Rozwijanie inteligentnych autonomicznych systemów cyberfizycznych
Systemy cyberfizyczne (ang. cyber-physical systems, CPS) funkcjonują na granicy światów cyfrowego i fizycznego. Znajdziemy je w układach pojazdów autonomicznych i inteligentnych sieciach energetycznych oraz w licznych wielkoskalowych technologiach o kluczowym znaczeniu w zakresie bezpieczeństwa. Można z całą pewnością stwierdzić, że systemy CPS będą definiować naszą przyszłość. Jako systemy osadzone, mające możliwość komunikowania się, systemy CPS są wykorzystywane do monitorowania i sterowania urządzeniami w świecie fizycznym oraz procesami, w których urządzenia te są stosowane. Dzięki nim możliwe staje się tworzenie pętli sprzężenia zwrotnego, w których wykorzystuje się naprzemiennie wyniki procesów fizycznych i obliczeń do sterowania obiema tymi gałęziami danych. Mimo niewątpliwego potencjału, jaki kryje się w systemach CPS, ich rozwój nadal jest ograniczony czynnikami, które wymagają poświęcenia im większej uwagi. Claudio Pastrone, stojący na czele działu IoT i badań dotyczących dominujących technologii w fundacji LINKS Foundation, włoskim ośrodku badań i innowacji, oraz pełniący funkcję koordynatora finansowanego ze środków UE projektu CPSwarm mówi: „Wprawdzie rozpowszechnienie zastosowań systemów CPS doprowadziło do ogólnego rozwoju rozwiązań niezbędnych do dalszej pracy nad nimi, nadal brak nam spójnego i skonsolidowanego podejścia do ich integracji. W efekcie rozwijanie systemów CPS nadal jest zadaniem złożonym i niosącym ze sobą znaczne ryzyko popełnienia błędu, bardzo często też wymagającym stosowania wielu różnych narzędzi”. Aby zmierzyć się z tym problemem, w ramach projektu CPSwarm przeprowadzono uproszczenie procesu integracji systemów CPS w „roje”. Roje systemów CPS to złożone grupy niejednorodnych systemów CPS współpracujących ze sobą zgodnie z określonymi lokalnie zasadami. Wspólnie są w stanie rozwiązywać skomplikowane, występujące faktycznie problemy wynikające z założeń przemysłowych, które mogą wymagać działań człowieka.
Projekt wyrastający z modelu i inżynieria predykcyjna
Celem projektu CPSwarm było opracowanie narzędzi i podejścia, które pozwoliłyby przygotować bazę do tworzenia dobrze ugruntowanych metodologii projektowania modelowego na potrzeby inżynierii predykcyjnej oraz zestawów narzędzi typu „toolchain”, które w przyszłości będą służyć do opracowywania nowych generacji systemów CPS. W tym celu badacze stworzyli pakiet rozwiązań, w tym sztuczną inteligencję oraz techniki Internetu rzeczy (IoT), które ułatwiają rozwój autonomicznych i współpracujących ze sobą systemów CPS. Rozwiązania te uwzględniają także aspekty związane z komunikacją, zabezpieczeniami i bezpieczeństwem. Pastrone wyjaśnia: „Koncepcja projektowania wyrastającego z modelu to trzon projektu CPSwarm, którego celem jest przygotowanie biblioteki modeli wielokrotnego użytku, z których będzie można korzystać podczas prac nad systemami CPS. Drugim filarem projektu jest inżynieria predykcyjna. Umożliwia ona weryfikację modelu i prowadzenie symulacji zachowań autonomicznych, współpracujących ze sobą systemów CPS w obliczu danych zebranych w warunkach rzeczywistych oraz pochodzących z analizy trudnych do rozwiązania przypadków”.
Środowisko projektowe i symulacyjne
Efektem prac zespołu jest warsztat CPSwarm Workbench, czyli w pełni rozwinięte środowisko pozwalające projektować i prowadzić symulacje, których wyniki posłużą do iteracyjnego, wspomaganego komputerowo projektowania modelowego systemów CPS. Warsztat ten zawiera zestaw narzędzi i rozwiązań, w tym narzędzia do modelowania, które umożliwią użytkownikowi modelowanie składników roju systemu CPS oraz ich zachowań, a także scharakteryzowanie środowiska ich pracy. Do innych istotnych rozwiązań można zaliczyć bibliotekę modelowania, środowisko symulacji i optymalizacji, generator kodu oraz narzędzia wdrożeniowe. Zdaniem Pastrone narzędzia te pozwalają projektantowi przygotować współpracujące ze sobą, autonomiczne systemy CPS, sprawdzić działanie roju pod kątem osiągania założeń projektowych oraz wdrażać na skalę masową rozwiązania przeznaczone dla rekonfigurowalnych urządzeń CPS. „Warsztat CPSwarm Workbench jest znaczącym krokiem naprzód w zagadnieniach związanych z inżynierią wielkoskalowych systemów CPS. Spodziewamy się, że przyczyni się znacznie do skrócenia czasu projektowania oraz obniżenia kosztów tego procesu”, dodaje Pastrone.
Sprawdzenie rzeczywistych scenariuszy
Podczas trwania projektu rozwiązania proponowane przez CPSwarm zostały przetestowane pod kątem przydatności w trzech rzeczywistych scenariuszach. Pastrone podsumowuje: „Przeprowadzone testy dowiodły, że zaproponowana metodologia modelowa może pomóc w pracach związanych z projektowaniem i tworzeniem aplikacji roju CPS. Korzystanie z CPSwarm Workbench znacząco skraca czas potrzebny na wdrożenie aplikacji opartej na rojach systemów CPS”. Opracowany w ramach projektu warsztat programistyczny został udostępniony na licencji kodu otwartego i jest dostępny bezpłatnie dla społeczności zrzeszonych wokół zagadnień związanych z CPS i robotyką.
Słowa kluczowe
CPSwarm, systemy cyberfizyczne, CPS, pojazdy autonomiczne, inteligentna sieć energetyczna, IoT, Internet rzeczy, roje CPS, inżynieria predykcyjna
