Far progredire i sistemi ciberfisici autonomi intelligenti
I sistemi ciberfisici (CPS, Cyber-physical system) si situano al crocevia tra il mondo cibernetico e quello fisico. Dai veicoli autonomi ai sistemi di reti intelligenti, i CPS sono alla base di molte delle tecnologie critiche per la sicurezza su larga scala che definiranno il nostro futuro. In quanto sistemi integrati con capacità di comunicazione, i CPS vengono sfruttati per monitorare e controllare il mondo fisico e i processi associati. Essi creano circuiti di retroazione in cui i processi fisici e i calcoli si influenzano a vicenda. Tuttavia, nonostante questo potenziale, lo sviluppo dei CPS rimane limitato, con diverse sfide che devono essere affrontate. «Mentre la crescente adozione dei CPS ha portato a una generale maturazione delle soluzioni disponibili per il loro sviluppo, manca un approccio coerente e consolidato per la loro integrazione», afferma Claudio Pastrone, responsabile dell’area di ricerca IoT e Pervasive Technologies della Fondazione LINKS, un centro italiano di ricerca e innovazione, e coordinatore del progetto CPSwarm, finanziato dall’UE. «Di conseguenza, lo sviluppo dei CPS rimane un compito complesso e soggetto a errori, che spesso richiede l’uso di molti strumenti diversi.» Per affrontare questa difficoltà, il progetto CPSwarm ha semplificato il processo di integrazione dei CPS in «sciami». Gli sciami di CPS sono branchi complessi di CPS eterogenei che collaborano sulla base di politiche locali. Sono collettivamente in grado di risolvere problemi complessi, di natura industriale e del mondo reale, che possono implicare l’interazione umana.
Progettazione incentrata sui modelli e ingegneria predittiva
L’obiettivo di CPSwarm era quello di sviluppare gli strumenti e gli approcci per aprire la strada a catene di strumenti e metodologie di progettazione ingegneristica predittive, basate su modelli e ben consolidate, per la prossima generazione di CPS. Per fare questo, i ricercatori hanno costruito una suite di soluzioni, che includono l’intelligenza artificiale e le tecniche dell’Internet degli oggetti (IoT), che facilitano lo sviluppo di CPS autonomi e collaborativi. Sono stati presi in considerazione anche gli aspetti relativi alla comunicazione, alla sicurezza e alla protezione. «La progettazione incentrata sui modelli è al centro del progetto CPSwarm, il cui obiettivo era quello di creare una libreria di modelli riutilizzabili per la progettazione di CPS», spiega Pastrone. «Altro pilastro del progetto è l’ingegneria predittiva, che consente la verifica del modello e la simulazione del comportamento di un CPS collaborativo e autonomo rispetto ai dati fisici reali e difficili da gestire».
Un ambiente di progettazione e simulazione
Il risultato di questo lavoro è stato il Workbench CPSwarm, un vero e proprio ambiente di progettazione e simulazione a supporto della progettazione di CPS iterativa, assistita da computer e basata su modelli. Il Workbench contiene una serie di strumenti e soluzioni, tra cui uno strumento di modellazione che consente all’utente di modellare i componenti e il comportamento dello sciame CPS, nonché le caratteristiche dell’ambiente. Altre soluzioni chiave includono una libreria di modellazione, un ambiente di simulazione e ottimizzazione, un generatore di codici e uno strumento di implementazione. Secondo Pastrone, con questi strumenti un progettista può impostare CPS collaborativi e autonomi, testare le prestazioni dello sciame nel rispetto dell’obiettivo di progettazione e implementare in modo massiccio soluzioni verso dispositivi CPS riconfigurabili. «Il Workbench CPSwarm rappresenta un passo avanti nell’ingegneria CPS su larga scala, grazie al quale si prevede una significativa riduzione dei tempi e dei costi di sviluppo», aggiunge.
Testato nel mondo reale
Nel corso del progetto, le soluzioni CPSwarm sono state testate in tre casi d’uso reali. «I test dimostrano chiaramente che la metodologia basata su modelli da noi proposta può aiutare a progettare e sviluppare un’applicazione di sciame CPS», conclude Pastrone. «L’utilizzo del Workbench CPSwarm riduce drasticamente il tempo necessario per sviluppare un’applicazione basata su sciami di CPS». Il progetto ha rilasciato come open source il Workbench, disponibile gratuitamente per le comunità di CPS e di robotica.
Parole chiave
CPSwarm, sistemi ciberfisici, CPS, veicoli autonomi, rete intelligente, IoT, Internet degli oggetti, sciami CPS, ingegneria predittiva
