS также похожа на Интернет вещей (IoT), разделяя ту же базовую архитектуру; тем не менее, CPS представляет собой более высокую комбинацию и координацию между физическими и вычислительными элементами. [3] [7]

Примерами CPS являются интеллектуальные сети , автономные автомобильные системы, медицинский мониторинг , промышленные системы управления , робототехнические системы, переработка [3] и беспилотная авионика. [2] [8] Предшественники киберфизических систем могут быть найдены в таких разнообразных областях, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, химические процессы, гражданская инфраструктура, энергетика, здравоохранение, производство, транспорт, развлечения и бытовая техника. [3] [8]

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. [4] Это понятие тесно связано с концепциями робототехники и сенсорных сетей с интеллектуальными механизмами, присущими вычислительному интеллекту, ведущему путь. Текущие 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. [9] 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 средах (например, поиск и спасение, пожаротушение и глубоководная разведка ); координация (например, управление воздушным движением , боевые действия); эффективность (например, здания с нулевым потреблением энергии ); и расширение человеческих возможностей (например, мониторинг и доставка медицинских услуг). [10]

Мобильные киберфизические системы

Мобильные киберфизические системы, в которых изучаемая физическая система обладает присущей ей мобильностью, являются заметной подкатегорией киберфизических систем. Примерами мобильных физических систем являются мобильная робототехника и электроника, транспортируемая людьми или животными. Рост популярности смартфонов увеличил интерес к области мобильных киберфизических систем. Платформы смартфонов являются идеальными мобильными киберфизическими системами по ряду причин, включая:

Для задач, требующих больше ресурсов, чем доступно локально, один общий механизм для быстрой реализации узлов мобильной киберфизической системы на базе смартфона использует сетевое подключение для связи мобильной системы с сервером или облачной средой, позволяя выполнять сложные задачи обработки, которые невозможны в условиях ограничений локальных ресурсов. [12] Примерами мобильных киберфизических систем являются приложения для отслеживания и анализа выбросов CO2 , [ 13] обнаружения дорожно-транспортных происшествий, страховой телематики [14] и предоставления услуг ситуационной осведомленности службам быстрого реагирования, [15] [16] измерения трафика [17] и мониторинга пациентов с сердечными заболеваниями. [18]

Примеры

Обычные приложения CPS обычно попадают в автономные системы с поддержкой сенсорной связи. Например, многие беспроводные сенсорные сети отслеживают некоторые аспекты окружающей среды и передают обработанную информацию в центральный узел. Другие типы CPS включают интеллектуальную сеть , [19] автономные автомобильные системы, медицинский мониторинг, системы управления процессами , распределенную робототехнику, переработку [3] и автопилотную авионику.

Реальным примером такой системы является Distributed Robot Garden в MIT , в котором команда роботов ухаживает за садом томатных растений. Эта система объединяет распределенное зондирование (каждое растение оснащено сенсорным узлом, отслеживающим его состояние), навигацию, манипуляцию и беспроводную сеть . [20]

Акцент на аспектах системы управления CPS, которые пронизывают критическую инфраструктуру , можно найти в усилиях Национальной лаборатории Айдахо и ее коллег, исследующих устойчивые системы управления . Эти усилия используют целостный подход к проектированию следующего поколения и рассматривают аспекты устойчивости, которые не очень хорошо количественно определены, такие как кибербезопасность, [21] человеческое взаимодействие и сложные взаимозависимости.

Другим примером является текущий проект MIT CarTel, в котором парк такси работает, собирая информацию о дорожном движении в районе Бостона в режиме реального времени . Вместе с историческими данными эта информация затем используется для расчета самых быстрых маршрутов для определенного времени дня. [22]

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 для ограничения потоков тока в сети, когда генерация ветряных электростанций слишком высока. Распределенные CPS являются ключевым решением для этого типа проблем [23]

В промышленности киберфизические системы, поддерживаемые облачными технологиями, привели к появлению новых подходов [24] [25] [26] , которые проложили путь к Индустрии 4.0 , как продемонстрировал проект Европейской комиссии IMC-AESOP с такими партнерами, как Schneider Electric , SAP , Honeywell , Microsoft и т. д.

Дизайн

Проблема разработки встроенных и киберфизических систем заключается в больших различиях в практике проектирования между различными инженерными дисциплинами, такими как программная инженерия и машиностроение. Кроме того, на сегодняшний день не существует «языка» в плане практики проектирования, который был бы общим для всех задействованных дисциплин в CPS. Сегодня на рынке, где быстрые инновации считаются необходимыми, инженеры из всех дисциплин должны иметь возможность совместно исследовать проекты систем, распределяя обязанности между программными и физическими элементами и анализируя компромиссы между ними. Последние достижения показывают, что связывание дисциплин с помощью совместного моделирования позволит дисциплинам сотрудничать без навязывания новых инструментов или методов проектирования. [27] Результаты проекта MODELISAR показывают, что этот подход является жизнеспособным, предлагая новый стандарт совместного моделирования в форме интерфейса функционального макета .

