Киберфизические системы – это системы, которые моделируют, автоматизируют и управляют механизмами физических систем в цифровой среде. Технологии киберфизических систем играют ключевую роль в современном мире. Они обеспечивают синергию между цифровыми и физическими компонентами. Так что же такое киберфизические системы? Давайте посмотрим.
Что такое технологии киберфизических систем
Киберфизическая система (CPS) – это новое поколение цифровых систем, состоящих из вычислительных и физических возможностей, которые взаимодействуют с человеком как никогда раньше. Она действует как сеть из множества переменных с физическим входом и выходом, а не как отдельная технология. Подобная концепция тесно связана с сенсорными сетями. Они функционируют на основе вычислительного интеллекта. Например, с такими как робототехника. Способность общаться, расширяя возможности физического мира с помощью вычислений, является важным шагом для технологий будущего.
Технологии киберфизических систем требуют так называемых встроенных систем – сочетания трансдисциплинарных подходов, мехатроники и дизайна. Таким образом, киберфизические системы представляют собой сложную комбинацию физических и вычислительных элементов. Они могут быть найдены и использованы во множестве областей. Например, таких как производство, аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, транспорт и т. д.
Применение киберфизических систем
Сферы применения технологии киберфизических систем практически безграничны. Сегодня они используются как в здравоохранении и обрабатывающей промышленности, так и в автомобильной, гражданской и энергетической отраслях. Некоторые из распространенных вариантов использования CPS включают:
- архитектурные планы инфраструктуры и зданий
- устройства IoT
- Робототехника
- Производство
- Умные города и интеллектуальные сети
Растущее использование интеллектуальных киберфизических систем направлено на повышение эффективности реализации крупномасштабных систем. Происходит это за счет оптимизации функциональности, автономности, надежности, безопасности и удобства использования этих сетей.
Давайте разберем несколько сфер более подробно.
Производство. Эта отрасль чаще всего ассоциируется с киберфизическими системами. Эти системы могут быть использованы в обрабатывающей промышленности. Они оптимизируют процессы путем автоматизации всего производства, создания единой децентрализованной платформы для целых заводов. Автоматизация производства позволяет сэкономить затраты на рабочую силу и материалы, а также сократить время производства.
Здравоохранение и медицинское оборудование. В этом секторе киберфизические системы могут быть использованы для дистанционного отслеживания состояния и физического состояния пациентов в режиме реального времени. Кроме того, киберфизические системы могут быть использованы для помощи пациентам, которые стареют. Это означает применение интеллектуальных датчиков в домах для обнаружения несчастных случаев и немедленного оповещения системы.
Сельское хозяйство. В сельскохозяйственной отрасли киберфизические системы могут помочь отказаться от использования пестицидов. Они выбирают и применяют их только тогда, когда это действительно необходимо. Этот метод не только эффективен, но и экологически безопасен. Кроме того, эти системы позволяют руководству сельскохозяйственных предприятий точно изучать, собирать и анализировать различную информацию о климате, почве, воде и т. д.
Особенности киберфизических систем
Перейдем к рассмотрению ключевых особенностей технологии киберфизических систем
Управляемые данными
Данные собираются с междоменных датчиков и IoT-устройств. Затем разрабатывается сквозной конвейер данных и программа управления данными. Она должна быть способна обрабатывать полуструктурированные и неструктурированные данные датчиков эффективно, безопасно и надежно.
Встраиваемые мобильные датчики и объединение данных
Небольшие мобильные датчики встраиваются в физические объекты. Данные, собранные из сети источников данных, объединяются для получения пригодных.
Адаптируемые и обучаемые модели
После процесса объединения данных модели ИИ обучаются на информации, поступающей в режиме реального времени. Модели могут:
Обучаться на основе информации в реальном времени или повторяющейся информации.
Динамически обновляться в соответствии с новой информацией.
Это позволяет пользователям разрабатывать корректные модели киберфизических систем. В том числе с учетом разнообразных будущих прогнозов информации, получаемой в физическом мире.
Проектирование на основе моделирования
Проект системы проходит через всестороннее моделирование. Это нужно чтобы смоделировать динамику и получить точную обратную связь в реальном времени с физическими характеристиками проекта.
Автономность
Подсистемы и совместные компоненты – как аппаратные, так и программные – рассчитаны на автономность по трем направлениям:
- Интеллект
- Точность
- Отзывчивость
Эти характеристики позволяют моделям киберфизических систем учитывать возникающую динамику и поведение физических систем без какого-либо вмешательства человека или ручного управления процессом.
Непрерывная связь в реальном времени
IoT-датчики и сетевые устройства непрерывно регистрируют информацию с помощью стандартизированных протоколов связи и API-соединений. А также программных компонентов с открытым исходным кодом.
Масштабируемость
Масштабируемая платформа данных предназначена для хранения больших объемов структурированных и неструктурированных данных внутри компании.
Повысить масштабируемость можно, спроектировав платформу данных по принципу “схема на чтение”. То есть данные поступают в реальном времени. И только необходимые данные предварительно обрабатываются перед использованием для обучения моделей, аналитики и проектирования.
Архитектура киберфизических систем
Как же работает киберфизическая система с такими характерными особенностями? Это в первую очередь зависит от области применения и отраслевой принадлежности.
Архитектурные рамки для проектирования киберфизических систем обычно включают в себя следующие компоненты:
- Уровень восприятия. Физическая сеть устройств и датчиков, которые производят исходную информацию.
- Уровень передачи и управления данными. Данные передаются по горизонтали между физическими устройствами и по вертикали через Интернет на внутреннюю платформу данных для хранения и предварительной обработки.
- Уровень приложений. Программные компоненты, которые взаимодействуют с исходной информацией, обучают модели, создают цифровые двойники, которыми может управлять конечный пользователь.
Заключение
Хотя мы видим, что киберфизические системы уже применяются во многих отраслях, они все еще находятся на ранних стадиях своего развития. В основе таких систем лежит стремление к созданию уникальной синергии между миром цифровых технологий и физическими объектами и процессами. Они автоматизируют и оптимизируют работу физических объектов, позволяя им взаимодействовать и адаптироваться в реальном времени под воздействием цифровой обработки информации.
Большинство киберфизических систем управления требуют высокой производительности, надежности, безопасности и защиты. Именно поэтому в настоящее время эти системы сталкиваются с рядом серьезных проблем. Одной из основных проблем является вопрос безопасности и конфиденциальности, так как киберфизические системы подвержены риску кибератак и неправильного использования. Кроме того, вопросы совместимости с существующими инфраструктурами и стандартами также становятся значимыми при развертывании киберфизических систем.
Применение киберфизических систем должно быть масштабировано и завершено с осторожностью, учитывая потенциальные риски и необходимость обеспечения совместимости с существующими структурами. Тем не менее, несмотря на эти вызовы, потенциал киберфизических систем для оптимизации производства, управления ресурсами, автоматизации процессов и повышения эффективности делает их важным объектом исследования и разработки в современном мире.
