Cyber-fizikai rendszerek és okos városok


A számítógépes és a fizikai világ szinergiája

Az intelligens eszközök egyre kifinomultabbak a megnövekedett képességekkel, miközben viszonylag alacsony költségű technológiák maradnak. Továbbá sok ilyen intelligens eszköz támaszkodik a nagysebességű vezeték nélküli hálózatok, köztük a 4G mobilhálózatok prevalenciájára. A tárgyak internetével minden objektum lekérheti a környezetből származó információkat, majd kezelheti és megoszthatja ezeket az információkat más eszközökkel vagy felhasználókkal.

A tárgyak internete dinamikus és elosztott környezet, amely számos olyan intelligens eszközből áll, amelyek környezetüket érzékelik és képesek működni ebben a környezetben. Ezeknek az eszközöknek köszönhetően lehetőség nyílik a külső környezet megfigyelésére, a valós világra vonatkozó információk összegyűjtésére és egyfajta mindenütt elérhető számítástechnikának létrehozására, amely lehetővé teszi minden eszköz számára, hogy bárhonnan kommunikáljon a világ minden más eszközével. A tárgyak célja, hogy az internetet átfogóbbá tegyék azáltal, hogy lehetővé teszik az eszközök összekapcsolását és együttműködésüket egymagukban különálló szenzorokként vagy makrópontpontokat létrehozó és teljes rendszerekként működő érzékelőknek.

A számítástechnikai és fizikai komponensek szinergiája, nevezetesen a cyber-fizikai rendszerek (CPS-ek) használata a tárgyak internetének megvalósításához vezetett. A CPS-ek együttműködnek a számítógépes és fizikai tér elemei között a számítási erőforrások integrálásával. A CPS-k gyakran támogatják a valós életfolyamatokat és működtetik a tárgyak internetének objektumainak működését, amelyek lehetővé teszik a fizikai eszközök számára a környezet érzékelését és módosítását.

A tárgyak internete (IoT) egy olyan bomlasztó technológia, amely lehetőséget nyújt innovációkra és jelentős javulást a társadalmi és üzleti környezetben. Az IoT technológiákkal olyan alkalmazkodó és intelligens alkalmazásokat hozhat létre, amelyek jobban kezelhetik az erőforrásokat és hatékonyabb rendszert tudnak nyújtani. Az IoT és CPS-k olyan alkalmazások támogatására lettek tervezve, amelyek óriási mennyiségű adatot és a környezet széles körű adatait kezelik. Így a CPS-k hatékonyabb és hatékonyabb erőforrás-menedzsmenttel képesek az intelligens városi elképzelést az információs és kommunikációs technológiák segítségével növelni. Az intelligens városok innovatív és jobb minőségű szolgáltatásokat nyújtanak polgáraik számára a város infrastruktúrájának javításával, a teljes költségcsökkentés mellett.

Cyber-fizikai rendszerek

Egy számítógépes fizikai rendszerben (CPS) a számítástechnikai elemek koordinálják és kommunikálnak az érzékelőkkel, amelyek monitorozzák a számítógépes és fizikai jelzőket és a működtetőket, amelyek módosítják a számítógépes és fizikai környezetet, ahol futnak. A CPS-ek gyakran arra törekednek, hogy valamilyen módon irányítsák a környezetet. A CPS-ek szenzorokat használnak arra, hogy összekapcsolják az összes elosztott intelligenciát a környezetben, hogy mélyebb ismereteket szerezzenek a környezetben, ami lehetővé teszi a pontosabb működést.

Fizikai környezetben az aktuátorok úgy járnak el és módosítják a környezetet, ahol a felhasználók élnek. Virtuális kontextusban a CPS-eket használják a felhasználók virtuális tevékenységeiről származó adatok gyűjtésére, például a közösségi hálózatokon, blogokon vagy e-kereskedelmi webhelyeken való részvételükről. Ezután a CPS-ek valamilyen módon reagálnak ezekre az adatokra a felhasználók egészének cselekvéseinek vagy igényeinek előrejelzésére. Az olyan szoftveres megoldásokkal, mint az IBM WebSphere Sensor Events, tud kapcsolódni és elemezni az érzékelő-alapú, valós idejű adatokat és eseményeket, és integrálni ezeket az eseményeket intelligensebb megoldásokba.

