Управление с применением киберфизических систем | Наука

Киберфизические системы (cyber-physical systems - CPS) - системы, основанные на сочетании сенсоров различных физических факторов, исполнительных устройств (механических, электрических и т.д.) и интеллектуальных информационно-управляющих систем.

Сегодня отличительными особенностями киберфизических систем являются цифровая интеграция, возможность параллелизма процессов, наличие восходящих, нисходящих и регулирующих потоков данных.

Структура и особенности

Модель CPS можно представить как агрегацию алгоритмической и структурной составляющих. Как правило, CPS может быть представлена множеством моделей, имеющих одинаковую структурную и разные алгоритмические компоненты. Разработка методов оптимизации разных алгоритмов одной структурной модели является актуальной задачей.

С управленческих позиций CPS представляет собой распределённую субсидиарную систему. Что характерно, на каждом уровне масштаба и сложности системы проявляются свойства, несводимые к свойствам более простых уровней.

В отличие от традиционных систем, CPS разрабатываются как сеть элементов с физическим вводом и выводом, а не как автономные устройства. Понятие CPS тесно связано с концепциями робототехники и сенсорных сетей с интеллектуальными механизмами.

ГВУ и ГСУ киберфизической системы

CPS представляет собой ярко выраженную гетерогенную (неоднородную) систему. Наиболее сложной является алгоритмическая схема обработки информации и её связи между главной системой управления (ГСУ) и главным вычислительным узлом (ГВУ) системы. ГВУ обычно решает две основные задачи: анализ ситуации, в которой находится объект управления; и выработку набора управленческих решений для последующего их принятия в ГСУ. В качестве вспомогательных задач ГВУ занимается оценками соответствия целям управления и эффективности управления. Эти задачи существенно усложняют алгоритм обработки информации в CPS. Их решения так же предоставляются ГСУ.

Архитектура 5С

Проектирование CPS часто выполняют на основе архитектуры 5C (connection, conversion, cyber, cognition, configuration). На уровне “соединение” (“connection”) устройства могут быть сконструированы для самоподключения и самоконтроля. На уровне “конверсия” (“conversion”) данные от устройств измеряют характеристики критических проблем с самосознанием. На уровне “кибер” (“cyber”) каждая машина реплицирует свой “двойник”, используя инструментальные функции, и характеризует шаблон здоровья машины. На уровне “познание” (“cognition”) результаты самооценки машины представляются пользователям, чтобы показать контекст и содержание потенциальных проблем. В итоге, на уровне “конфигурация” (“configuration”) машина может быть переконфигурирована на основе критериев приоритета и риска для достижения максимальной отказоустойчивоти.

Заключение

Применение интеллектуальных механизмов позволит улучшить связь между вычислительными и физическими элементами CPS. Применение интеллектуальных методов в управлении способно увеличить адаптивность, автономность, эффективность, функциональность, надёжность и безопасность киберфизических систем. Это расширит возможности их применения в управлении, включая предотвращение нежелательных ситуаций.

Внедрение CPS сопряжено с дополнительными алгоритмическими трудностями, обусловленными в первую очередь сетевыми проблемами. Например, проблемой является существенная разница в практике проектирования между различными дисциплинами, такими как программное обеспечение и машиностроение. Не существует стандарта, который являлся бы общим для всех дисциплин, задействованных в CPS.

Тем не менее, концепции CPS уже приняты экспертами США, Европы, Японии, Индии и Китая. По предварительным оценкам, переход на концепции CPS приведёт к удвоению ВВП.