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Sistema ciberfísico

Los sistemas ciberfísicos ( CPS ) son integraciones de computación con procesos físicos. [1] En los sistemas ciberfísicos, los componentes físicos y de software están profundamente entrelazados, son capaces de operar en diferentes escalas espaciales y temporales , exhiben modalidades de comportamiento múltiples y distintas e interactúan entre sí de maneras que cambian con el contexto. [2] [3] CPS implica enfoques transdisciplinarios , fusionando la teoría de la cibernética , la mecatrónica , el diseño y la ciencia de procesos. [4] [5] [6] [7] El control de procesos a menudo se denomina sistemas integrados . En los sistemas integrados, el énfasis tiende a estar más en los elementos computacionales y menos en un vínculo intenso entre los elementos computacionales y físicos. 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] [8]

Ejemplos de CPS incluyen redes inteligentes , sistemas de automóviles autónomos , monitoreo médico , sistemas de control industrial , sistemas robóticos , reciclaje [4] y aviónica de piloto automático . [3] [9] Los precursores de los sistemas ciberfísicos se pueden encontrar en áreas tan diversas como la aeroespacial, la automoción, los procesos químicos, la infraestructura civil, la energía, la atención sanitaria, la fabricación, el transporte, el entretenimiento y los electrodomésticos. [4] [9]

Descripción general

A diferencia de los sistemas integrados más tradicionales , un CPS completo suele diseñarse como una red de elementos que interactúan con entradas y salidas físicas en lugar de como dispositivos independientes. [5] 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. [10] Esto ampliará el potencial de los sistemas ciberfísicos en varias direcciones, incluyendo: 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 del tráfico aéreo , lucha bélica); eficiencia (por ejemplo, edificios de energía neta cero ); y aumento de las capacidades humanas (por ejemplo, en el seguimiento y prestación de atención sanitaria). [11]

Sistemas ciberfísicos móviles

Los sistemas ciberfísicos móviles, en los que el sistema físico en estudio tiene movilidad inherente, son una subcategoría destacada de los sistemas ciberfísicos. Ejemplos de sistemas físicos móviles incluyen la robótica y la electrónica móviles transportadas por humanos o animales. El aumento de la popularidad de los teléfonos inteligentes ha aumentado el interés en el ámbito de los sistemas ciberfísicos móviles. Las plataformas de teléfonos inteligentes son sistemas ciberfísicos móviles ideales por varias razones, entre ellas:

Para tareas que requieren más recursos de los 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 limitaciones de recursos locales. [13] Ejemplos de sistemas ciberfísicos móviles incluyen aplicaciones para rastrear y analizar emisiones de CO 2 , [14] detectar accidentes de tráfico, telemática de seguros [15] y proporcionar servicios de conciencia situacional a los primeros intervinientes, [16] [17] medir el tráfico, [18] y monitorear a los pacientes cardíacos. [19]

Ejemplos

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 , [20] sistemas automotrices autónomos, monitoreo médico, sistemas de control de procesos , robótica distribuida, reciclaje [4] y aviónica de piloto automático.

Un ejemplo del mundo real de un sistema de este tipo es el Distributed Robot Garden del MIT en el que un equipo de robots cuida 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 conexión en red inalámbrica . [21]

Un enfoque en los aspectos del sistema de control de CPS que impregnan la infraestructura crítica se puede encontrar en los esfuerzos del Laboratorio Nacional de Idaho y sus colaboradores que investigan sistemas de control resilientes . Este esfuerzo adopta un enfoque holístico para el diseño de próxima generación y considera los aspectos de resiliencia que no están bien cuantificados, como la seguridad cibernética, [22] la interacción humana y las interdependencias complejas.

Otro ejemplo es el proyecto CarTel del MIT, en el que una flota de taxis recopila información sobre el 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 una hora determinada del día. [23]

Los CPS también se utilizan en redes eléctricas para realizar un control avanzado, especialmente en el contexto de redes inteligentes para mejorar la integración de la generación renovable distribuida. Se necesita un plan de medidas correctivas especiales para limitar los flujos de corriente en la red cuando la generación de los parques eólicos es demasiado alta. Los CPS distribuidos son una solución clave para este tipo de problemas [24]

En la industria, los sistemas ciberfísicos potenciados por las tecnologías de la nube han dado lugar a enfoques novedosos [25] [26] [27] 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. demostrado.

Diseño

Un desafío en el desarrollo de sistemas integrados y ciberfísicos son las grandes diferencias en la práctica de 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 poder explorar diseños de sistemas de manera colaborativa, asignando responsabilidades al software y a los elementos físicos, y analizando las compensaciones entre ellos. Los avances recientes muestran que acoplar disciplinas mediante el uso de cosimulación permitirá que las disciplinas cooperen sin imponer nuevas herramientas o métodos de diseño. [28] Los resultados del proyecto MODELISAR muestran que este enfoque es viable al proponer un nuevo estándar para la cosimulación en forma de interfaz de maqueta funcional .

Importancia

La Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF) ha identificado los sistemas ciberfísicos como un área clave de investigación. [29] A partir de finales de 2006, la NSF y otras agencias federales de los Estados Unidos patrocinaron varios talleres sobre sistemas ciberfísicos. [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38]

Ver también

Referencias

  1. ^ Lee, Edward A. "Sistemas ciberfísicos: desafíos de diseño". XI Simposio IEEE sobre Computación distribuida en tiempo real orientada a objetos (ISORC) .
  2. ^ "Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., Sistemas ciberfísicos (CPS)"
  3. ^ ab Hu, J.; Lennox, B.; Arvin, F., "Control de formación robusto para sistemas robóticos en red que utilizan dinámica imaginaria negativa" Automatica, 2022.
  4. ^ abcde Patil T., Rebaioli L., Fassi I., "Sistemas ciberfísicos para la gestión del final de su vida útil de placas de circuito impreso y productos mecatrónicos en la domótica: una revisión" Materiales y tecnologías sostenibles, 2022.
  5. ^ ab Hu, J.; Niu, H.; Carrasco, J.; Lennox, B.; Arvin, F., "Navegación cooperativa tolerante a fallas de enjambres de vehículos aéreos no tripulados en red para el monitoreo de incendios forestales" Ciencia y tecnología aeroespaciales, 2022.
  6. ^ Hancu, O.; Maties, V.; Balan, R.; Stan, S. (2007). "Enfoque mecatrónico para el diseño y control de un robot paralelo hidráulico de 3 grados de libertad". El 18.º Simposio Internacional DAAAM, "Fabricación y automatización inteligentes: enfoque en la creatividad, la responsabilidad y la ética de los ingenieros" .
  7. ^ Suh, SC, Carbone, JN, Eroglu, AE: Sistemas ciberfísicos aplicados. Saltador, 2014.
  8. ^ Rad, Ciprian-Radu; Hancu, Olimpiu; Takacs, Ioana-Alexandra; Olteanu, Gheorghe (2015). "Monitoreo inteligente del cultivo de papa: un modelo de arquitectura de sistema ciberfísico en el campo de la agricultura de precisión". Conferencia Agricultura para la Vida, Vida para la Agricultura . 6 : 73–79.
  9. ^ ab Khaitan et al., "Técnicas de diseño y aplicaciones de sistemas ciberfísicos: una encuesta", IEEE Systems Journal, 2014.
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  11. ^ "Sistemas ciberfísicos". Anuncios e información del programa . Fundación Nacional de Ciencias, 4201 Wilson Boulevard, Arlington, Virginia 22230, EE. UU. 2008-09-30 . Consultado el 21 de julio de 2009 .
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Otras lecturas

enlaces externos