Киберфизические системы

Киберфизические системы (cyber-physical system - CPS) являются системами, обладающими неразрывной связью между входящими в них вычислительными и физическими элементами. Сегодня представители киберфизических систем могут быть найдены в самых разнообразных областях - это космос, автомобильные, химическая технология, гражданская инфраструктура, энергетика, здравоохранение, производство, транспорт, и потребительские устройства. Этот класс систем часто рассматривается как встроенные системы. Во встроенных системах акцент делается больше на вычислительных элементах, и меньше на неразрывной взаимосвязи между вычислительными и физическими компонентами системы.
В отличие от более традиционных встраиваемых систем, CPS обычно изначально разрабатываются как сеть сравнительно автономных взаимодействующих элементов с физическими входами и выходами, а не как отдельное автономное устройство. /1/
Это понятие близко связано с понятием робототехники и сенсорных сетей. Можно ожидать, что в ближайшие годы продолжающиеся усовершенствования в науке и технике увеличат связь между вычислительными и физическими элементами технических систем, существенно увеличивая адаптивность, автономность, эффективность, функциональность, надежность, безопасность, и удобство пользования таких систем. Усовершенствования расширят потенциал киберфизических систем в нескольких направлениях, включая:

  • вмешательство (предотвращение столкновений);
  • точность (автоматизированная хирургия и производство наноуровня); работа в опасных или недоступных средах (поиск и спасение, тушение пожаров, глубоководные исследования);
  • координация (диспетчеризация, военная техника);
  • энергоэффективность (энергопассивные здания и сооружения);
  • расширение способностей человека (медицина и транспорт). /2/

Национальный научный фонд США (NSF) определил киберфизические системы как ключевую область исследований. /3/ В конце 2006 г. NSF и другие федеральные агентства США спонсировали несколько семинаров и конференций по киберфизическим системам. /4/ /5/ /6/ /7/ /8/ /9/ /10/ /11/

Мобильные киберфизические системы

Мобильные кибер физические системы, у физической части которых есть собственная мобильность, являются важной подкатегорией кибер физических систем. Примеры мобильных физических систем включают мобильную робототехнику и бортовую электронику. Повышение популярности смартфонов увеличило интерес к области мобильных кибер физических систем. Платформы для смартфонов позволяют строить почти идеальные мобильные кибер физические системы по ряду причин:

  • собственные вычислительные ресурсы, хранение данных
  • возможность присоединения устройств ввода-вывода, таких как сенсорные экраны, камеры, микросхемы GPS, динамики, микрофон, светочувствительные датчики, датчики близости и т.д.
  • наличие коммуникационных механизмов, таких как WiFi, 3G, EDGE, Bluetooth для для связи между устройствами и доступа в Интернет
  • высокоуровневые языки программирования, которые включают возможности быстрой разработке мобильного программного обеспечения узла CPS, такого как Java, Objective C, или C#
  • доступные механизмы распространения приложений, такие как Android Market и App Store Apple

Примеры

Общее применение CPS обычно подпадает под основанные на датчиках системы сбора данных и автономные системы. Например, много беспроводных сенсорных сетей контролируют некоторый аспект среды и передают обработанную информацию к центральному узлу. Другие типы CPS включают автономные автомобильные системы, медицинский контроль, системы управления техпроцессом, распределенную робототехнику, авионику.
Реальный пример такой системы - Distributed Robot Garden at MIT, в котором команда роботов ухаживает за садом томатных плантаций. Эта система комбинирует диспетчеризацию (каждый завод оборудован узлом датчиков, контролирующих его состояние), навигацию, манипулирование и беспроводные сети.
Другой пример - продолжающийся проект [http://cartel.csail.mit.edu/|CarTel] MIT где парк такси, собирает информацию о дорожном трафике в реальном времени в Бостоне. Вместе накопленными данными, эта информация используется для того, чтобы определить самые быстрые маршруты по городу в заданное время дня.

Киберфизическое ообщество

Недавно, идеи киберфизического общества привлекли значительное внимание. /18/ /19/ /20/ Это касается не только киберпространства и физического пространства, но также и людей, знаний, общества и культуры. /[21/ Его также называют "кибер физическим социальным пространством". /22/
Идея объединить киберпространство, физическое пространство и общество появилась в 2004 и 2005. Цель состоит в том, чтобы создать будущую среду с расширенными возможностями. /23/ /24/
Первое определение киберфизического общества появилось в 2010 /20/ /25/ и звучало примерно так: киберфизическое общество - многомерное сложное пространство, которое генерирует и развивает разнообразные подпространства, с тем чтобы включать в себя различные типы людей, взаимодействующих и влияющих друг на друг друга непосредственно или через кибер, физическое, социальное и культурные подпространства. Индивидуальности и социальные роли сосуществуют и гармонично развиваются, обеспечиваются при необходимости соответствующей информацией, знаниями и поддержкой, преобразовываются от одной формы в другую, взаимодействуют друг с другом через различные связи, и самоорганизуются согласно социально значимым цепочкам. Это гарантирует здоровую и значимую жизнь людей, и поддерживает разумный уровень индивидуальных расширений людей в свете полной самореализации, материального достатка, знания.
В 2011 была расширена идея киберфизического общества. [26]. Умственное пространство, физиологическое пространство и психологическое пространство теперь считают входящими в киберфизическое социопространство, что обеспечивает поддержку киберфизического социоинтеллекта.