1. ábra: CPS architektúra

A CPS architektúrája, beleértve az érzékelőket és a működtetőket is

A kiber-fizikai rendszerek néhány gyakorlati alkalmazása:

  • A gyártási környezetben a CPS-k képesek javítani a folyamatokat azáltal, hogy valós idejű információkat osztanak az ipari gépek, a gyártási ellátási lánc, a beszállítók, az üzleti rendszerek és az ügyfelek között. A CPS-k ezenkívül javíthatják ezeket a folyamatokat az egész gyártási folyamatok önellenőrzésével és ellenőrzésével, majd a gyártás adaptálásával az ügyfelek preferenciáinak kielégítésére. A CPS-ek nagyobb fokú láthatóságot és ellenőrzést biztosítanak az ellátási láncok tekintetében, javítják az áruk nyomon követhetőségét és biztonságát.
  • Az egészségügyi környezetben a CPS-eket a betegek fizikai állapotának valós idejű és távfelügyeletére használják a beteg kórházi kezelésének korlátozása érdekében (például az Alzheimer-kórban szenvedő betegek esetében), illetve a fogyatékos és idős betegek kezelésének javítására. Továbbá a CPS-eket az idegtudományi kutatások során használják az emberi funkciók jobb megértésére az agy-gép interfészek és a terápiás robotika támogatásával.
  • A megújuló energiaforrások környezetében az intelligens hálózatok CPS-ek, ahol az érzékelők és más eszközök felügyelik a hálózatot, hogy ellenőrizzék, jobb megbízhatóságot nyújtsanak és javítsák az energiahatékonyságot.
  • Az intelligens épületek környezetében az intelligens eszközök és a CPS-ek kölcsönhatásba lépnek az energiafogyasztás csökkentése, a biztonság és a biztonság növelése és a lakosság kényelme érdekében. Például a CPS-k segítségével engedélyezheti az energiatakarékossági és -vezérlési rendszerek használatát, amelyek segítenek a zéróenergiás épületek elérésében, vagy meghatározhatja az épületek váratlan események miatti károsodásának mértékét és megakadályozhatja a szerkezeti meghibásodásokat.
  • A közlekedési környezetben az egyéni járművek és az infrastruktúra kommunikálhatnak egymással, valós időben megosztják a forgalmat, a helyet vagy a problémákat a balesetek vagy torlódások megelőzése, a biztonság növelése és végső soron pénz és idő megtakarítása érdekében.
  • A mezőgazdasági környezetben a CPS-k felhasználhatók a korszerűbb és pontosabb mezőgazdaság létrehozására. A CPS-k alapvető információkat gyűjthetnek az éghajlatról, a talajról és más adatokról, hogy pontosabb mezőgazdasági irányítási rendszereket lehessen megvalósítani. A CPS-ek folyamatosan figyelhetik a különböző erőforrásokat, például az öntözést, a páratartalmat, a növényegészségügyet és másokat az érzékelőkön keresztül, és így tartják az ideális környezeti értékeket.
  • Számítógépes hálózatokban a CPSs növelheti a számítógépes környezeteket, hogy jobban megértse a rendszereket és a felhasználók viselkedését, ami javíthatja az előadást és az erőforrás-gazdálkodást. Például az alkalmazások optimalizálhatók a kontextusokkal és a felhasználók tevékenységével kapcsolatban, vagy a rendelkezésre álló erőforrások felügyeletéhez. Ráadásul a népszerű közösségi hálózatok és az e-kereskedelmi webhelyek tárolják a felhasználók navigációs adatait és a felhasználók webes tartalmát, elemzik ezeket az információkat, majd megpróbálják megjósolni érdeklődésüket és javaslatokat tenni barátok, hozzászólások, linkek, oldalak, események vagy termékek számára.
  • Okos városok

    Az intelligens városok széles körű kiber-fizikai rendszereknek tekinthetők, a kibernetikus és fizikai jelzőket figyelő szenzorok és a működtetők dinamikusan megváltoztatják az összetett városi környezetet. A kormányok, a szervezetek és a technológiai iparágak növekszik a növekvő urbanizáció kihívásaihoz, és ezáltal javítják a városi életet azáltal, hogy jobb energiahatékonyságot kínálnak például az energiafelhasználással vagy a szolgáltatással.

