أنظمة المستقبل المستقلة. التصنيف والميزات والمتطلبات

تعرف الأنظمة الذاتية اليوم إلى حد كبير بفضل أحدث الاتجاهات من صناعة السيارات. في الواقع ، تعتبر الأنظمة الآلية بدرجات متفاوتة من الاستقلالية جزءًا لا يتجزأ من التطورات المستقبلية وخطط التطوير للعديد من مجالات النشاط. تسرد المقالة التي قدمها المؤلفان Werner Damm و Ralf Kalman من مجلة Informatik-Spektrum edition 5/2017 مختلف المعايير والمعايير الصناعية ، بالإضافة إلى وصف الوظائف والمتطلبات للطرق والعمليات والأدوات لتطوير البرامج المقابلة.

ما هي ميزة الاستقلالية؟

كم يجب أن يكون النظام الفني وكيف يمكن أن يكون مستقلاً؟
يبدو اليوم أنه لا توجد حدود لتطبيق أنظمة ذاتية أكثر وأكثر تقدمًا. نحن على وشك تقديم تقنيات تبني بشكل مستقل علاقات معقدة من العالم المحيط على أساس البيانات المقدمة ، والتعرف التلقائي على الأشياء والمعلومات من أجهزة الاستشعار من مختلف المستويات. يتم استخدام كل هذا للحصول على تمثيل رقمي دقيق للواقع لتنفيذ المهمة. تم إدخال أنظمة قادرة على تحليل التطور الإضافي المحتمل لأحداث الواقع المحيط ، والتي تتجاوز حدود القدرات التحليلية البشرية. يجري تنفيذ الأنظمة التي تخطط وتنفذ المهام بشكل مستقل ، دون الحاجة إلى أي دعم خارجي. تتمتع هذه الأنظمة بقدرات معرفية بشرية ذات صلة في سياق المهمة ، والتي تسمح لها بالعمل بشكل مستقل تمامًا.

يكشف تقرير حديث للحكومة الألمانية عن استراتيجية عالية التقنية عن العديد من الاحتمالات للأنظمة المستقلة. من بينها جميع أنواع "الأنظمة الذكية" ، مثل Smart Mobility و Smart Health و Smart Production و Smart Energy والتي يتم تحقيق ذكائها على أساس الاحتمالات المذكورة أعلاه. إنهم قادرون في الوقت الحقيقي على إنشاء صورة رقمية للعالم ، ومعالجة البيانات من العديد من مصادر المعلومات ، وتنظيم العمل المشترك لملايين الأنظمة الفرعية بطريقة تضمن التنفيذ الناجح للأهداف ، مثل الاستخدام الأمثل للموارد. يمكن تطبيق فوائد هذا في العديد من مجالات الحياة العامة: الصحة والنقل ، واستهلاك الطاقة ، وإنتاجية ونوعية المنتجات ، والوقاية من الكوارث الطبيعية وتصادم المركبات المختلفة. فيليبس ، على سبيل المثال ، عند استخدام أجهزة استشعار خاصة يمكن ارتداؤها للمراقبة بعد العملية الجراحية للمرضى تتوقع انخفاضًا في السكتة القلبية بعد الجراحة بنسبة 86٪ ، ومن خلال التتبع "الذكي" للمعلمات الصحية الحرجة في رعاية المرضى الخارجيين ، يتم تقليل تكلفتها بنسبة 34٪.

أنظمة التحكم الآلي كانت موجودة منذ عدة سنوات. الأتمتة تسمح بالاستخدام الفعال للمعدات دون الحاجة إلى التدخل اليدوي. يتم عرض المهام النموذجية للتحكم الآلي وإعدادات المعدات في شكل دوائر تحكم يتم إنشاء نماذج رياضية لها ويتم تنفيذها في شكل أجهزة وبرامج إلكترونية.

يتجاوز التطور الحديث للأنظمة الفيزيائية السيبرانية هذه الحدود. يضمن الجمع بين تكنولوجيا المعلومات وأنظمة التحكم المضمنة والتفاعل الديناميكي مع بعضها البعض عملها المشترك من خلال واجهات البيانات غير المتجانسة. أيضًا ، كما هو الحال مع الأتمتة في الثمانينيات ، يعد الإنتاج المستقل بزيادة الكفاءة والإنتاجية والجودة.

