Киберфизические системы в управлении транспортом

Что является киберфизической системой? Она имеет достаточно обширное понятие. Единого определения этого понятия на данный момент времени не имеется. Причиной этого служит то, что эти системы применяются в различных сферах деятельности. Различные реализации этих систем способны влиять на самые разные аспекты жизни людей. Отличительной чертой КФС является их плотная взаимосвязь между процессами вычисления и процессами, имеющими место в реальной жизни. На основе этого можно заключить, что киберфизической системойможно обозначитьтакую комплексную систему из вычислительных и физических компонентов, получающую на постоянной основе данные из окружающей среды и в дальнейшем использующую их для оптимизации управляющих процессов.

Наглядным примером киберфизических систем можно отнести автоматизированные сети электроснабжения, системы управления смарт транспортом, АСУ (автоматизированные системы управления) в производстве и сельском хозяйстве, а также медицинское оборудование. К наиболее масштабной и комплексной киберфизической системе можно отнестипроект «умного» города. На данный момент времени имеется мало данных о применении КФС для управления транспортом. Причиной всего этого является необходимость исследования специальных технологий и моделей.

Мною выше было упомянуто, что взаимосвязь между физическими и вычислительными элементами является основным принципом работы киберфизических систем. ИИ, выполняющий функцию мозга системы и других технологий, получает данные от сенсоров в реальном мире, занимается анализомполученных из реального мира данных и в дальнейшем использует их управления физическими элементами. Подобное взаимодействие способствует эффективной работе киберфизической системы в изменяющихся условиях. При работе образуется цикл «управление — получение данных — обработка данных — управление», обязанный при налаженной работе системы постоянно давать позитивные результаты и создавать новую ценность.
Большинство крупных компаний используют принцип киберфизических систем во всех своих проектах, в которых применяется технологии интернета вещей, чтобы координировать работу распределённых ресурсов. При помощи интернета вещей и технологий ИИ появляется возможность успешной оптимизации системы, предсказать ее масштабы и добиться максимальной экономии имеющихся ресурсов.Еще одним вариантом применения киберфизических систем можно назвать системы управления автономным транспортом, получающие в реальном времени информацию от участников дорожного движения и дорожной инфраструктуры с целью избегания ДТП и определения оптимального маршрута к месту назначения с оглядкой надорожную ситуацию. Стоит упомянуть систему, использующуюмедицинское оборудование, отслеживающеедистанционно состояние больных и применяющееся для исследования человеческого организма. Приведенные примеры объединяет способность киберфизических системсделать жизнь людей проще и улучшить ее. Многие крупные компании заинтересованы в разработке подобных систем.

Встроенная система (embedded system – ES) - важный технический и технологический компонент КФС, представляющий собой компьютерную систему со специализированными функциями как часть крупной механической или управленческой системы. При этом она часто имеет ограничения в реальном времени по вычислительным возможностям. Строение ES представленочастями полного устройства, включающеговычислительные и физические компоненты.

Впервые встраиваемые системы были применены для управления транспортными средствами, но в космической отрасли. Одной из таких пионерных систем был компьютер Apollo Guidance Computer, разработанный как элемент проекта Apollo. Autonetics D-17 –  наиболее ранняя версия встроенной системы, представляющая собой компьютер, выпущенный в1961 году и предназначенный для управления ракетой Minuteman. В1966 году D-17 заменили новым вариантом. Встроенные системы часто используются при транспортировке. Они представлены инерциальными системами наведения и приёмниками GPS. Они присутствуют в различных электродвигателях, таких как бесщеточных постоянного тока, асинхронных двигателях и двигателях постоянного тока. В этих устройствах применяются электрические/электронные контроллеры двигателей. Для максимизации эффективности и уменьшения загрязнения окружающей среды в автомобилях, электромобилях и гибридных автомобилях всё чаще используют встроенные системы. Другие автомобильные встроенные системы безопасности входят вантиблокировочную тормозную систему (ABS), систему электронного контроля устойчивости (ESC/ESP), систему контроля тяги (TCS) и автоматический привод на все колёса. Имеются предпосылки развития киберфизических систем в сфере железнодорожного транспорта.

