A -cibernético física sistema ( CPS ) es un sistema informático en el que un mecanismo es controlado o vigilado por basados en computadoras algoritmos . En los sistemas ciberfísicos, los componentes físicos y de software están profundamente entrelazados, pueden operar en diferentes escalas espaciales y temporales , exhibir modalidades de comportamiento múltiples y distintas e interactuar entre sí de maneras que cambian con el contexto. [1] CPS implica enfoques transdisciplinarios , fusionando la teoría de la cibernética , la mecatrónica , el diseño y la ciencia de procesos. [2] [3]El control de procesos a menudo se conoce como sistemas integrados . En los sistemas embebidos, el énfasis tiende a estar más en los elementos computacionales y menos en un vínculo intenso entre los elementos físicos y computacionales. CPS también es similar al Internet de las cosas (IoT), y comparte la misma arquitectura básica; sin embargo, CPS presenta una mayor combinación y coordinación entre elementos físicos y computacionales. [4]
Ejemplos de CPS incluyen red inteligente , de automóviles autónomas sistemas, monitoreo médico , sistemas de control industrial , robótica sistemas, y de piloto automático de aviónica. [5] Los precursores de los sistemas ciberfísicos se pueden encontrar en áreas tan diversas como la aeroespacial , automotriz , procesos químicos , infraestructura civil, energía, salud , manufactura , transporte , entretenimiento y electrodomésticos . [5]
Descripción general
A diferencia de los sistemas integrados más tradicionales , un CPS completo se suele diseñar como una red de elementos que interactúan con entrada y salida físicas en lugar de como dispositivos independientes. La noción está estrechamente ligada a conceptos de robótica y redes de sensores con mecanismos de inteligencia propios de la inteligencia computacional liderando el camino. Los continuos avances en ciencia e ingeniería mejoran el vínculo entre elementos computacionales y físicos mediante mecanismos inteligentes, aumentando la adaptabilidad, autonomía, eficiencia, funcionalidad, confiabilidad, seguridad y usabilidad de los sistemas ciberfísicos. [6] Esto ampliará el potencial de los sistemas ciberfísicos en varias direcciones, que incluyen: intervención (por ejemplo, prevención de colisiones ); precisión (por ejemplo, cirugía robótica y fabricación a nivel nanométrico); operación en entornos peligrosos o inaccesibles (por ejemplo, búsqueda y rescate, extinción de incendios y exploración de aguas profundas ); coordinación (por ejemplo, control de tráfico aéreo , guerra); eficiencia (por ejemplo, edificios de energía neta cero ); y aumento de las capacidades humanas (por ejemplo, en el seguimiento y la prestación de servicios de salud ). [7]
Sistemas ciberfísicos móviles
Los sistemas ciberfísicos móviles, en los que el sistema físico en estudio tiene movilidad inherente, son una subcategoría prominente de los sistemas ciberfísicos. Los ejemplos de sistemas físicos móviles incluyen la robótica móvil y la electrónica transportada por humanos o animales. El aumento de la popularidad de los teléfonos inteligentes ha aumentado el interés en el área de los sistemas ciberfísicos móviles. Las plataformas de teléfonos inteligentes son sistemas ciberfísicos móviles ideales por varias razones, que incluyen:
- Recursos computacionales importantes, como capacidad de procesamiento, almacenamiento local
- Múltiples dispositivos de entrada / salida sensoriales, como pantallas táctiles , cámaras, chips GPS , parlantes, micrófonos, sensores de luz , sensores de proximidad
- Múltiples mecanismos de comunicación, como WiFi , 4G , EDGE , Bluetooth para interconectar dispositivos a Internet u otros dispositivos.
- Lenguajes de programación de alto nivel que permiten el desarrollo rápido de software de nodo CPS móvil, como Java , [8] C # o JavaScript.
- Mecanismos de distribución de aplicaciones fácilmente disponibles, como Google Play Store y Apple App Store
- Mantenimiento y conservación por parte del usuario final, incluida la recarga frecuente de la batería
Para las tareas que requieren más recursos de los que están disponibles localmente, un mecanismo común para la implementación rápida de nodos de sistemas ciberfísicos móviles basados en teléfonos inteligentes utiliza la conectividad de red para vincular el sistema móvil con un servidor o un entorno de nube, lo que permite tareas de procesamiento complejas que son imposibles bajo las limitaciones de recursos locales. [9] Ejemplos de sistemas ciberfísicos móviles incluyen aplicaciones para rastrear y analizar las emisiones de CO 2 , [10] detectar accidentes de tráfico, telemática de seguros [11] y proporcionar servicios de conciencia de la situación a los socorristas, [12] [13] medir el tráfico, [14] y vigilar a los pacientes cardíacos. [15]
Ejemplos de
Las aplicaciones comunes de CPS generalmente se incluyen en sistemas autónomos habilitados para comunicación basados en sensores. Por ejemplo, muchas redes de sensores inalámbricos monitorean algún aspecto del entorno y transmiten la información procesada a un nodo central. Otros tipos de CPS incluyen redes inteligentes , [16] sistemas automotrices autónomos, monitoreo médico, sistemas de control de procesos , robótica distribuida y aviónica piloto automática.
