Avances en el desarrollo de sistemas ciberfísicos autónomos e inteligentes
Los sistemas ciberfísicos (CPS, por sus siglas en inglés) se ubican en el punto de encuentro entre el mundo cibernético y el mundo físico. Desde vehículos autónomos hasta sistemas de red inteligentes, los CPS están detrás de muchas de las tecnologías críticas a gran escala que definirán nuestro futuro. Al ser sistemas integrados con capacidades de comunicación, los CPS se utilizan para supervisar y controlar el mundo físico y los procesos asociados a él. Crean bucles de retroalimentación en los que los procesos físicos y los cálculos afectan los unos a los otros. Con todo, a pesar de este potencial, el desarrollo de CPS sigue estando limitado y presenta varios retos a los que se debe hacer frente. «Aunque el aumento de la adopción de CPS ha conseguido una madurez general de las tecnologías disponibles para el desarrollo de CPS, carecemos de un enfoque coherente y consolidado para su integración», comenta Claudio Pastrone, jefe del equipo de investigación del internet de las cosas (IdC) y tecnologías ubicuas en LINKS Foundation, un centro de investigación e innovación de Italia, y coordinador del proyecto CPSwarm, financiado con fondos europeos. «Como resultado, el desarrollo de CPS sigue siendo una tarea compleja y propensa a errores que, con frecuencia, requiere el uso de muchas herramientas diferentes». A fin de hacer frente a este desafío, el proyecto CPSwarm ha simplificado el proceso de integración de los CPS en «enjambres». Los enjambres de CPS son grupos complejos de CPS heterogéneos que colaboran basándose en políticas locales. En conjunto, son capaces de resolver problemas industriales complejos reales que pueden requerir interacción humana.
Un diseño centrado en modelos e ingeniería predictiva
El objetivo de CPSwarm fue desarrollar las herramientas y los enfoques que sentarán las bases para unas metodologías y cadenas de herramientas de diseño de ingeniería predictiva bien consolidadas y basadas en modelos para la siguiente generación de CPS. Para lograrlo, los investigadores desarrollaron un conjunto de tecnologías que incluía técnicas de inteligencia artificial y de IdC y que facilitaba el desarrollo de CPS autónomos y colaborativos. También se tuvieron en consideración aspectos relacionados con la comunicación y la seguridad. «El proyecto CPSwarm, cuya finalidad era crear una biblioteca de modelos reutilizables para el diseño de CPS, giraba en torno al diseño centrado en modelos», explica Pastrone. «Otro de los pilares del proyecto es la ingeniería predictiva, que permite verificar los modelos y simular el comportamiento colaborativo y autónomo de los CPS comparándolo con el mundo real y con datos físicos complejos».
Un entorno de diseño y simulación
De este trabajo nació CPSwarm Workbench, un entorno de diseño y simulación totalmente funcional que respalda el diseño iterativo, asistido por ordenador y basado en modelos de CPS. Workbench contiene un conjunto de herramientas y aplicaciones, incluida una herramienta de modelización que permite al usuario modelizar miembros y conductas de enjambre de los CPS, así como características del entorno. Entre otras soluciones fundamentales se incluyen una biblioteca de modelos, un entorno de simulación y optimización, un generador de código y una herramienta de despliegue. Según Pastrone, con estas herramientas, un diseñador puede configurar CPS colaborativos y autónomos, probar el rendimiento del enjambre en relación con el objetivo de diseño y desplegar soluciones de forma masiva para lograr dispositivos CPS reconfigurables. «CPSwarm Workbench supone un cambio radical en la ingeniería de CPS a gran escala y se espera una reducción considerable de los tiempos y los gastos de desarrollo», añade.
Probado en escenarios reales
Durante el proyecto, las soluciones de CPSwarm se probaron en tres casos de uso reales. «Estas pruebas demostraron con claridad que nuestra metodología basada en modelos puede ayudar a diseñar y desarrollar una aplicación de enjambre de CPS», concluye Pastrone. «Gracias a CPSwarm Workbench, se reduce drásticamente el tiempo necesario para desarrollar una aplicación basada en enjambres de CPS». El proyecto ha presentado Workbench como código libre y está disponible gratuitamente para las comunidades de robótica y CPS.
Palabras clave
CPSwarm, sistemas ciberfísicos, CPS, vehículos autónomos, red inteligente, IdC, internet de las cosas, enjambres de CPS, ingeniería predictiva
