Faire progresser les systèmes cyber-physiques intelligents et autonomes
Les systèmes cyber-physiques ou CPS se situent au carrefour des mondes cybernétique et physique. Des véhicules autonomes aux systèmes de réseaux intelligents, les CPS sont à l’origine de nombreuses technologies de grande envergure, critiques pour notre sécurité et qui définiront notre avenir. En tant que systèmes embarqués dotés de capacités de communication, les CPS sont utilisés pour surveiller et contrôler le monde physique et les phénomènes qui y sont associés. Ils créent des boucles de rétroaction où les processus physiques et les calculs s’influencent mutuellement. Pourtant, malgré ce potentiel, le développement des CPS reste limité, et plusieurs défis doivent encore être relevés. «Alors que l’augmentation de l’adoption des CPS a entraîné une maturation générale des solutions disponibles pour leur développement, nous manquons d’une approche cohérente et consolidée pour leur intégration», déclare Claudio Pastrone, responsable de l’IdO et de la recherche sur les technologies diffusantes auprès de la LINKS Foundation, un centre italien de recherche et d’innovation, et coordinateur du projet CPSwarm financé par l’UE. «De ce fait, le développement des CPS reste une tâche complexe et sujette aux erreurs, qui nécessite souvent l’utilisation de nombreux outils différents.» Pour relever ce défi, le projet CPSwarm a simplifié le processus d’intégration des CPS en «essaims». Les essaims de CPS sont des ensembles complexes de CPS hétérogènes qui collaborent en fonction des règles locales. Ils sont collectivement capables de résoudre des problèmes complexes liés à l’industrie dans le monde réel et susceptibles d’impliquer une interaction humaine.
Conception centrée sur le modèle et ingénierie prédictive
L’objectif de CPSwarm était de développer les instruments et les approches qui ouvriront la voie à des méthodologies et à des chaînes d’outils de conception d’ingénierie prédictive bien établies et basées sur des modèles, pour la prochaine génération de CPS. Pour ce faire, les chercheurs ont mis au point une série de solutions, incluant notamment des techniques basées sur l’intelligence artificielle et l’Internet des objets (IdO), qui facilitent le développement de CPS autonomes et collaboratifs. Les aspects liés à la communication, à la sécurité et à la sûreté ont également été pris en compte. «La conception centrée sur le modèle est au cœur du projet CPSwarm, qui entendait établir une bibliothèque de modèles réutilisables pour la conception de CPS», explique Claudio Pastrone. «L’ingénierie prédictive est un autre pilier du projet. Elle permet de vérifier les modèles et de simuler le comportement des CPS autonomes et collaboratifs par rapport à des données physiques réelles et difficiles à manipuler.»
Un environnement de conception et de simulation
De ce travail est né le CPSwarm Workbench, un environnement de conception et de simulation à part entière destiné à soutenir une conception des CPS à la fois itérative, assistée par ordinateur et basée sur des modèles. Le Workbench contient un ensemble d’outils et de solutions, dont un instrument de modélisation qui permet à l’utilisateur de simuler les membres et le comportement des essaims de CPS, ainsi que les caractéristiques de l’environnement. Parmi les autres solutions clés on compte une bibliothèque de modélisation, un environnement de simulation et d’optimisation, un générateur de code et un outil de déploiement. Selon Claudio Pastrone, grâce à ces outils, un concepteur est capable de développer des CPS collaboratifs et autonomes, de tester les performances de l’essaim par rapport à l’objectif de conception et de déployer massivement des solutions dans le cadre de dispositifs CPS reconfigurables. «Le CPSwarm Workbench représente un progrès majeur dans l’ingénierie des CPS à grande échelle, et on s’attend à une réduction significative du temps et des coûts de développement», ajoute-t-il.
Testé dans le monde réel
Au cours du projet, les solutions CPSwarm ont été testées dans trois cas d’utilisation réels. «Les tests démontrent clairement que la méthodologie basée sur des modèles que nous proposons peut aider à concevoir et à développer une application CPS en essaim», conclut Claudio Pastrone. «L’utilisation du CPSwarm Workbench réduit considérablement le temps nécessaire pour développer une application reposant sur des essaims de CPS.» Le projet a publié le Workbench en source ouverte, et il est disponible gratuitement pour les communautés CPS et robotique.
Mots‑clés
CPSwarm, systèmes cyber-physiques, CPS, véhicules autonomes, réseaux intelligents, IdO, Internet des Objets, essaims de CPS, ingénierie prédictive