يتم تنفيذ التطورات من هذا النوع في العديد من مجالات تطبيق النظم التقنية. على الرغم من اختلاف سيناريوهات التطبيق الخاصة بهم ، يمكن تحديد المشكلات الشائعة في مجال البرامج ويمكن وصف الطرق العامة لحلها. سيتم عرض أمثلة على هذه الأساليب في الجزء الأخير من هذه المقالة. من المهم بشكل خاص استخدام أنظمة التعلم الذاتي. معهم ، تبدو الاحتمالات المحتملة للاستقلالية لا حصر لها ، لأنه يصبح من الممكن التعرف على القطع الأثرية من العالم الخارجي غير المعروفة في البداية ، والتي تؤثر على النظام ، ودراسة النماذج الديناميكية المتعلقة بها. وهكذا ، تفتح آفاق جديدة لم تكن متوقعة من قبل لاستخدام التكنولوجيا.

تقدر القيمة السوقية المحتملة للتكنولوجيات الناشئة عن هذه التطورات بمئات المليارات من الدولارات الأمريكية. على وجه الخصوص ، توفر دراسة عن مشروع Platforms4CPS للاتحاد الأوروبي البيانات التالية:

• بحلول عام 2035 ، ستمثل السيارات المستقلة 10٪ من جميع المبيعات. هذا يقابل ما يقرب من 12 مليون وحدة وحجم السوق 39 مليار دولار أمريكي.
• ستنمو سوق إدارة الطيران ، وفقًا للتقديرات ، من 50.01 مليار دولار أمريكي في عام 2016 إلى 97.3 مليار دولار أمريكي في عام 2022. وفي الوقت نفسه ، سيكون متوسط ​​معدل النمو السنوي 11.73٪.
• تتوقع سوق الطيران الروبوتية العالمية متوسط ​​نمو سنوي يبلغ 17.7٪ خلال العقد المقبل ، بحيث تصل قيمته في عام 2025 إلى 7.9 مليار دولار أمريكي (وفقًا لـ " الأسواق والأسواق ").
• ويقدر حجم سوق الطائرات بدون طيار بنحو 13.22 مليار دولار أمريكي ، وبحلول عام 2022 سيصل إلى 28.27 مليار دولار أمريكي بنمو سنوي بنسبة 13.51٪.
• ويقدر سوق المركبات غير المأهولة من 437.57 مليون دولار أمريكي في عام 2016 إلى 861.37 مليار دولار في عام 2021 بنمو سنوي بنسبة 14.51٪.
• سيزداد سوق السيارات تحت الماء المستقلة من 2.29 مليار دولار أمريكي في عام 2015 إلى 4.00 مليار دولار في عام 2020 مع نمو سنوي يقدر بـ 11.90٪.
• تتوقع سوق إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT) نموًا من 110 مليار دولار أمريكي في عام 2020 إلى 123 مليارًا في عام 2021.
• يبلغ حجم سوق التكنولوجيا للأجهزة القابلة للارتداء 28.7 مليار دولار أمريكي. تتوقع جارتنر أن ينمو هذا السوق سنويًا بمتوسط ​​17.9٪ بين عامي 2015 و 2017. الجزء الأكثر نموًا هو قطاع أدوات الهواتف المحمولة للمعصم مع زيادة سنوية بنسبة 30٪.
• وقدرت قيمة سوق الشبكات المصغرة بـ 16.58 مليار دولار أمريكي في عام 2015. وفي عام 2022 ، تتوقع الأسواق والأسواق نموها إلى 38.99 مليار دولار أمريكي بنمو سنوي قدره 12.45٪.