Важность

Национальный научный фонд США (NSF) определил киберфизические системы как ключевую область исследований. [28] Начиная с конца 2006 года, NSF и другие федеральные агентства США спонсировали несколько семинаров по киберфизическим системам. [29] [30] [31] [32] [ 33] [34] [35] [36] [37]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Национальный научный фонд США, Киберфизические системы (CPS)"
  2. ^ ab Ху, Дж.; Леннокс, Б.; Арвин, Ф., «Надежное управление формированием сетевых робототехнических систем с использованием отрицательной мнимой динамики» Automatica, 2022.
  3. ^ abcde Патил Т., Ребайоли Л., Фасси И., «Киберфизические системы для управления конечным сроком службы печатных плат и мехатронных изделий в домашней автоматизации: обзор» Устойчивые материалы и технологии, 2022.
  4. ^ ab Hu, J.; Niu, H.; Carrasco, J.; Lennox, B.; Arvin, F., «Отказоустойчивая кооперативная навигация сетевых роев БПЛА для мониторинга лесных пожаров» Aerospace Science and Technology, 2022.
  5. ^ Ханку, О.; Матиес, В.; Балан, Р.; Стан, С. (2007). «Мехатронный подход к проектированию и управлению гидравлическим 3-степенным параллельным роботом». 18-й Международный симпозиум DAAAM, «Интеллектуальное производство и автоматизация: фокус на креативность, ответственность и этику инженеров» .
  6. ^ Suh, SC, Carbone, JN, Eroglu, AE: Прикладные киберфизические системы. Springer, 2014.
  7. ^ 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 для жизни, жизнь для сельского хозяйства» . 6 : 73–79.
  8. ^ ab Khaitan et al., «Методы проектирования и применения киберфизических систем: обзор», IEEE Systems Journal, 2014.
  9. ^ C.Alippi: Интеллект для встроенных систем. Springer Verlag, 2014, 283 стр., ISBN 978-3-319-05278-6 . 
  10. ^ "Киберфизические системы". Объявления и информация о программах . Национальный научный фонд, 4201 Wilson Boulevard, Arlington, Virginia 22230, USA. 2008-09-30 . Получено 2009-07-21 .
  11. ^ "Виртуальная машина для запуска приложений Java на CPS". Архивировано из оригинала 2012-05-29 . Получено 2012-04-12 .
  12. ^ Уайт, Жюль; Кларк, С.; Догерти, Б.; Томпсон, К.; Шмидт, Д. «Проблемы и решения НИОКР для мобильных киберфизических приложений и поддержки интернет-сервисов» (PDF) . Springer Journal of Internet Services and Applications. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-08-04 . Получено 2011-02-21 .
  13. ^ J. Froehlich, T. Dillahunt, P. Klasnja, J. Mankoff, S. Consolvo , B. Harrison и J. Landay, «UbiGreen: исследование мобильного инструмента для отслеживания и поддержки экологически чистых транспортных привычек», в Трудах 27-й международной конференции по человеческим факторам в вычислительных системах. ACM , 2009, стр. 1043–1052.
  14. ^ P. Handel, I. Skog, J. Wahlstrom, F. Bonawide, R. Welsh, J. Ohlsson и M. Ohlsson: Страховая телематика: возможности и проблемы с решением на основе смартфона, Intelligent Transportation Systems Magazine, IEEE, т. 6, № 4, стр. 57-70, зима 2014 г., doi : 10.1109/MITS.2014.2343262
  15. ^ Томпсон, К.; Уайт, Дж.; Догерти, Б.; Шмидт, Д.К. (2009). «Оптимизация производительности мобильных приложений с помощью проектирования на основе моделей» (PDF) . Программные технологии для встраиваемых и повсеместно распространенных систем . Конспект лекций по информатике. Том 5860. стр. 36. doi :10.1007/978-3-642-10265-3_4. ISBN 978-3-642-10264-6.
  16. ^ Джонс, У. Д. (2001). «Прогнозирование транспортного потока». IEEE Spectrum . 38 : 90–91. doi :10.1109/6.901153.
  17. ^ Роуз, Г. (2006). «Мобильные телефоны как датчики дорожного движения: практика, перспективы и проблемы». Transport Reviews . 26 (3): 275–291. doi :10.1080/01441640500361108. S2CID  109790299.