Un ejemplo del mundo real de tal sistema es el Distributed Robot Garden en el MIT, en el que un equipo de robots se ocupa de un jardín de plantas de tomate. Este sistema combina detección distribuida (cada planta está equipada con un nodo sensor que monitorea su estado), navegación, manipulación y redes inalámbricas . [17]
Se puede encontrar un enfoque en los aspectos del sistema de control de CPS que impregnan la infraestructura crítica en los esfuerzos del Laboratorio Nacional de Idaho y los colaboradores que investigan sistemas de control resistentes . Este esfuerzo adopta un enfoque holístico para el diseño de la próxima generación y considera los aspectos de resiliencia que no están bien cuantificados, como la seguridad cibernética, [18] la interacción humana y las interdependencias complejas.
Otro ejemplo es el proyecto CarTel en curso del MIT, donde una flota de taxis trabaja recopilando información de tráfico en tiempo real en el área de Boston. Junto con los datos históricos, esta información se utiliza para calcular las rutas más rápidas para un momento determinado del día. [19]
Los CPS también se utilizan en redes eléctricas para realizar un control avanzado, especialmente en el contexto de las redes inteligentes para mejorar la integración de la generación renovable distribuida. Se necesita un plan de acción correctiva especial para limitar los flujos de corriente en la red cuando la generación del parque eólico es demasiado alta. Los CPS distribuidos son una solución clave para este tipo de problemas [20]
En el ámbito de la industria, los sistemas ciberfísicos potenciados por las tecnologías de la nube han dado lugar a enfoques novedosos [21] [22] [23] que allanaron el camino hacia la Industria 4.0 como el proyecto IMC-AESOP de la Comisión Europea con socios como Schneider Electric , SAP , Honeywell , Microsoft , etc., demostraron.
Diseño
Un desafío en el desarrollo de sistemas integrados y ciberfísicos son las grandes diferencias en la práctica del diseño entre las diversas disciplinas de ingeniería involucradas, como el software y la ingeniería mecánica. Además, a día de hoy no existe un "lenguaje" en términos de práctica de diseño que sea común a todas las disciplinas involucradas en CPS. Hoy en día, en un mercado donde se supone que la innovación rápida es esencial, los ingenieros de todas las disciplinas deben ser capaces de explorar los diseños de sistemas de forma colaborativa, asignar responsabilidades al software y los elementos físicos y analizar las compensaciones entre ellos. Los avances recientes muestran que el acoplamiento de disciplinas mediante el uso de la co-simulación permitirá que las disciplinas cooperen sin imponer nuevas herramientas o métodos de diseño. [24] Los resultados del proyecto MODELISAR muestran que este enfoque es viable al proponer un nuevo estándar para la co-simulación en la forma de interfaz de maqueta funcional .
Importancia
La Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU . (NSF) ha identificado los sistemas ciberfísicos como un área clave de investigación. [25] A partir de finales de 2006, la NSF y otras agencias federales de los Estados Unidos patrocinaron varios talleres sobre sistemas ciberfísicos. [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34]
Ver también
- Sistema de posicionamiento interior
- Industria 4.0
- Sistema de mantenimiento inteligente
- Internet de las Cosas
- Diseño receptivo asistido por computadora
- Gráfico de flujo de señal
Referencias
- ^ "Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., Sistemas ciberfísicos (CPS) "
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Otras lecturas
- Edward A. Lee, Sistemas ciberfísicos: ¿Son adecuados los fundamentos informáticos?
- Paulo Tabuada, Cyber-Physical Systems: Position Paper
- Rajesh Gupta, Modelos y métodos de programación para acciones y razonamiento espacio-temporales en sistemas ciberfísicos
- EA Lee y SA Seshia, Introducción a los sistemas integrados: un enfoque de sistemas ciberfísicos , http://LeeSeshia.org, 2011.
- Altawy R., Youssef A., Security Trade-offs in Cyber Physical Systems: Una encuesta de estudio de caso sobre dispositivos médicos implantables
- Ahmad I., Aspectos de seguridad de los sistemas físicos cibernéticos
enlaces externos
- La Organización Virtual CPS
- La conferencia Cyber-Physical Systems Week ilustra la investigación actual en el área
- Transacciones en Cyber-Physical Systems ACM Journal en esta área