Технологической компонентой КФС являются повсеместные вычисления. Этот термин также означает всяческие вычисления. Повсеместные вычисления – это обязательный компонент и отличительный компонентом КФС. Их целью является задание отличий киберфизических систем от обычных систем исполнительных устройств ипассивных распределённых систем. Повсеместные вычисления создают возможность самостоятельного анализа и обработки информации внутри КФС. Повсеместное вычисление имеет место не только в КФС, но и в программной инженерии и информатике, где вычисления производятся в любое время и везде. Отличием повсеместного вычисления от применения настольных компьютеров является то, что повсеместное вычисление может происходить с использованием любого устройства, в любом месте и в любом формате. Пользователь взаимодействует с компьютером, который может существовать во многих различных формах, включая портативные, планшеты и терминалы. Основные технологии для поддержки повсеместных вычислений представлены интернетом, расширенных промежуточным программным обеспечением, операционной системой, мобильным кодом, датчиками, микропроцессорами, интерфейсами ввода/вывода и пользовательскими интерфейсами, сетями, мобильными протоколами, местоположением и позиционированием

Киберфизические системы являются высокоадаптивными, поэтому их реализация зависит от ставящейся задачи и объекта управления. Во время управления сложными системами и сложными управленческими ситуациями появляется необходимость применения киберфизических систем. КФС можно сопоставить с системами параллельных вычислений. Они имеют острую необходимость в применении в сложных ситуациях, однако в простых случаях они не являются эффективными. Сложность является проблемной стороной КФС. К процессу разработки КФС необходимо привлечение специалистов для их создания и поддержки. Определить значение понятия КФС проблематично из-за сложных киберфизических. На практике дают определение, связанное с перечислением функций. Дадим некоторые определения КФС, использующиеся в различных сферах. В сфере интегрированных систем киберфизические системы являются комплексом вычислительных, сетевых ифизических процессов. В управленческой сфере киберфизические системы представляют собой распределённые управленческие системы, содержащие встроенные компьютеры и вычислительные узлы и управляющие процессами из реального мира. В сфере методики вычисления киберфизические системы являются распределённымиуправленческими системами, содержащие цепи обратной связи, физические процессы которых влияют на вычисления.

Использующиеся модели в киберфизических системахбывают концептуальными, математическими, управленческими, технологическими и базисными. Если рассматривать КФС как системы управления, то они в приоритете ориентируютсяна управление подвижными объектами. Важно упомянуть, что одной из главных целей при создании КФС было устойчивость против киберугрози прочих угроз. В современном мире эта цель по-прежнему остается актуальной. Отсюда следует, что КФС имеют возможность приспосабливаться к работе с быстроменяющимися ситуациями и изменением цели. Это создаёт им преимущество как системам многоцелевого управления.  Информационные конструкции позволяют строить концептуальные модели КФС. Информационные единиц являются основой базисных моделей КФС. Языковая среда создается благодаря информационным единицам, что служит основой интеллектуального управления. В КФС всфере взаимодействия применяется новейший тип моделей информационно-физического взаимодействия. В сфере сетевого взаимодействия киберфизические системы используют онлайн моделирование внутри сети как новый тип моделей сетевого взаимодействия. Само верифицируемые модели и модели внутренней онлайн оптимизации используются КФС в сфере интеллектуальной информационной обработки. интеллектуальные модели делают КФС устойчивыми к хакерским атакам. Выделяется направление применения КФС на транспорте в виде транспортных киберфизических систем (ТКФС). Существует 2 качественных типа транспортных киберфизических систем: внутренняя система внутри движущегося объекта и внешняя система, которое объединяет комплекс движущихся объектов. Внешние системыимеют цель в виде решения задачи управления трафиком движения в системе транспортных потоков. Внутренние системы внутри движущегося объекта имеют цель в виде решения задачи управления отдельным объектом в сложной динамически меняющейся ситуации.

С одной стороны, пока не существует строгого и единого определения понятия КФС, однако в ряде работ перечислены характерные свойства таких систем. Отличительным свойством киберфизических систем является наличие интеллектуальных узлов обработки информации в их строении. Это позволяет их причислить к распределённым интеллектуальным системам, которые более сложные системы управления в сравнении со всеми существующими системами управления транспортом, включая ИТС. КФС являются распределёнными сетевыми системами, однакоимеют отличия от коммуникационных систем в виде наличия интеллектуальных узлов и отличаются таким свойством, как самоверифицируемость и онлайн модификации потоков. В стандартных сетевых системах это происходит благодаря вмешательству пользователя извне. Неоднократное использование киберфизических систем в транспортной сфере, прежде всего в авиации и ракетостроении, даёт основание использовать КФС в сфере железнодорожного транспорта. КФС в отличие от ИТС обладает большей устойчивостью к кибератакам, так как киберфизические системы имеют автономное управление и принцип само регуляции. Исследование возможностей киберфизических систем оказывает позитивное влияние на освоение киберфизических подходов и моделей управления, объединение исполнительных и сенсорных устройств в единую структуру, преобразование отдельных интеллектуальных узлов в классической автоматизированной системе управления. Большой продуктивностиможно достичь приизучениикиберфизических систем, причём в равной степени это касается и теории, и технологий, и электронного сопровождения информационных процессов.