    Az Egyesült Nemzetek Népességének kilátásai szerint a 2014-es felülvizsgálatijelentés szerint a világ városi lakossága gyorsan növekszik, és folyamatosan növekszik. 2014-ben a világ lakosságának 54% -a lakik a városi területeken, és az elkövetkező évtizedek további mélyreható változásokat fognak elérni a globális népesség méretéhez és térbeli eloszlásához. 1950-ben a világ lakosságának 30% -a városi; 2050-re a világ lakosságának 66% -a várhatóan városi. A 2. ábrát a 2. ábra az Egyesült Nemzetek Népességének kilátásairól, a 2014-es felülvizsgálati jelentésből foglalja össze.

    2. ábra. Ez a szám az Egyesült Nemzetek népességkilátásairól, a 2014-es felülvizsgálati jelentésből származik, amely a világ városi és vidéki lakosságát mutatja, 1950 és 2050 között
    Ábra, amely a világ városi és vidéki lakosságát (millióit), 1950 és 2050 között mutatja

    Mivel a városiasodás és az idősödő népesség városra helyezi a hangsúlyt, a városi térségeknek új kihívásokkal kell újragondolniuk szervezeti struktúráikat és infrastruktúráikat. Ezek a kihívások magukban foglalják a kulcsfontosságú erőforrások (például az energia, a víz, az élelmiszerek és más nyersanyagok) felelősségteljes felhasználását (és nem hulladékát). A gyors és nem tervezett városi növekedés veszélyezteti a fenntartható fejlődést, ha a szükséges infrastruktúra nem fejlett. Ebben az összefüggésben a hatékonyság javítása kulcsfontosságú a város sikeréhez. Ilyen módon az intelligens városok (nagyméretű CPS-k) feltörekszenek, például Santander, Szingapúr, Boston és sok más (az IBM esettanulmányok áttekintése).

    A 3. ábrán bemutatott térkép Európa-szerte több mint 100 000 lakosú intelligens (és nem okos) városok elosztását szemlélteti. Az intelligens városok azok a városok, amelyek olyan jellemzőkkel bírnak, mint az intelligens kormányzás, az intelligens életmód, az intelligens mobilitás, az intelligens emberek, az intelligens gazdaság és az intelligens környezet. A 3. ábrát a 10. ábrából vettük fel az EU Parlamenti Jelentésében, az "Okos városok feltérképezése az EU- ban" című, 2014-ben közzétett jelentésben.

    3. ábra: Az intelligens városok feltérképezése az EU-ban, 2014-ben, jelentésből, amely 100 000-nél több népességű városok elhelyezkedését mutatja, amelyek nem okos városok és okos városok Európában
    Térkép, amely az okostelefonok, és nem okos városok, Európa-szerte mutatja

    A SmartSantander egy nagyszabású kutatási projekt, amely szenzorok ezreit szétszórja Santander város Spanyolországban. Célja egy intelligens megoldás kialakítása és a városi élet különböző aspektusainak javítása, például a forgalom csökkentése, az energiafogyasztás csökkentése, a környezet minőségének javítása és a polgárok részvételének ösztönzése. A projekt reményei szerint megoszthatja ezt a környezeti információt és más hasznos alkalmazások fejlesztését is. A kutatás azt is megvizsgálja, hogy lehetséges-e az intelligens infrastruktúrák elméleti tervei közötti távolság csökkentése és a gyakorlati alkalmazások valós környezetben való elfogadása. A teszt eredményei segítik a tárgyak internetének és a CPS-eknek a jövőbeli valós forgatókönyvek terjedését.