بفضل تطوير التكنولوجيا ، تظهر أنواع جديدة من المنتجات والخدمات بمستوى عال من الأتمتة في السوق الحديثة. في هذا الصدد ، يُطرح السؤال عن المجالات التي تكون فيها هذه التطورات منطقية حقًا ، وما تأثيرها على المجتمع.
في سياق مستوى متزايد باستمرار من الاستقلالية ، ستتغير جودة التفاعل بين الإنسان والتكنولوجيا بالتأكيد. اليوم ، لا يعمل الشخص كمستخدم نهائي فحسب ، بل في كثير من الحالات ، كجزء من نظام الإدارة ( الإنسان في الحلقة ). تخلق الاستقلالية اتجاهاً يؤسس لتفاعل الإنسان والتكنولوجيا على مستوى أعلى من التجريد. يمنح النظام المستقل شخصًا الفرصة للتعرف على جزء من رؤيته للعالم الرقمي باستخدام تجريدات مناسبة ، مثل ، على سبيل المثال ، تقنيات الواقع الافتراضي ذات الصلة بحل مشكلة معينة في وقت معين. على العكس ، يمكن للشخص أن يتصرف بسهولة في العمليات المعقدة داخل النظام من خلال واجهات بديهية بين الإنسان والآلة. هذا التواصل ، مصحوبًا بمستوى متزايد من التجريد ، يتطلب بدوره مستوى معينًا من التأهيل والتدريب. وفي الوقت نفسه ، ستختفي وظائف الموظفين ذوي المهارات المتدنية باعتبارها غير ضرورية.

الاستخدام المستمر لعدد كبير من مصادر البيانات سيزيد بشكل كبير من خطر انعدام الأمن. ستحدد بنية الأنظمة الموزعة المتصلة بالشبكة متطلبات عالية للغاية لحمايتها من أجل تجنب التأثير الكارثي للهجمات الإلكترونية المحتملة التي تهدف إلى تعطيل المكونات الفردية.

مع زيادة الاستقلالية ، يطرح السؤال أيضًا ما هي القيم التي يجب أن تكون عليها عملية اتخاذ القرار الأساسية ، وما إذا كانت تتوافق مع قيمنا. وبناءً على ذلك ، قرر البرلمان الأوروبي في قراره الصادر في 16 فبراير 2017 ما يلي:

• استخدام مبدأ الشفافية ، مما يعني أنه يجب أن يكون من الممكن دائمًا وضع المبادئ والحجج وراء كل قرار يتم اتخاذه بمساعدة الذكاء الاصطناعي ، والذي يمكن أن يكون له تأثير كبير على حياة الإنسان ؛
• يجب أن يكون من الممكن دائمًا تقديم الخوارزميات الحسابية لنظام يستخدم الذكاء الاصطناعي في شكل يمكن قراءته بواسطة الإنسان ؛
• يجب أن تكون الروبوتات التقدمية مجهزة بما يسمى "الصندوق الأسود" الذي يسجل البيانات في كل معاملة تتم بواسطة آلة ، بما في ذلك المنطق الذي ساهم في اعتماد القرار.

أخيرًا ، نظرًا للإدخال القادم للمركبات ذاتية التشغيل بدون طيار في السوق ، من الضروري مراجعة القوانين المتعلقة بالمسؤولية عن الجرائم الناشئة.

وبالتالي ، فإن هذه الموضوعات تتجاوز نطاقها المهني البحت. كيف ينبغي تصميم الأنظمة المستقلة بحيث لا تجلب فوائد اقتصادية فحسب ، ولكن أيضًا لتلقيها بشكل إيجابي من قبل المجتمع؟ يجب دراسة هذه المشاكل في علوم الكمبيوتر. لقد حان الوقت لإعادة التفكير في عمليات وتقنيات التصميم الحالية ، والتي يجب أن تتضمن باستمرار تقييمًا للتأثير الاجتماعي للأنظمة المستقلة المطورة.

دروس الاستقلالية في الصناعات المختلفة

المثال الأكثر شهرة هو المركبات المستقلة في صناعة السيارات . أعلن العديد من الشركات المصنعة عن إطلاق سيارات مناسبة في السوق في السنوات 3-4 القادمة. ومع ذلك ، فإن أنظمة الدعم المتاحة بالفعل اليوم تسمح لك بتحقيق أشياء مذهلة. على الرغم من ذلك ، فإن الطريق من القيادة الآلية جزئيًا (بعض الشركات المصنعة في هذه الحالة تتحدث أيضًا عن القيادة "المأهولة") إلى القيادة الذاتية الكاملة لا يزال بعيدًا. مع التشغيل الآلي جزئيًا (يتوافق مع المستوى الثاني من الأتمتة بواسطة SAE ) ، تقع المسؤولية الرئيسية على الشخص ، ويجب أن يكون قادرًا على التدخل بشكل مستقل في العملية في أقرب وقت ممكن. بالإضافة إلى ذلك ، فإن إمكانية استخدام هذه الأنظمة محدودة ببيئة طبيعية صارمة (على سبيل المثال ، القيادة على طريق سريع). على مستوى القيادة المؤتمت للغاية (مستوى الأتمتة 3 بواسطة SAE) ، يُسمح للسائق بتكريس انتباهه لأشياء أخرى ، أي أن البرنامج يضمن سلامة القيادة الكاملة أو ، في حالة حدوث أي خطأ ، يضع النظام في حالة آمنة ، على سبيل المثال ، عن طريق إيقاف تشغيل السيارة بجانب الطريق. تمثل السيارات المؤتمتة بالكامل (مستوى الأتمتة 4 وفقًا لـ SAE) ، التي تتعامل مع مهمتها على الإطلاق دون مساعدة السائق ، أعلى مستوى من الاستقلالية ، في حين أنها لا تحتاج إلى أي تعليمات تتعلق بسرعة القيادة أو الميزات البيئية.

يتم توفير تأثير كبير على تطوير هذه الصناعة ، أولاً وقبل كل شيء ، ليس من خلال رغبة الناس العاديين في نقل التحكم بسيارتهم إلى أيدي أخرى ، ولكن من خلال احتياجات شركات النقل الجديدة في الخدمات ذات الصلة ، أو فتح قطاعات جديدة في السوق أو تقديم وسائل نقل عام أكثر كفاءة وأسرع داخل المستوطنات. في نقل البضائع ، تتيح لك الأتمتة تفريغ السائق ، الذي يمكنه تكريس وقته لمهام أخرى وبالتالي العمل بشكل أكثر إنتاجية.

في السكك الحديدية ، وعلى وجه الخصوص ، في النقل تحت الأرض ، بعض العمليات مؤتمتة بالفعل. يعمل نموذج مبسط هنا ، حيث يعمل النظام على المناظر الطبيعية المتجانسة ، حيث لا يوجد تقاطع طرق النقل والعديد من الطرق معزولة عن بعضها البعض. من ناحية أخرى ، تمت إضافة نظام إدارة وتنسيق متفوق للعملية ، ولهذا السبب قام الاتحاد الدولي للنقل العام ( UITP ) بتضمين نظام مراقبة ومراقبة متفوق في تصنيفه. يحتوي نظام القطار الآلي على المكونات الثلاثة التالية: الأمن وإدارة القطارات ومراقبة القطارات. يتم التحكم في السلامة من خلال الحفاظ على المسافة بين القطارات ، وكذلك التحكم في سرعتها. يضمن التحكم حركة القطار وفقًا للجدول الزمني وينظم ، على سبيل المثال ، فتح وإغلاق أبواب السيارة. الإشراف على ضوابط القطارات ، بدوره ، على جميع الطرق وجميع البنية التحتية ونقل المعلومات ذات الصلة إلى مركز التحكم.

يمكن تنفيذ مثل هذا النظام بسهولة أكبر في المترو بناءً على تجانس المركبات وعزل البنية التحتية. ومع ذلك ، يمكن نقل المفاهيم المقابلة إلى مناطق أخرى من النقل بالسكك الحديدية ، حتى ساحات تنظيم كبيرة. ومع ذلك ، لا تزال هناك مشاكل عند مراقبة ومراقبة حركة النقل الدولي أو بسبب تعقيد البيئة ، مثل حركة قطارات الضواحي في أنواع مختلفة من المحطات. المحرك الذي يخطو إلى الأمام الأتمتة للنقل بالسكك الحديدية هو الفائدة الاقتصادية العالية للحلول المقترحة ، التي تم تحقيقها ، على سبيل المثال ، من خلال توفير الطاقة من خلال عمليات منسقة للتسارع والكبح في شبكة نقل واحدة.

في النقل الجوي ، تم استخدام التحكم الآلي في الطيران لفترة طويلة. بالنسبة للطائرات بدون طيار ، المستخدمة بشكل أساسي للأغراض العسكرية ، تم زيادة مستوى الاستقلالية من حيث تخطيط المهام المستقلة وإدارة المهام. عشرة مستويات من الاستقلالية تستخدم ALFUS (مستويات الاستقلالية للأنظمة غير المأهولة) ثلاثة إسقاطات لوصف قدرات النظام: الاستقلال عن التدخل البشري ، وتعقيد المهام وتعقيد البيئة. يميزان معًا قدرات عمر البطارية. عند البحث عن حلول تكنولوجية لأعلى درجة من الاستقلالية ، تتم أيضًا إضافة موضوعات مثل سلوك المجموعة والاتصال التكيفي بين الأجهزة والتدريب الذاتي ، والتي لم تلمس حتى الآن التصنيفات المتبقية المذكورة أعلاه.

في الإنتاج ، تكون العمليات المؤتمتة قياسية مع إدخال وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) في الثمانينيات. ومع ذلك ، فإن هذه العمليات لديها القليل من المرونة وتركز على الإنتاج الضخم. يؤدي الإنتاج الفردي أو التغييرات المدفوعة بالسوق في محفظة المنتجات إلى إعادة تشكيل مكلفة لخطوط الإنتاج وإعادة المعدات. في عملية تطوير التقنيات الرقمية واستناداً إلى مفهوم الصناعة 4.0 ، يسعى الإنتاج الفردي إلى تحقيق نفس المستوى من الكفاءة والجودة كما في الإنتاج الضخم. في الوقت نفسه ، يجب أن تتكيف تلقائيًا مع الظروف المتغيرة وأهداف الإنتاج الجديدة. تقدم جمعية Frauenhofer للأبحاث 5 مراحل تطورية ترافق هذا التطور. بادئ ذي بدء ، مطلوب لضمان جمع ومعالجة بيانات الإنتاج. سيكون هذا هو الأساس للأنظمة المساعدة التي تساعد في العمل وصنع القرار. في المرحلة الثالثة ، يوفر دمج مراحل الإنتاج في شبكة تبادل بيانات واحدة وتكاملها مع بعضها البعض الظروف اللازمة لتحسين النظام بأكمله ككل. لزيادة مرونة الإنتاج في المرحلة الرابعة ، يتطلب النظام القدرة على التحويل وإعادة التكوين. وفي المستوى الخامس الأخير ، يجب أن يكون نظام الإنتاج قادرًا على تنظيم نفسه. حتى الآن ، استقرت أنظمة الإنتاج على المستويات من الأول (جمع بيانات الإنتاج) إلى الثالث (الإنتاج ، توحده شبكة بيانات مشتركة ، كما هو الحال في إنتاج السيارات). للانتقال إلى المرحلة التالية ، كقاعدة عامة ، هناك حاجة إلى إعادة هيكلة كاملة لهندسة الإنتاج بأكملها ، والتي ، بالتالي ، مكلفة.

تظهر مستويات الاستقلالية لجميع هذه التطبيقات مرة أخرى في الجدول ، بينما جرت محاولة لتقديم درجات مماثلة من الاستقلالية من مجالات مختلفة على نفس المستوى.

استنادًا إلى الأمثلة أعلاه ، من الممكن بالفعل التعرف على الكثير من الأشياء المشتركة في التصنيفات حسب مستويات وأهداف الاستقلالية. , , SafeTRANS . :

1. , , , , . ; , .. - .
2. , , . , , . , , . . ; .
3. , , . , , , , , . , , , .
4. () – , , , , ( ). , , . .

. - , , , . Deep Learning , -, . , : , . , , , . , . . , - , .

, . , . (human-in-the-loop), . - . . . . , . , , , .

SafeTRANS, , . .
, . , , . -, , .

SafeTRANS :