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Sistema ciberfísico

Los sistemas ciberfísicos ( CPS ) son sistemas de control que integran procesos físicos y computacionales, con computadoras y redes integradas que monitorean y controlan sistemas físicos en tiempo real. [1] En los sistemas ciberfísicos, los componentes físicos y de software están profundamente entrelazados, capaces de 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. [2] [3] Los CPS involucran 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 conoce como 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. Los CPS también son similares a la Internet de las cosas (IoT), compartiendo la misma arquitectura básica; sin embargo, los CPS presentan una mayor combinación y coordinación entre elementos físicos y computacionales. [4] [8]

Los 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 automotriz, los procesos químicos, la infraestructura civil, la energía, la atención médica, la fabricación, el transporte, el entretenimiento y los electrodomésticos. [4] [9]

Descripción general

A diferencia de los sistemas integrados más tradicionales , un CPS completo se diseña típicamente como una red de elementos que interactúan con entrada y salida 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 que lideran el camino. Los avances continuos en ciencia e ingeniería mejoran el vínculo entre elementos computacionales y físicos por medio de 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 , combates); eficiencia (por ejemplo, edificios de energía neta cero ); y aumento de las capacidades humanas (por ejemplo, en el monitoreo y la prestación de atención médica). [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. Entre los ejemplos de sistemas físicos móviles se incluyen la robótica móvil y los dispositivos electrónicos transportados por seres 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 diversas razones, entre ellas:

Para las tareas que requieren más recursos de los que están disponibles localmente, un mecanismo común para la rápida implementación 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. [13] Los ejemplos de sistemas ciberfísicos móviles incluyen aplicaciones para rastrear y analizar emisiones de CO2, [ 14] detectar accidentes de tráfico, telemática de seguros [15] y proporcionar servicios de conocimiento de la situación a los socorristas, [16] [17] medir el tráfico, [18] y monitorear pacientes cardíacos. [19]

Ejemplos

Las aplicaciones comunes de los CPS suelen enmarcarse en los sistemas autónomos basados ​​en sensores que permiten la comunicación. Por ejemplo, muchas redes de sensores inalámbricos monitorizan algún aspecto del entorno y transmiten la información procesada a un nodo central. Otros tipos de CPS incluyen redes inteligentes , [20] sistemas automotrices autónomos, monitorización médica, sistemas de control de procesos , robótica distribuida, reciclaje [4] y aviónica de piloto automático.

Un ejemplo 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 tomates. Este sistema combina detección distribuida (cada planta está equipada con un nodo sensor que monitorea su estado), navegación, manipulación y redes inalámbricas . [21]

En los esfuerzos del Laboratorio Nacional de Idaho y sus colaboradores que investigan sistemas de control resilientes , se puede encontrar un enfoque en los aspectos del sistema de control de los CPS que impregnan la infraestructura crítica . 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 del tráfico en tiempo real en la zona de Boston. Junto con datos históricos, esta información se utiliza para calcular las rutas más rápidas en un momento determinado del día. [23]

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 necesitan esquemas especiales de medidas correctivas para limitar los flujos de corriente en la red cuando la generación de 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 lo demostró el proyecto IMC-AESOP de la Comisión Europea con socios como Schneider Electric , SAP , Honeywell , Microsoft , etc.

Diseño

Un desafío en el desarrollo de sistemas embebidos y ciberfísicos son las grandes diferencias en la práctica de diseño entre las diversas disciplinas de ingeniería involucradas, como la ingeniería de 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 un mercado donde se supone que la innovación rápida es esencial, los ingenieros de todas las disciplinas necesitan poder explorar diseños de sistemas de manera colaborativa, asignando responsabilidades a los elementos físicos y de software y analizando las compensaciones entre ellos. Los avances recientes muestran que el acoplamiento de disciplinas mediante el uso de co-simulación 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 co-simulación en forma de la 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 Estados Unidos patrocinaron varios talleres sobre sistemas ciberfísicos. [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38]

Véase también

Referencias

  1. ^ Lee, Edward A. "Sistemas ciberfísicos: desafíos de diseño". 11º Simposio IEEE sobre Computación Distribuida en Tiempo Real Orientada a Objetos (ISORC) .
  2. ^ "Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, Sistemas ciberfísicos (CPS)"
  3. ^ ab Hu, J.; Lennox, B.; Arvin, F., "Control de formación robusto para sistemas robóticos en red utilizando dinámica imaginaria negativa" Automatica, 2022.
  4. ^ abcde Patil T., Rebaioli L., Fassi I., "Sistemas ciberfísicos para la gestión del fin de vida útil de placas de circuitos impresos 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 UAV en red para el monitoreo de incendios forestales" Ciencia y tecnología aeroespacial, 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". 18.° Simposio Internacional DAAAM, "Fabricación inteligente y automatización: enfoque en la creatividad, la responsabilidad y la ética de los ingenieros" .
  7. ^ Suh, SC, Carbone, JN, Eroglu, AE: Sistemas ciberfísicos aplicados. Springer, 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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Lectura adicional

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