Ссылки

  1. Lee, Edward (January 23, 2008). Cyber Physical Systems: Design Challenges. University of California, Berkeley Technical Report No. UCB/EECS-2008-8. Retrieved 2008-06-07.
  2. "Cyber-physical systems". Program Announcements & Information. The National Science Foundation, 4201 Wilson Boulevard, Arlington, Virginia 22230, USA. 2008-09-30. Retrieved 2009-07-21.
  3. Wolf, Wayne (November 2007). "The Good News and the Bad News (Embedded Computing Column". IEEE Computer. doi:10.1109/MC.2007.404.
  4. "NSF Workshop On Cyber-Physical Systems". Retrieved 2008-06-09.
  5. "Beyond SCADA: Networked Embedded Control for Cyber Physical Systems". Retrieved 2008-06-09.
  6. "NSF Cyber-Physical Systems Summit". Retrieved 2008-08-01.
  7. "National Workshop on High-Confidence Automotive Cyber-Physical Systems". Retrieved 2008-08-03.
  8. "National Workshop on Composable and Systems Technologies for High-Confidence Cyber-Physical Systems,". Retrieved 2008-08-04.
  9. "National Workshop on High-Confidence Software Platforms for Cyber-Physical Systems (HCSP-CPS),". Retrieved 2008-08-04.
  10. "New Research Directions for Future Cyber-Physical Energy Systems". Retrieved 2009-06-05.
  11. "Bridging the Cyber, Physical, and Social Worlds". Retrieved 2011-02-25.
  12. White, Jules Clarke, S., Dougherty, B., Thompson, C., and Schmidt, D.. "R&D Challenges and Solutions for Mobile Cyber-Physical Applications and Supporting Internet Services". Springer Journal of Internet Services and Applications. Retrieved 2011-02-21.
  13. J. Froehlich, T. Dillahunt, P. Klasnja, J. Mankoff, S. Consolvo, B. Harrison, and J. Landay, “UbiGreen: investigating a mobile tool for tracking and supporting green transportation habits,” in Proceedings of the 27th international conference on Human factors in computing systems. ACM, 2009, pp. 1043–1052.
  14. C. Thompson, J. White, B. Dougherty, and D. Schmidt, “Optimizing Mobile Ap- plication Performance with Model-Driven Engineering,” in Proceedings of the 7th IFIP Workshop on Software Technologies for Future Embedded and Ubiquitous Sys- tems, 2009
  15. W. Jones, “Forecasting traffic flow,” IEEE Spectrum, vol. 38, no. 1, pp. 90–91, 2001.
  16. G. Rose, “Mobile phones as traffic probes: practices, prospects and issues,” Trans- port Reviews, vol. 26, no. 3, pp. 275–291, 2006
  17. P. Leijdekkers and V. Gay, “Personal heart monitoring and rehabilitation system using smart phones,” in Proceedings of the International Conference on Mobile Business. Citeseer, 2006, p. 29
  18. Zhuge, H. (2010). "Interactive Semantics". Artificial Intelligence 174: 190–204.
  19. H.Zhuge and Y.Xing, "Probabilistic Resource Space Model for Managing Resources in Cyber-Physical Society," IEEE Transactions on Service Computing, http://doi.ieeecomputersociety.org/10.1109/TSC.2011.12.
  20. a b H.Zhuge, "Cyber Physical Society," the 1st Workshop on Cyber Physical Society, in conjunction with the 6th International Conference on Semantics, Knowledge and Grids, Ningbo, China, 2010.
  21. The Cyber-Physical Society website, http://www.knowledgegrid.net/~H.Zhuge/CPS.htm.
  22. Zhuge, H. (2011). "Semantic linking through spaces for cyber-physical-socio intelligence: A methodology". Artificial Intelligence 175: 988–1019.
  23. H.Zhuge and X. Shi, "Toward the Eco-grid: A Harmoniously Evolved Interconnection Environment." Communications of the ACM, 47(9)(2004)78-83.
  24. H.Zhuge, "The Future Interconnection Environment," IEEE Computer, 38(4)(2005)27-33.
  25. H. Zhuge, "Socio-Natural Thought Semantic Link Network: A Method of Semantic Networking in the Cyber Physical Society." Keynote at IEEE AINA 2010. In Proceedings of the 24th IEEE Advanced Information Networking and Applications, pp.19-26, Perth, Australia, April 20–23, 2010.
  26. Zhuge, H. (2011). "Semantic linking through spaces for cyber-physical-socio intelligence: A methodology". Artificial Intelligence 175: 988–1019.