Киберфизическая система - Википедия - Cyber-physical system

А киберфизический система (CPS) это компьютерная система в котором механизм контролируется или контролируется компьютерным алгоритмы. В киберфизических системах физические и программные компоненты глубоко взаимосвязаны и могут работать на разных пространственные и временные масштабы, демонстрируют множество различных поведенческих модальностей и взаимодействуют друг с другом способами, которые меняются в зависимости от контекста.[1] Примеры CPS включают: умная сеть электроснабжения, автономный автомобиль системы, медицинское наблюдение, системы промышленного управления, робототехника системы и автопилот авионика.[2]

CPS включает трансдисциплинарный подходы, объединяющая теорию кибернетика, мехатроника, дизайн и технологические процессы.[3][4] Управление процессом часто называют встроенные системы. Во встроенных системах упор, как правило, больше делается на вычислительные элементы, а не на тесную связь между вычислительными и физическими элементами. CPS также похож на Интернет вещей (IoT) с одинаковой базовой архитектурой; тем не менее, CPS представляет собой более высокую комбинацию и координацию между физическими и вычислительными элементами.[5]

Предшественники киберфизических систем можно найти в самых разных областях: аэрокосмический, автомобильный, химические процессы, гражданская инфраструктура, энергетика, здравоохранение, производство, транспорт, развлекательная программа, и бытовая техника.[2]

Обзор

В отличие от более традиционных встроенные системы, полноценная CPS обычно разрабатывается как сеть взаимодействующих элементов с физическим вводом и выводом, а не как отдельные устройства. Это понятие тесно связано с концепциями робототехника и сенсорные сети 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, избежание столкновения ); точность (например, роботизированная хирургия и производство на наноуровне); работа в опасных или труднодоступных условиях (например, поисково-спасательные работы, пожаротушение и глубоководные исследования ); координация (например, управления воздушным движением, боевые действия); эффективность (например, здания с нулевым потреблением энергии ); и увеличение человеческих возможностей (например, в здравоохранение мониторинг и доставка).[7]

Мобильные киберфизические системы

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 смартфоны возрос интерес к области мобильных киберфизических систем. Платформы для смартфонов представляют собой идеальные мобильные киберфизические системы по ряду причин, в том числе:

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 с сервером или облачной средой, обеспечивая выполнение сложных задач обработки, которые невозможны в условиях ограниченности местных ресурсов.[9] Примеры мобильных киберфизических систем включают приложения для отслеживания и анализа CO.2 выбросы,[10] обнаруживать дорожно-транспортные происшествия, страховая телематика[11] и предоставлять услуги ситуационной осведомленности службам быстрого реагирования,[12][13] измерять трафик,[14] и контролировать кардиологических больных.[15]

Примеры

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 на центральный узел. Другие типы CPS включают: умная сеть электроснабжения,[16] автономные автомобильные системы, медицинский мониторинг, контроль над процессом системы, распределенная робототехника и авионика автопилота.

Реальным примером такой системы является Distributed Robot Garden в Массачусетский технологический институт в котором команда роботов ухаживает за томатным садом. Эта система сочетает в себе распределенное зондирование (каждое предприятие оснащено сенсорным узлом, контролирующим его состояние), навигацию, манипуляция и беспроводная сеть.[17]

Сосредоточение внимания на аспектах системы управления CPS, которые распространяются критическая инфраструктура можно найти в усилиях Национальная лаборатория Айдахо и соавторы исследуют 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.

Другим примером является текущий проект CarTel Массачусетского технологического института, в котором парк такси работает, собирая информация о дорожном движении в режиме реального времени в районе Бостона. Затем эта информация вместе с историческими данными 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, поддерживаемые Облако технологии привели к новым подходам[21][22][23] что проложило путь к Индустрия 4.0 как Европейская Комиссия IMC-AESOP проект с такими партнерами, как Schneider Electric, SAP, Honeywell, Microsoft и т.д. продемонстрировано.

Дизайн

CPS for Manufacturing.png

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 МОДЕЛЬ проект показывают, что этот подход жизнеспособен, предлагая новый стандарт для совместного моделирования в форме Функциональный макет интерфейса.

