Das Internet, soziale Netzwerke, Cloud-Dienste und der elektronische Handel sind zu wichtigen Bestandteilen des Lebens eines modernen Menschen geworden. Aber wir leben immer noch in der realen "analogen" Welt und nicht im Cyberspace. Umso interessanter ist es, dass sich die cyber-physischen Systeme, die diese beiden Aspekte unseres Lebens kombinieren können, jetzt sehr schnell entwickeln.
Was sind physische Cybersysteme?
Cyber-physische Systeme (aus dem Englischen. Cyber-physische Systeme oder CPS) - das Konzept ist recht komplex. Heute haben sie keine eindeutige und allgemein akzeptierte Definition erhalten, da sich diese Systeme an der Schnittstelle mehrerer Bereiche gleichzeitig befinden und abhängig von ihrer Implementierung verschiedene Aspekte unseres Lebens beeinflussen können. Ihr gemeinsames Hauptmerkmal ist eine sehr enge Wechselwirkung zwischen rechnerischen und physikalischen Prozessen. Wir können also sagen, dass ein cyber-physikalisches System ein komplexes System von rechnerischen und physikalischen Elementen ist, das ständig Daten aus der Umgebung empfängt und diese zur weiteren Optimierung von Steuerungsprozessen verwendet.
Cyber-physische Systeme umfassen intelligente Stromnetze, intelligente Transportsteuerungssysteme, automatisierte Steuerungssysteme (automatisierte Steuerungssysteme) in Produktion und Landwirtschaft sowie medizinische Geräte. Ein Beispiel für cyber-physische Systeme sind so umfangreiche und komplexe Lösungen wie Smart Cities. Es ist wichtig anzumerken, dass cyber-physische Systeme in ihrer Architektur dem Internet der Dinge ähnlich sind und ihre Elemente verwenden können, um Daten zu kommunizieren oder zu empfangen, aber im Wesentlichen sind sie viel komplizierter, so dass es falsch wäre, hier ein Gleichheitszeichen zu setzen.
Funktionsprinzipien von cyber-physischen Systemen
Wie oben erwähnt, kann das Hauptprinzip des Betriebs von cyber-physischen Systemen als eine tiefe Beziehung zwischen ihren physischen und rechnerischen Elementen bezeichnet werden. Das „Gehirn“ des Systems in Form von KI und anderen Technologien empfängt Daten von Sensoren in der realen Welt, analysiert diese Daten und verwendet sie zur weiteren Steuerung physikalischer Elemente. Dank dieser Interaktion kann das cyber-physische System unter sich ändernden Bedingungen effektiv arbeiten, beispielsweise als Analogon des menschlichen Körpers oder eines modernen Unternehmens, das die Marktsituation analysiert, um genau das Produkt zu entwickeln, das es jetzt benötigt. Darüber hinaus sollte der Zyklus „Verwaltung - Datenerfassung - Datenverarbeitung - Verwaltung“, wenn das System ordnungsgemäß funktioniert, jedes Mal positive Ergebnisse liefern und neuen Wert schaffen.
Zum Beispiel verwendet dasselbe Unternehmen Toshiba das Prinzip der cyber-physischen Systeme in seinem Projekt eines virtuellen Kraftwerks, das die Technologie des Internet der Dinge nutzt, um die Arbeit verteilter Energiequellen (Solar-, Wasserstoff- und Windenergie), Elektrofahrzeuge und Energiespeicher- / Speichersysteme, die es verbrauchen, zu koordinieren . In diesem Fall ist es möglich, mithilfe von Daten von Geräten aus dem Internet der Dinge und KI-Technologien den Stromverbrauch des Systems zu optimieren, seine Größe vorherzusagen und letztendlich maximale Energieeinsparungen zu erzielen.
