Кіберфізичні системи та розумні міста

Як розумні пристрої, датчики та виконавчі елементи підтримують розвиток Інтернету речей

Синергія кіберпростору та реального світу

Інтелектуальні пристрої стають все складнішими і знаходять все більше можливостей, залишаючись відносно дешевими. Багато хто з них використовують доступ до високошвидкісних бездротових мереж, включаючи мережі стандарту 4G. В Інтернеті речей (Internet of Things, IoT) будь-який об'єкт може отримувати інформацію з навколишнього середовища, керувати отриманими даними та надавати їх іншим пристроям або користувачам.

Інтернет речей — це динамічне розподілене середовище, яке пов'язує безліч інтелектуальних пристроїв, здатних сприймати довкілля та виконувати відповідні дії. Такі пристрої дозволяють відслідковувати стан зовнішнього середовища, збирати інформацію про реальний світ і створювати системи повсюдних обчислень, в яких кожен пристрій може взаємодіяти з будь-яким іншим пристроєм у світі, де б він не знаходився. IoT-технології підвищують ступінь проникнення Інтернету, забезпечуючи спільну роботу пристроїв як окремих датчиків або як сукупності різних датчиків, що утворюють кінцеву макросистему і діють як єдине ціле.

Синергія обчислювальних та фізичних компонентів взагалі та створення кіберфізичних систем (cyber-physical system) зокрема підтримують розвиток Інтернету речей. Кіберфізичні системи забезпечують спільну роботу елементів кібернетичного та фізичного просторів, інтегруючи обчислювальні ресурси. Найчастіше кіберфізичні системи підтримують реальні процеси та забезпечують операційний контроль об'єктів в Інтернеті речей, дозволяючи фізичним пристроям сприймати довкілля та змінювати його.

Кіберфізичні системи

У кіберфізичних системах обчислювальні елементи взаємодіють з датчиками, які забезпечують моніторинг кіберфізичних показників, та з виконавчими елементами, які вносять зміни до кіберфізичного середовища. Найчастіше кіберфізичні системи орієнтовані те що, щоб якимось чином керувати довкіллям. Кіберфізичні системи об'єднують інформацію від інтелектуальних датчиків, розподілених у фізичному середовищі, для кращого розуміння середовища та виконання більш точних дій.

Рисунок 1. Архітектура кіберфізичної системи

Наведемо кілька прикладів практичного застосування кіберфізичних систем:

Розумні міста

Розумні міста можна розглядати як масштабні кіберфізичні системи — з датчиками, які відстежують обчислювальні та фізичні показники, та виконавчими елементами, які певним чином змінюють складне міське середовище. Уряди, організації та технологічні галузі зайняті вирішенням завдань, що породжуються зростаючим рівнем урбанізації, з метою покращення міського життя, наприклад, шляхом підвищення ефективності енергопостачання та якості послуг.

У звіті ООН про прогнози чисельності населення United Nations Population Prospects, 2014 Revision відзначається стрімке та постійне збільшення частки міських жителів у всьому світі. У 2014 році вже 54% населення світу було зосереджено у містах, а протягом наступного десятиліття відбуватимуться ще глибші зміни у кількості та територіальному розподілі населення у всьому світі. В 1950 частка міського населення становила 30%, а до 2050 вона може зрости до 66%. Наступна ілюстрація відтворює малюнок 2 із звіту United Nations Population Prospects, 2014 Revision.

Малюнок 2. Дані про міське та сільське населення світу у 1950–2050 роках. (Зі звіту United Nations Population Prospects, 2014 Revision)

Малюнок 3. Розподіл розумних та нерозумних міст з населенням понад 100000 осіб по території Європейського Союзу (за даними звіту Mapping Smart Cities in the EU, 2014 рік)

SmartSantander – це масштабний дослідницький проект, в рамках якого на території Сантандера (Іспанія) було встановлено тисячі датчиків. Метою проекту є розробка інтелектуального рішення та покращення різних аспектів міського життя, у тому числі зменшення інтенсивності дорожнього руху, скорочення енергоспоживання, покращення довкілля та підвищення включеності громадян до життя міста. Крім того, передбачається, що інформацію, що збирається, можна буде використовувати спільно з третіми сторонами для розробки інших корисних додатків. Цей проект також має перевірити можливість скорочення дистанції між теоретичним проектуванням розумних інфраструктур та реальним впровадженням корисних додатків. Результати такої перевірки допоможуть у майбутньому прискорити застосування IoT-технологій та кіберфізичних систем у реальних сценаріях.

Сінгапур, який протягом багатьох років визнається найрозумнішим містом у світі, стає провідною нацією у розгортанні розумних інфраструктур і забезпеченні якісного обслуговування (див. статтю What's the Second Act for the World's First Intelligent Community). Сінгапур — один із найважливіших ділових центрів світу, з одним із найбільш завантажених морських портів та одним із п'яти найбільших азіатських аеропортів. Влада Сінгапуру розраховує створити першу у світі розумну націю, щоб підтримувати економічне зростання, задовольнятипотреби населення та показувати приклад іншим націям. Концепція розумної нації передбачає:

ефективніші політики управління різним контекстом;
розробку нових бізнес-моделей та потоків доходів, які можуть зміцнити економічне зростання;
підвищення активності участі громадян у діяльності щодо створення більш якісних сервісів для покращення повсякденного життя спільноти.

Майбутні проблеми

Для успіху кіберфізичних систем та розумних міст людям необхідно мислити та діяти по-іншому та активніше включатися в життя міста. Надзвичайно важливими є активні спільноти, здатні агрегувати розподілені знання окремих людей та вести спільну діяльність щодо вдосконалення міських служб.

Сучасні технології забезпечують розподілені обчислення та краудсорсинг, обмін інформацією між користувачами та формування колективних знань. Колективні знання — один із ключів до успіху кіберфізичних систем та розумних міст. Колективні знання ґрунтуються на колективному сприйнятті, яке підтримує спільний моніторинг міського середовища. Тут потрібні спільні дії для ефективного виконання завдань, що становлять спільний інтерес.

З технічної точки зору належить вирішити ще безліч складних проблем — як мінімум ефективним і застосовним у реальних умовах способом. Ось деякі з таких проблем:

Різнорідність даних. Різнорідність даних - це серйозна проблема, яка може негативно впливати на ефективність взаємодій та розробку комунікаційних протоколів. Системи повинні бути здатні підтримувати велику кількість різних програм та пристроїв.
Надійність. Кіберфізичні системи можна використовувати втаких критично важливих галузях, як охорона здоров'я, інфраструктура, транспорт та багато інших. Основними вимогами є надійність та безпека, оскільки виконавчі елементи впливають на довкілля. Фактично вплив виконавчих елементів може бути незворотним, тому ймовірність їхньої непередбаченої поведінки має бути зведена до мінімуму. Крім того, довкілля непередбачуване, тому кіберфізичні системи мають бути здатними продовжувати роботу в непередбачених обставинах і адаптуватися у разі збоїв.
Управління даними. Необхідно зберігати та аналізувати великі дані, що надходять від різних мережевих пристроїв, обробляти їх і в реальному часі виводити результати. Даними можна керувати з використанням відкладеної або оперативної потокової обробки залежно від призначення системи. При використанні потоків в реальному часі інформація може часто змінюватися і обробка ґрунтується на адаптивних та постійних запитах.
Конфіденційність. Проблема полягає у підтримці балансу між збереженням конфіденційності та захистом персональних даних - і доступністю даних для надання якіснішого обслуговування. Оскільки кіберфізичні системи управляють значними обсягами даних, що включають таку конфіденційну інформацію, як здоров'я, стать, віросповідання та багато інших персональних відомостей, виникають серйозні проблеми конфіденційності даних. Для кіберфізичних систем необхідні політики забезпечення конфіденційності, тому потрібен інструмент знеособлення даних, що дозволяє видаляти персональну інформацію перед обробкою системою.
Безпека. Кіберфізичні системи повинні забезпечувати безпекукомунікацій, оскільки всі дії координуються між пристроями у часі. Кіберфізичні системи розширюють масштаб та обсяг взаємодії між фізичними та обчислювальними системами, що ускладнює завдання забезпечення безпеки. Для вирішення цієї проблеми недостатньо традиційних інфраструктур безпеки, і потрібно шукати нові рішення. Необхідно захищати як дані, що надходять, так і дані, що зберігаються, зібрані для використання в майбутньому. І нарешті, кіберфізичні системи ґрунтуються на різноманітних додатках та бездротових комунікаціях, що найчастіше ускладнює забезпечення безпеки.
Реальний час. Кіберфізичні системи управляють значними обсягами даних, одержуваних від датчиків. Обчислювальна обробка має бути ефективною та своєчасною, оскільки фізичні процеси продовжуються незалежно від результатів обчислень. Для задоволення цієї вимоги кіберфізичні системи повинні мати пропускну здатність або потужність, необхідну для підтримки негайної обробки, оскільки невиконання своєчасних дій може призвести до довгострокового збитку.

Висновок

Перед нами стоїть завдання освоєння результатів технологічної еволюції, яку Інтернет речей (у тому числі кіберфізичні системи) привносить у наше повсякденне життя. Ці технології будуть підвищувати якість обслуговування і зрештою працювати на благо навколишнього середовища в міру появи розумних міст по всьому світу.

Кіберфізичні системи, що є рушійною силою інновацій, охоплюють безліч різних дисциплін. Співпраця різних галузей може зробити їх важливою виробничою силою. Крім того, для кіберфізичних систем потрібні висококваліфіковані кадри, томунеобхідні співробітництво та взаємодія галузей та університетів. І нарешті, кіберфізичні системи мають величезний потенціал для зміни та вдосконалення кожного аспекту життя людей, допомагаючи вирішувати критично важливі для нашого суспільства проблеми та перевершуючи сучасні розподілені системи у плані безпеки, продуктивності, ефективності, надійності, зручності використання та за багатьма іншими показниками.