    Szingapúr , amelyet évek óta a világ legokosabb városaként neveznek el, az intelligens infrastruktúrák és minőségi szolgáltatások megvalósításában vezető országgá válik (lásd "Mi a második törvény a világ első intelligens közösségéért" ).Szingapúr a világ egyik legfontosabb üzleti központja, az egyik legforgalmasabb kikötő és az ázsiai ötödik legnagyobb repülőtér. Szingapúr elvárja, hogy hozzon létre az első intelligens nemzetet a világban a gazdasági növekedés fellendítéséhez, a lakosság igényeinek kielégítéséhez és más nemzetek számára.Ennek az intelligens nemzetnek a betekintései a következők szerint vannak csoportosítva:

    • Jobb irányvonalak a különböző kontextusok kezeléséhez
    • Új gazdasági modellek és bevételi források fejlesztése, amelyek erősíthetik a gazdasági növekedést
    • Az aktív polgárok részvételének növelése olyan minőségi szolgáltatások létrehozása felé, amelyek javíthatják a közösség mindennapi életét

    Boston az innovatív megoldások és a meglévő ökoszisztéma alapján kapott az IBM Smarter Cities Challenge 2012 támogatást. Tény, hogy számos egyetem és induló vállalat jelenléte a térségben a legmodernebb technológiai kutatások felé vezeti a várost, és megszokja a várost arra, hogy gyakran új modelleket fogadjon el. Sőt, Boston jelentős mértékben fektet be a kutatás-fejlesztésbe és a technológiai innovációba. Állampolgárait a világ egyik legintelligensebb emberének tekintik. Boston volt az első olyan városi terület, amely a crowdsourcing használatával gyűjtött adatokat a környezetéből. Boston bemutatott egy kísérleti kísérletet a polgárok együttműködésének előmozdítására és a polgárok részvételének ösztönzésére azzal a céllal, hogy javítsa a szolgáltatások minőségét.

    A jövő kihívásai

    Ahhoz, hogy a cyber-fizikai rendszerek és az intelligens városok sikeresek lehessenek, az embereknek másképpen kell gondolkodniuk és cselekedniük kell, és jobban be kell vonniuk a városi életbe. Elengedhetetlenek az aktív közösségek, amelyek összegyűjthetik az egyes egyének elosztott tudását, és képesek szinergetikus intézkedéseket tenni a városi szolgáltatások fejlesztése érdekében.

    A technológia ma lehetővé teszi az elosztott számítástechnikát és a crowdsourcinget, a felhasználók közötti megosztást és a kollektív intelligenciát. A kollektív intelligencia a CPS-k és az intelligens városok sikerének kulcsa. A kollektív hírszerzés a városi környezet kooperatív megfigyelésére irányuló erőfeszítést igénybe veszi. Célja továbbá a műveletek együttes működtetése a közérdekű feladatok hatékony végrehajtása érdekében.

    Technikai szempontból számos kemény kihívást kell megoldani, legalábbis hatékonyan és iparilag alkalmazható módon. Néhány kihívás:

    • Adat heterogenitás. Az adatok heterogenitása olyan fontos kérdés, amely befolyásolhatja a kommunikációs teljesítményt és a kommunikációs protokollok kialakítását. A rendszereknek képesnek kell lenniük számos különböző alkalmazás és eszköz támogatására.
    • Megbízhatóság. A CPS-k kritikus környezetekben, például az egészségügyben, az infrastruktúrában, a közlekedésben és sok más területen használhatók. A megbízhatóság és a biztonság alapvető követelmények, mivel a működtetők a környezetet befolyásolják. Valójában az aktuátorok hatása is visszafordíthatatlan, ezért a váratlan viselkedés jelenlétét minimálisra kell csökkenteni. Ráadásul a környezet nem kiszámítható, ezért a CPS-eknek váratlan körülmények között kell működniük, és kudarcok esetén alkalmazkodniuk kell.
    • Adatkezelés. Szükséges tárolni és elemezni a nagy adatokat a különböző csatlakoztatott eszközöket, feldolgozni őket, és a valós idejű eredményeket.Az adatok kezelhetők offline vagy online stream feldolgozással a rendszer céljaihoz képest. Különösen egy online adatfolyammal rendelkező információ gyakran változhat valós idejű körülmények között, és adaptív és folyamatos lekérdezéseken alapul.
    • Magánélet. A kihívás az, hogy egyensúlyba hozzák az adatvédelmi kérdéseket és a személyes adatkezelést, lehetőséget biztosítva az adatok jobb szolgáltatások nyújtására. Mivel a CPS-k nagy mennyiségű adatot kezelnek, beleértve az érzékeny információkat, például az egészségügyet, a nemet, a vallást és még sok másat, az adatvédelemre vonatkozó jelentős kérdéseket vet fel. A CPS-k adatvédelemre vonatkozó szabályokat igényelnek, hogy foglalkozzanak az adatvédelmi kérdésekkel, ezért az anonimizálást kezelő eszköznek névtelen információkra van szüksége, mielőtt a rendszert feldolgozza.
    • Biztonság. A CPS-eknek biztosítaniuk kell a biztonságot a kommunikáció során, mivel az eszközök közötti összes tevékenység valós időben összehangolódik. Mivel a CPSs kiterjeszti és növeli a fizikai és a számítógépes rendszerek közötti kölcsönhatásokat, a biztonsági problémák több CPS-t érintenek. A hagyományos biztonsági infrastruktúrák nem elégek a probléma megoldásához, és új megoldásokat kell találni. A biztonsági kérdések kritikus fontosságúak az új adatokhoz és a tárolt adatokhoz, amelyeket a későbbi felhasználásra gyűjtöttek. Végül a CPS-k heterogén alkalmazásokon és vezeték nélküli kommunikáción alapulnak, amelyek gyakran kritikus biztonsági kérdéseket vetnek fel.
    • Valós idő. A CPS-k nagy mennyiségű adatkezelést végeznek, amely az érzékelőkből származik. A számításoknak hatékonyan és időben kell működniük, mert a fizikai folyamatok függetlenek a számítások eredményétől. E követelmény teljesítéséhez a CPS-nek gondoskodnia kell arról, hogy rendelkezzenek az időfüggő funkciók eléréséhez szükséges sávszélességgel vagy rendszer kapacitással, mivel az akciók idején fellépő hibák végleges károsodást okozhatnak.

    Következtetés

    Meg kell ragadnunk a technikai fejlődést, amelyet a Dolgok Internete, és különösen a CPS-k magukhoz viszik napi életünkbe. Ezek a technológiák növelik a szolgáltatások minőségét, és végső soron a környezetet élvezik, mivel az egész világon intelligens városokban valósulnak meg.

    A CPS-k, mint az innováció ösztönzői, sok különböző tudományágat érintenek. Az iparágak egészének lehetősége van arra, hogy a CPS-ket iparilag alkalmazható területekké alakítsák. Ezenkívül a CPS-k magasan képzett munkaerőt igényelnek, elősegítve az együttműködést és az iterációkat az ipar és az egyetemek között.Végül a CPS-ek óriási potenciállal rendelkeznek ahhoz, hogy megváltoztassák és javítsák az emberek életének minden aspektusát, kezeljék társadalmunk számára a kritikus kihívásokat, és meghaladják a mai elosztott rendszereket a biztonság, a teljesítmény, a hatékonyság, a megbízhatóság, a használhatóság és még sokan mások számára.

  • forrás: Alessandro Zanni https://www.ibm.com/developerworks/library/ba-cyber-physical-systems-and-smart-cities-iot

Magyar Település- és Területfejlesztők Szövetsége
20 éves
1998 - 2018
Alapítás év 1997. Bírosági bejegyzése 1998. 
E-MAIL: mttfsz@gmail.com, titkarsag@mttsz.hu
Levélcím: MTTSZ 1122 Budapest, Csaba u. 8.
Székhely: 1138 Bp.Dagály u.11.

 .