Diagramm des virtuellen Kraftwerks ToshibaAndere Anwendungen für cyber-physische Systeme umfassen autonome Verkehrssteuerungssysteme, die Echtzeitinformationen von Verkehrsteilnehmern und der Straßeninfrastruktur erhalten, um Unfälle zu vermeiden und die optimale Route zum Ziel unter Berücksichtigung der Straßensituation auszuwählen. medizinische Geräte, die den Zustand der Patienten fernüberwachen und zur Untersuchung des menschlichen Körpers verwendet werden; „Intelligente“ Gebäude ohne Energieverbrauch; Mittel zur Automatisierung von Prozessen in der Landwirtschaft ... Allen diesen Beispielen ist gemeinsam, dass cyber-physische Systeme das Leben der Menschen wirklich erleichtern und ihr Niveau erhöhen können, weshalb viele große Unternehmen jetzt einen Entwicklungskurs absolvieren, um sie zu entwickeln.
Smart Cities als Beispiel für große cyber-physische Systeme
Die Fähigkeit, mit Hilfe dieser Systeme "das Leben der Menschen besser und einfacher zu machen", lässt sich am Beispiel "intelligenter" Städte perfekt veranschaulichen. Singapur wurde wiederholt von verschiedenen Forschern als die intelligenteste der „intelligenten“ Städte der Welt anerkannt, und seine Regierung geht noch weiter und glaubt, an einem „Smart Nation“ -Projekt zu arbeiten (Smart Nation - der Name des Stadtentwicklungsprogramms von Singapur). Eine Reihe von Start-ups entwickeln gemeinsam Lösungen für Singapur, die sich auf fast alle Lebensbereiche der Bürger beziehen - von der Strafverfolgung über die automatische Behebung von Verstößen bis hin zur Verwaltung des Verkehrssystems und der Energieressourcen, der Wasserversorgung und des Gesundheitswesens. Dies führt zum Beispiel dazu, dass allein ein Verkehrskontrollsystem für singapurische Fahrer Zehntausende von Stunden pro Jahr einsparen kann.
Die klügste Stadt SingapursEine weitere Option für einen „intelligenten“ Ansatz der Stadtplanung ist Masdar in den Vereinigten Arabischen Emiraten, der in der Nähe von Abu Dhabi gebaut wird. Masdar sollte eine „Öko-Stadt“ werden, die ihre Bedürfnisse mit Hilfe erneuerbarer Energiequellen vollständig erfüllt, alle Abfälle vollständig verarbeitet und traditionelle Verkehrsträger zugunsten des öffentlichen und persönlichen autonomen Verkehrs vollständig aufgibt. Für ein effizientes Management von Ressourcen und Verkehrsströmen in Masdar werden natürlich die neuesten Technologien angewendet, einschließlich cyber-physischer Systeme.
Öko-Stadt „Masdar“ in der Wüste Rub el KhaliIm Allgemeinen haben cyber-physische Systeme in den letzten Jahren einen großen Entwicklungsimpuls erhalten, der mit einer Zunahme der Anzahl „intelligenter“ Geräte und Sensornetzwerke und ihrer Integration in immer größere Systeme, beispielsweise das Internet der Dinge, verbunden ist. Laut Dr. Ciro Saito, Technischer Direktor von Toshiba, ist der Übergang zu Open Innovation für die Zukunft dieser Systeme sehr wichtig. "Es ist unerlässlich, nicht in die Falle zu tappen, alles selbst erreichen zu wollen", stellt er fest. Aus diesem Grund investiert das Unternehmen aktiv in moderne Technologien für cyber-physische Systeme und arbeitet mit anderen Organisationen zusammen, um beispielsweise den Energieverbrauch von KI-Chips zu senken (das aktuelle Ergebnis ist eine Reduzierung um 88 Prozent).
Cyber-physische Systeme sind ein so umfangreiches und vielversprechendes Thema, dass nur durch gemeinsame Anstrengungen verschiedene Unternehmen, Forschungsinstitute und Organisationen in der Lage sein können, neue Technologien und neue Produkte zu entwickeln, auch zur Lösung drängender sozialer Probleme.