CPS 

киберфизические системы #CPS

Что такое киберфизические системы?

Киберфизические системы (англ. cyber-physical systems, или CPS) 

 Киберфизические системы - понятие достаточно комплексное. Однозначного и общепринятого определения на сегодняшний день они не получили, так как эти системы находятся на пересечении сразу нескольких сфер и, в зависимости от реализации. Их главной общей характеристикой является очень плотное взаимодействие между вычислительными процессами и процессами физическими, поэтому можно сказать, что киберфизическая система - это комплексная система из вычислительных и физических элементов, которая постоянно получает данные из окружающей среды и использует их для дальнейшей оптимизации процессов управления. Главным принципом работы киберфизических систем можно назвать глубокую взаимосвязь между их физическими и вычислительными элементами. «Мозг» системы в виде ИИ и других технологий получает данные от сенсоров в реальном мире, анализирует эти данные и использует их для дальнейшего управления физическими элементами. Благодаря такому взаимодействию киберфизическая система способна эффективно работать в изменяющихся условиях, как аналог человеческого организма или современная компания, которая анализирует ситуацию на рынке, чтобы разработать именно тот продукт, который ему сейчас нужен. Причём цикл «управление - получение данных - обработка данных - управление» при налаженной работе системы каждый раз должен давать позитивные результаты и создавать новую ценность.

Технология киберфизических систем

Киберфизическая система - представляет собой сложную распределенную систему, управляемую или контролируемую компьютерными алгоритмами, тесно интегрированную с Интернет и его пользователями. Ее технологической основой явилась технология интернет вещей (Internet of Things, или IoT). В системах CPS физические и программные компоненты тесно взаимосвязаны. Каждая компонента работает в разных пространственных и временных масштабах, проявляет множество различных поведенческих модальностей и взаимодействует друг с другом множеством способов, которые меняются в зависимости от контекста. Роста сложности задач управления обуславливает применения принципиально новых методов и систем управления. Киберфизические системы осуществляют вычислительные процедуры в своей распределенной структуре, они включают «умные узлы» и делают возможным реконфигурировать потоки в сети в зависимости от условий. Таким образом, киберфизические системы представляют собой распределенные системы с возможностью интеллектуальной обработки и реконфигурации потоков за счет интеллектуального управления. CPS применяет трансдисциплинарные подходы, объединяя теорию кибернетики, мехатроники, проектирования и науки о процессах. Управление процессом часто называют встроенными системами (embedded systems). В этих системах акцент чаще всего делается на вычислительных элементах и меньше на интенсивной связи между вычислительными и физическими элементами. CPS похожа на технологию «Интернет вещей», использующие одну и ту же базовую архитектуру. Однако CPS представляет более высокую комбинацию и координацию между физическими и вычислительными элементами. С системных позиций CPS представляет собой распределенную субсидиарную систему. Эта система имеет много уровней, но на каждом уровне масштаба и сложности появляются новые свойства, несводимые к свойствам простых уровней. В отличие от традиционных встроенных систем полнофункциональные CPS разрабатываются как сеть взаимодействующих элементов с физическим вводом и выводом, а не как автономные устройства. Понятие CPS тесно связано с концепциями робототехники и сенсорных сетей с интеллектуальными механизмами собственно вычислительного интеллекта, ведущих путь. Постоянный прогресс в науке и технике позволяет создавать связь между вычислительными и физическими элементами с помощью интеллектуальных механизмов, значительно увеличивая адаптивность, автономность, эффективность, функциональность, надежность, безопасность и удобство использования киберфизических систем. Некоторые примеры практического применения киберфизических систем 

В ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЕ 

Киберфизические системы могут улучшить производственные процессы, обеспечивая обмен информацией реального времени между промышленным оборудованием, производственной цепочкой поставок, поставщиками, системами управления бизнесом и клиентами. Кроме того, киберфизические системы могут повышать эффективность этих процессов благодаря автоматическому мониторингу и контролю всего производственного процесса и адаптации производства для удовлетворения предпочтений клиентов. Киберфизические системы повышают прозрачность и управляемость цепочек поставок, улучшая отслеживаемость и безопасность товаров. 

В ЗДРАВООХРАНЕНИИ 

Киберфизические системы используются для дистанционного мониторинга физических показателей пациентов в реальном времени с целью уменьшения потребностей в госпитализации (например, пациентов с болезнью Альцгеймера) или для улучшения ухода за инвалидами и пожилыми людьми. Кроме того, киберфизические системы применяются в нейробиологических исследованиях для изучения функций организма человека с использованием интерфейсов между мозгом и оборудованием и терапевтической робототехники. 

 В ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ 

Интеллектуальные энергосети представляют собой киберфизические системы, в которых датчики и другие устройства обеспечивают мониторинг сети для целей контроля, повышения надежности и энергоэффективности. В интеллектуальных зданиях: совместная работа интеллектуальных устройств и киберфизических систем позволяет сократить энергопотребление, повысить безопасность и защищенность, а также создать более комфортные условия для жителей. Например, киберфизические системы могут поддерживать мониторинг энергопотребления и использование систем регулирования для реализации концепции дома с нулевым потреблением электроэнергии. Кроме того, их можно использовать для определения степени ущерба для зданий в результате непредвиденных событий и предотвращения разрушения конструкций. 

НА ТРАНСПОРТЕ 

Транспортные средства и инфраструктура могут взаимодействовать между собой, обмениваясь в реальном времени информацией о дорожном движении, местоположении и проблемах, предотвращая транспортные инциденты и дорожные пробки, повышая безопасность и в конечном итоге экономя время и деньги. 

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ 

Киберфизические системы могут использоваться для создания более современного и эффективного сельского хозяйства. Они могут собирать важную информацию о климате, почве и другие данные для более точного управления сельскохозяйственными работами. Датчики киберфизических систем могут вести постоянный мониторинг различных показателей, таких как орошение почвы, влажность воздуха и здоровье растений, для поддержания оптимальных окружающих условий. 

В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ 

Киберфизические системы позволяют лучше понимать поведение систем и пользователей для повышения производительности и более эффективного управления ресурсами. Например, можно оптимизировать работу приложений с учетом контекста и действий пользователей или отслеживать доступность ресурсов. Кроме того, популярные социальные сети и сайты электронной коммерции хранят информацию о действиях пользователей и затребованном контенте, анализируют эту информацию, чтобы предсказывать, что может быть интересно пользователям, и предлагать рекомендации в отношении друзей, публикаций, ссылок, страниц, событий или продуктов. 

Четвертая промышленная революция

Концепции Индустрии 4.0, характеризующейся внедрением «киберфизических систем» в заводские процессы. Четвертая промышленная революция связана не только с умными и взаимосвязанными машинами и системами. Ее спектр действия значительно шире. Одновременно возникают волны дальнейших прорывов в самых различных областях: от расшифровки информации, записанной в человеческих генах до нанотехнологий, от возобновляемых энергоресурсов до квантовых вычислений. Именно синтез этих технологий и их взаимодействие в физических, цифровых и биологических доменах составляют фундаментальное отличие четвертой промышленной революции от всех предыдущих революций. Классическое определение киберфизических производственных систем - человеческий труд, «умные» машины и транспорт, интегрированные в едином цифровом пространстве посредством сетей, «умных» устройств, сенсорных систем, аналитических платформ и облачных вычислений. Ключевыми отличиями киберфизических производственных систем от традиционных производственных систем являются децентрализация, высокая устойчивость, абсолютная гибкость и способность к непрерывной и бесконечной самооптимизации. Обязательный признак киберфизических производственных систем - наличие в их составе автономных «умных» устройств, машин и умного транспорта, распределенной системы интеллектуальных сенсоров, соединенных между собой с платформами облачных вычислений и аналитики. В новой производственной реальности киберфизические системы будут помогать человеку справляться со все возрастающей сложностью стоящих перед ним производственных задач. Основные принципы концепции Индустрии 4.0 : функциональной совместимости человека и машины возможности контактировать напрямую через интернет; прозрачности информации и способности систем создавать виртуальную копию физического мира.


Индустрии 4.0

Открытые инновации 

В последние годы киберфизические системы получили большой толчок к развитию, который связан с ростом количества «умных» устройств и сенсорных сетей и объединением их во всё более крупные системы, например, интернет вещей. Киберфизические системы, являющиеся движущей силой инноваций, охватывают множество различных дисциплин. Сотрудничество различных отраслей может сделать их важной производственной силой. Кроме того, для киберфизических систем нужны высококвалифицированные кадры, поэтому необходимы сотрудничество и взаимодействие. Крайне важно не попасться в ловушку желания достичь всего самостоятельно. Очень важным для будущего этих систем является переход к открытым инновациям. Именно поэтому компания активно занимается инвестициями в современные технологии, связанные с киберфизическими системами, и сотрудничает с другими организациями. Киберфизические системы - это настолько обширная и перспективная тема, что только совместными усилиями различные компании, НИИ и организации смогут разрабатывать новые технологии и новые продукты, в том числе и для решения актуальных проблем 

ТК194 - направление работы нового технического комитета по стандартизации 

Приказом Росстандарта № 642 от 27 марта 2017 года создан Технический комитет по стандартизации № 194 «Киберфизические системы» (ТК 194), на который возложены задачи по национальной стандартизации в данных направлениях. Технический комитет занимается разработкой стандартов в области Интернета вещей, "умных" городов, больших данных, интеллектуальных производств и других систем, связанных с взаимодействием "машина-машина" (M2M). Россия в лице ТК 194, представляющего на международном уровне интересы российских технологических компаний, была утверждена в качестве соредактора проекта стандарта ISO/IEC 30149 Internet of Things (IoT) — Trustworthiness frameworks.