Кибер-физическая система (англ. cyber-physical system) — информационно-технологическая концепция, подразумевающая интеграцию вычислительных ресурсов в физические процессы. В такой системе датчики, оборудование и информационные системы соединены на протяжении всей цепочки создания стоимости, выходящей за рамки одного предприятия или бизнеса. Эти системы взаимодействуют друг с другом с помощью стандартных интернет-протоколов для прогнозирования, самонастройки и адаптации к изменениям.
Активное использование термина началось в рамках проекта немецкого правительстваIndustry 4.0 (англ.) по компьютеризации промышленности. Кибер-физические системы относятся к четвёртой промышленной революции. Первая промышленная революция состоялась благодаря паровому двигателю, резко увеличив производительность труда в 19 веке, вторая ознаменовалась массовым производством в начале 20 века за счет использования электроэнергии. Третью революцию можно считать промежуточной и отнести к ней промышленных роботов и автоматизацию с начала 1970-х, соответственно четвёртая промышленная революция означает появление полностью цифровой промышленности, основанной на взаимном проникновении информационных технологий и промышленности.
Технологические тенденции
Можно перечислить ключевые технологические тенденции лежащие в основе кибер-физических систем. Изолированно они уже используются в разных сферах, но будучи интегрированными в единое целое, они меняют существующие отношения между производителями, поставщиками и покупателями, а также между человеком и машиной.
Большие данные и аналитика — сбор и всесторонняя оценка данных из разных источников, станет стандартом для принятия решений в режиме реального времени.
Автономные роботы — промышленные работы уже могут выполнять довольно сложные операции, но системы компьютерного зрения позволят роботам взаимодействовать друг с другом и автоматически корректировать свои действия, причем люди смогут находится рядом с ними, влиять на них и это будет безопасно.
Моделирование и симуляторы — инженеры уже используют 3D-моделирование на стадии проектирования продуктов или процессов. В будущем, технологии больших данных позволят использовать различные симуляторы в режиме реального времени. Например, на стадии производства оператор сможет виртуально смоделировать физический процесс с учетом имеющегося сырья и людей, тем самым снизить время настройки оборудования и повысить качество.
Облачные вычисления — потребуется более глубокая системная интеграция, как горизонтальная между поставщиками и клиентами, так и вертикальная между различными функциями и операциями. Создать платформы для совместной работы и обмена данными между территориально-распределенными партнерами позволяют облачные технологии.
Интернет вещей — показания датчиков и сенсоров обычно попадают в централизованную систему управления производственным процессом и уже на этом уровне принимаются решения. В дальнейшем, возможности которые предоставляют встраиваемые системы, позволят устройствам общаться друг с другом и децентрализовать принятие решений. Например, можно использовать радиочастотные метки для полуфабрикатов, автоматизированная производственная линия считав метку, сама примет решение (в реальном времени) какую операцию применить к тому или иному полуфабрикату.
Информационная безопасность — многие компании используют системы управления и производства, основанные на проприетарных технологиях или не имеющих выход в интернет, но по мере расширения связей с партнерами, использования открытых стандартов и протоколов, резко возрастают риски информационной безопасности. Для защиты промышленных систем потребуется не только качественная и безопасная связь, но и системы управления учетными записями и контроля доступа (Identity and Access Management).
3D-печать — 3D-принтеры в основном используются для создания прототипов или отдельных компонентов, в дальнейшем 3D-принтер может широко использоваться для производства небольших партий специализированных продуктов, его конструктивные преимущества и децентрализованный характер производства, позволит сократить затраты на транспортировку и складские запасы.
Дополненная реальность — технология находится в начальной стадии своего развития, но в будущем позволит работникам ускорить принятие решений. Например, работник может получить инструкцию как починить или заменить сломанную деталь в производственной системе, когда он на неё смотрит через очки дополненной реальности.
Влияние
Кибер-физические системы охватывают целые отрасли и страны с разной скоростью и в разных направлениях.
Отрасли с широкой продуктовой линейкой, такие как автомобильная, продукты питания, выигрывают от гибкости кибер-физических систем и роста производительности. Отрасли, требующие высокого качества, такие как электроника и фармацевтика, выигрывают от использования больших данных и аналитики, непрерывного улучшения качества и функциональности продукции.
Развитые страны, с высокой стоимостью квалифицированного труда, могут воспользоваться ростом спроса на квалифицированных сотрудников. Развивающиеся страны, с молодежью имеющей навыки в ИТ и мехатронике, могут перепрыгнуть несколько технологических этапов и создавать совершенно новые производственные концепции.
В целом, более гибкие, быстрые и эффективные способы получения качественных товаров по сниженным ценам, приводит к росту экономики, квалифицированных рабочих мест и в конечном счете изменяет конкурентоспособность компаний и регионов.
Литература
Edward A. Lee, Cyber-Physical Systems — Are Computing Foundations Adequate?
Paulo Tabuada, Cyber-Physical Systems: Position Paper
Rajesh Gupta, Programming Models and Methods for Spatio-Temporal Actions and Reasoning in Cyber-Physical Systems
E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems — A Cyber-Physical Systems Approach, http://LeeSeshia.org, 2011.