Важность

Соединенные штаты Национальный фонд науки (NSF) определила киберфизические системы в качестве ключевой области 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Национальный научный фонд США, Киберфизические системы (CPS) "
  2. ^ а б Khaitan et al. "Методы проектирования и применения киберфизических систем: обзор ", Системный журнал IEEE, 2014 г.
  3. ^ 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».
  4. ^ Сух С.С., Карбоне Дж. Н., Эроглу А.Э .: Прикладные киберфизические системы. Спрингер, 2014.
  5. ^ 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.
  6. ^ К.Алиппи: Интеллект для встраиваемых систем. Springer Verlag, 2014, 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. Получено 2009-07-21.
  8. ^ «Виртуальная машина для запуска приложений Java на CPS». Получено 2012-04-12.
  9. ^ Белый, Жюль; Clarke, S .; Догерти, Б.; Thompson, C .; Шмидт, Д. «Проблемы НИОКР и решения для мобильных киберфизических приложений и вспомогательных интернет-сервисов» (PDF). Журнал Springer об Интернет-службах и приложениях. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-08-04. Получено 2011-02-21.
  10. ^ J. Froehlich, T. Dillahunt, P. Klasnja, J. Mankoff, S. Consolvo, B. Harrison и J. Landay, «UbiGreen: исследование мобильного инструмента для отслеживания и поддержки экологичных транспортных привычек», в Proceedings of the 27th международная конференция «Человеческий фактор в вычислительных системах». ACM 2009. С. 1043–1052.
  11. ^ П. Гендель, И. Ског, Дж. Уолстром, Ф. Бонавид, Р. Уэлш, Дж. Олссон и М. Олссон: Страховая телематика: возможности и проблемы с решением для смартфонов, Журнал интеллектуальных транспортных систем, IEEE, том 6, №4, с. 57-70, зима 2014 г.,Дои: 10.1109 / MITS.2014.2343262
  12. ^ Thompson, C .; White, J .; Догерти, Б.; Шмидт, Д. К. (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. Дои:10.1007/978-3-642-10265-3_4. ISBN  978-3-642-10264-6.
  13. ^ Джонс, В. Д. (2001). «Прогнозирование транспортного потока». IEEE Spectrum. 38: 90–91. Дои:10.1109/6.901153.
  14. ^ Роза, Г. (2006). «Мобильные телефоны как зонды трафика: практика, перспективы и проблемы». Отзывы о транспорте. 26 (3): 275–291. Дои:10.1080/01441640500361108. S2CID  109790299.
  15. ^ Лейдеккерс, П. (2006). «Персональная система мониторинга и реабилитации сердца с помощью 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.
  16. ^ С. Карновскос: Киберфизические системы в интеллектуальной сети (PDF; 79 кБ). В:Промышленная информатика (INDIN), 9-я Международная конференция IEEE 2011 г., Июль 2011. Проверено 20 апр 2014.
  17. ^ "Распределенный сад робототехники". people.csail.mit.edu. 2011. Получено 16 ноября, 2011.
  18. ^ Лукас, Джордж (июнь 2015 г.). Киберфизические атаки Растущая невидимая угроза. Оксфорд, Великобритания: Butterworh-Heinemann (Elsevier). п. 65. ISBN  9780128012901.
  19. ^ «Картел [Картель Массачусетского технологического института]». cartel.csail.mit.edu. 2011. Архивировано с оригинал 11 августа 2007 г.. Получено 16 ноября, 2011.
  20. ^ Liu, R .; Шривастава, А.К .; Баккен, Д. Э .; Аскерман, А .; Панчатичи, П. (ноябрь – декабрь 2017 г.). «Децентрализованная оценка состояния и корректирующие меры контроля для минимального ограничения ветра с использованием платформы распределенных вычислений». IEEE Transactions по отраслевым приложениям. 53 (6): 5915. Дои:10.1109 / TIA.2017.2740831. OSTI  1417238.
  21. ^ А. В. Коломбо, Т. Бангеманн, С. Карновскос, Дж. Дельсинг, П. Стлука, Р. Харрисон, Ф. Джеммес и Дж. Ластра: Промышленные облачные киберфизические системы: подход IMC-AESOP. Springer Verlag, 2014 г., ISBN  978-3-319-05623-4.
  22. ^ Wu, D .; Rosen, D.W .; Wang, L .; Шефер, Д. (2014). «Облачное проектирование и производство: новая парадигма цифрового производства и дизайнерских инноваций» (PDF). Системы автоматизированного проектирования. 59: 1–14. Дои:10.1016 / j.cad.2014.07.006.
  23. ^ Ву Д., Розен Д. В. и Шефер Д. (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. 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 (колонка встраиваемых вычислений»). IEEE Computer. 40 (11): 104–105. Дои:10.1109 / MC.2007.404.
  26. ^ "Семинар NSF по киберфизическим системам". Архивировано из оригинал на 2008-05-17. Получено 2008-06-09.
  27. ^ «Помимо SCADA: встроенное сетевое управление киберфизическими системами». Архивировано из оригинал 17 января 2009 г.. Получено 2008-06-09.
  28. ^ "Саммит NSF по киберфизическим системам". Архивировано из оригинал на 2009-05-12. Получено 2008-08-01.
  29. ^ "Национальный семинар по высоконадежным автомобильным киберфизическим системам". Архивировано из оригинал на 2008-08-27. Получено 2008-08-03.
  30. ^ "Национальный семинар по составным и системным технологиям для высоконадежных киберфизических систем". Получено 2008-08-04.
  31. ^ "Национальный семинар по высоконадежным программным платформам для киберфизических систем (HCSP-CPS)". Получено 2008-08-04.
  32. ^ «Новые направления исследований будущих киберфизических энергетических систем». Получено 2009-06-05.
  33. ^ «Преодоление кибернетического, физического и социального миров». Архивировано из оригинал на 2012-07-16. Получено 2011-02-25.
  34. ^ «Семинар NIST« Основы инноваций в киберфизических системах »». Архивировано из оригинал на 2015-08-20. Получено 2012-02-08.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка