سیستم فیزیکی-سایبری

بررسی اجمالی

بر خلاف سیستم‌های جاسازی شده سنتی یک CPS کامل به طور معمول به عنوان یک شبکه تعامل عناصر با ورودی و خروجی فیزیکی به جای دستگاه‌های مستقل و تنها طراحی می‌شود. این مفهوم ارتباط تنگاتنگی با مفاهیم رباتیک و شبکه‌های حسگر با مکانیسم‌های هوشمند مناسب هوش محاسباتی پیشرو در این مسیر دارد. ادامه پیشرفت در علم و مهندسی باعث بهبود ارتباط بین عناصر محاسباتی و فیزیکی با استفاده از مکانیسم‌های هوشمند شده است و به طور چشمگیری سازگاری، کارایی، عملکرد، قابلیت اطمینان، ایمنی و قابلیت استفاده از سیستم‌های فیزیکی سایبری را افزایش داده است.
این امر پتانسیل سیستم‌های فیزیکی سایبری در ابعاد مختلف از جمله: مداخله (به عنوان مثال شنود); دقت (به عنوان مثال جراحی رباتیک و تولیدات سطح نانو); در عملیات‌های خطرناک یا محیط‌های غیرقابل دسترس (به عنوان مثال جستجو و نجات آتش‌نشانی و اکتشاف در اعماق دریا); هماهنگی (به عنوان مثال کنترل ترافیک هوایی، جنگ، مبارزه); بهره‌وری (مثلاً ساختمان‌های با هدررفت انرژی صفر); و تقویت قابلیت‌های انسان (به عنوان مثال بهداشت و درمان و نظارت و تحویل).

نمونه‌ها

برنامه‌های کاربردی متداول CPS به طور معمول زیرمجموعهٔ سیستم‌های مبتنی بر سنسور مبتنی بر ارتباطات فعال سیستم‌های مستقل است. برای مثال بسیاری از شبکه‌های حسگر بی‌سیم نظارت می‌کنند بر برخی از جنبه‌های محیط زیست و اطلاعات پردازش شده را به یک گره مرکزی رله می‌کنند. انواع دیگر CPS شامل شبکه هوشمند، سیستم‌های خودرو خودمختار، نظارت‌های پزشکی، سیستم‌های کنترل فرایند، رباتیک توزیع شده و خلبان اتوماتیک می‌شود.
یک مثال دنیای واقعی چنین سیستمی ربات باغبان توزیع شده در MIT است که در آن یک تیم از روبات‌ها از یک باغ گیاهان گوجه فرنگی نگهداری می‌کنند. این سیستم ترکیبی از سنجش توزیع شده (هر گیاه مجهز به یک گرهٔ سنسور است که بر وضعیت آن نظارت می‌کند)، جهت یابی، دستکاری و شبکه‌های بی‌سیم است.
تمرکز بر جنبه‌های سیستم‌های کنترل CPS که نفوذ کردن زیرساخت‌های حیاتی آن را می‌توان در تلاش‌های آزمایشگاه ملی آیداهو و همکاران تحقیق سیستم‌های کنترل انعطاف‌پذیر دید. این تلاش باعث یک رویکرد جامع به طراحی نسل بعدی شد و جنبه‌های انعطاف‌پذیری که به خوبی اندازه‌گیری نشده‌اند را مورد توجه قرار داده است مانند امنیت سایبری، تعامل انسان و وابستگی پیچیده.
مثال دیگر این است که دانشگاه MIT در حال انجام پروژه کارتل است که در آن ناوگان تاکسی‌ها با جمع‌آوری اطلاعات بلادرنگ ترافیک در منطقه بوستون کار می‌کنند. همراه با داده‌های ذخیرهٔ شدهٔ گذشته، این اطلاعات سپس برای محاسبه سریع‌ترین مسیر برای یک زمان معین از روز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در حوزهٔ صنعت، سیستم‌های فیزیکی سایبری توسط فناوری ابرقدرت گرفته‌اند و به روش‌های جدیدی منجر شده‌اند که باعث هموار شدن مسیر برای رسیدن به Industry 4.0 به عنوان پروژهٔ کمیسیون اروپا IMC-AESOP با شراکت شرکت‌هایی مانند Schneider Electric, SAP, Honeywell, Microsoft و غیره نشان داده شده است.
مدل‌های فیزیکی سایبری برای آیندهٔ ساخت و تولید—با انگیزه یک سیستم فیزیکی سایبری، یک رویکرد «مدل جفت شده» توسعه داده شد. مدل جفت شده یک دوتایی دیجیتال از ماشین واقعی است که در پلت فرم ابر اجرامی شود و وضعیت سلامت را با یک دانش یکپارچه از هر دو الگوریتم تحلیلی داده محور به خوبی دانش فیزیکی در دسترس شبیه‌سازی می‌کند. مدل جفت شده اول یک تصویر دیجیتال از اوایل مرحله طراحی می‌سازد. اطلاعات سیستم و دانش فیزیکی در طول طراحی محصول ثبت می‌شوند و بر اساس یک مدل شبیه‌سازی به عنوان یک منبع برای تحلیل‌های بعدی ساخته شده است. پارامترهای اولیه ممکن است از نظر آماری تعمیم یابند و می‌توان آنها را با استفاده از داده‌ها از تست یا فرایند تولید با استفاده از پارامتر برآورد تنطیم کرد. مدل شبیه‌سازی را می‌توان به عنوان یک تصویر منعکس شده از ماشین واقعی در نظر گرفت که قادر به ثبت و پیگیری وضعیت ماشین در طول بهره‌برداری مرحله بعد است. در نهایت با اتصال فراگیر ارائه شده توسط فناوری محاسبات ابری، مدل جفت شده نیز دسترسی بهتر به وضعیت ماشین را برای مدیران کارخانه در مواردی که دسترسی فیزیکی به تجهیزات واقعی یا داده‌های ماشین محدود است، فراهم می‌کند. این ویژگی‌ها راه به سوی اجرای ساخت و تولد سایبری هموار کرد.

طراحی

یک چالش در توسعه سیستم‌های جاسازی شده و سیستم‌های فیزیکی سایبری این است که تفاوت‌های زیادی در عمل طراحی بین رشته‌های مهندسی مختلف درگیر، مانند نرم‌افزار و مهندسی مکانیک وجود دارد. علاوه بر این تا به امروز هیچ زبانی به لحاظ عمل طراحی که بین تمام رشته‌های درگیر در CPS مشترک باشد، وجود ندارد. امروز در یک بازار که در آن نوآوری سریع ضروری است، مهندسین تمام رشته‌ها باید قادر به کشف سیستم طرح‌های همکاری، تخصیص مسئولیت‌ها به نرم‌افزار و عناصر فیزیکی، تجزیه و تحلیل و سبک سنگین کردن بین آنها باشد. پیشرفت‌های اخیر نشان می‌دهد که رشته‌های جفت با استفاده از co-simulation اجازه خواهد داد که رشته‌ها بدون اجرای ابزار جدید یا روش‌های طراحی همکاری کنند. پروژهٔ MODELISAR نشان می‌دهد که این رویکرد با پیشنهاد یک استاندارد جدید برای co-simulation در قالب رابط Mock-up کاربردی قابل دوام است.
طراحی و استقرار یک سیستم تولید فیزیکی سایبری می‌تواند بر اساس معماری 5C (اتصال، تبدیل، سایبر، شناخت و پیکربندی) انجام شود. در سطح «ارتباط»، دستگاه‌ها را می‌توان طوری طراحی کرد که برای رفتار با خودش خود متصل و خود سنجش باشد. در سطح «تبدیل»، داده‌ها از دستگاه‌های خود متصل شده و سنسورها برای اندازه‌گیری ویژگی‌های مسائل مهم با قابلیت خودآگاهی استفاده می‌شوند، دستگاه می‌تواند از اطلاعات خودآگاهی برای خود پیش بینی آن مسائل بالقوه استفاده کند. در سطح «سایبر» هر دستگاه در حال ایجاد «جفت» خودش با استفاده از این ویژگی‌های ابزارها و بیشتر الگوی سلامت ماشین مبتنی بر یک روش «ماشین زمان» را مشخص می‌کند. «جفت» ایجاد شده در فضای سایبر می‌تواند خودمقایسه را برای اجرای نظیر به نظیر برای بیشتر ترکیب‌ها اجرا کند. در سطح «شناخت» نتایج خود ارزیابی به کاربران بر اساس «اینوگرافیک» ارائه خواهد شد که به معنی نشان دادن محتوا و زمینه مسائل بالقوه است. در سطح «پیکربندی» دستگاه یا سیستم تولید می‌تواند پیکربندی مجدد را بر اساس اولویت و معیار خطر برای رسیدن به عملکرد انعطاف‌پذیر انجام دهد.

اهمیت

بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF) سیستم‌های فیزیکی سایبری را به عنوان یک حوزهٔ کلیدی تحقیق مشخص کرده است. شروع آن در اواخر سال ۲۰۰۶، NSF و دیگر نمایندگان فدرال ایالات متحده چندین کارگاه آموزشی در مورد سیستم‌های فیزیکی سایبری را حمایت کردند.