  18. ^ Leijdekkers, P. (2006). «Персональная система мониторинга и реабилитации сердца с использованием смартфонов». Международная конференция по мобильному бизнесу 2006 г. стр. 29. doi :10.1109/ICMB.2006.39. hdl :10453/2740. ISBN 0-7695-2595-4. S2CID  14750674.
  19. ^ S. Karnouskos: Cyber-Physical Systems in the Smart Grid (PDF; 79 кБ). В: Industrial Informatics (INDIN), 2011 9th IEEE International Conference on , июль 2011. Получено 20 апреля 2014.
  20. ^ "Распределенный сад робототехники". people.csail.mit.edu . 2011 . Получено 16 ноября 2011 г.
  21. ^ Лукас, Джордж (июнь 2015 г.). Киберфизические атаки: растущая невидимая угроза. Оксфорд, Великобритания: Butterworh-Heinemann (Elsevier). стр. 65. ISBN 9780128012901.
  22. ^ "CarTel [MIT Cartel]". cartel.csail.mit.edu . 2011. Архивировано из оригинала 11 августа 2007 г. Получено 16 ноября 2011 г.
  23. ^ Лю, Р.; Шривастава, АК; Баккен, Д. Э.; Аскерман, А.; Панчиатичи, П. (ноябрь–декабрь 2017 г.). «Децентрализованная оценка состояния и корректирующее действие управления для минимального ограничения ветра с использованием распределенной вычислительной платформы». Труды IEEE по отраслевым приложениям . 53 (6): 5915. doi : 10.1109/TIA.2017.2740831. OSTI  1417238.
  24. ^ AW Colombo, T. Bangemann, S. Karnouskos, J. Delsing, P. Stluka, R. Harrison, F. Jammes и J. Lastra: Промышленные облачные киберфизические системы: подход IMC-AESOP. Springer Verlag, 2014, ISBN 978-3-319-05623-4 . 
  25. ^ Wu, D.; Rosen, DW; Wang, L.; Schaefer, D. (2014). «Проектирование и производство на основе облака: новая парадигма в цифровом производстве и инновациях в дизайне» (PDF) . Computer-Aided Design . 59 : 1–14. doi :10.1016/j.cad.2014.07.006. S2CID  9315605.
  26. ^ Wu, D., Rosen, DW, & Schaefer, D. (2014). Облачное проектирование и производство: статус и перспективы. В: Schaefer, D. (ред.): Облачное проектирование и производство: парадигма разработки ориентированной на сервисы продукции для 21-го века, Springer, Лондон, Великобритания, стр. 1-24.
  27. ^ J.Fitzgerald, PG Larsen, M. Verhoef (ред.): Совместное проектирование встраиваемых систем: совместное моделирование и совместная симуляция. Springer Verlag, 2014, ISBN 978-3-642-54118-6 . 
  28. ↑ Вольф, Уэйн (ноябрь 2007 г.). «Хорошие и плохие новости (колонка Embedded Computing)». IEEE Computer . 40 (11): 104–105. doi :10.1109/MC.2007.404.
  29. ^ "NSF Workshop On Cyber-Physical Systems". Архивировано из оригинала 2008-05-17 . Получено 2008-06-09 .
  30. ^ "Beyond SCADA: Сетевое встроенное управление для киберфизических систем". Архивировано из оригинала 17 января 2009 года . Получено 2008-06-09 .
  31. ^ "NSF Cyber-Physical Systems Summit". Архивировано из оригинала 2009-05-12 . Получено 2008-08-01 .
  32. ^ "Национальный семинар по высоконадежным автомобильным киберфизическим системам". Архивировано из оригинала 2008-08-27 . Получено 2008-08-03 .
  33. ^ "Национальный семинар по компонуемым и системным технологиям для высоконадежных киберфизических систем". Архивировано из оригинала 2007-12-15 . Получено 2008-08-04 .
  34. ^ "Национальный семинар по высоконадежным программным платформам для киберфизических систем (HCSP-CPS)". Архивировано из оригинала 2006-12-17 . Получено 2008-08-04 .
  35. ^ "Новые направления исследований для будущих киберфизических энергетических систем" . Получено 2009-06-05 .
  36. ^ "Соединяя кибер-, физический и социальный миры". Архивировано из оригинала 2012-07-16 . Получено 2011-02-25 .
  37. ^ "NIST Foundations for Innovation in Cyber-Physical Systems Workshop". Архивировано из оригинала 20-08-2015 . Получено 08-02-2012 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки