Интернет, социальные сети, облачные службы и электронная коммерция стали важными составляющими жизни современного человека. Но живём мы всё же в реальном «аналоговом» мире, а не в киберпространстве. Тем интересней, что кибер-физические системы, которые способны объединить эти два аспекта нашей жизни, сейчас развиваются очень быстрыми темпами.
Что такое кибер-физические системы?
Кибер-физические системы (от англ. cyber-physical systems, или CPS) — понятие достаточно комплексное. Однозначного и общепринятого определения на сегодняшний день они не получили, так как эти системы находятся на пересечении сразу нескольких сфер и, в зависимости от реализации, способны затрагивать самые разные аспекты нашей жизни. Их главной общей характеристикой является очень плотное взаимодействие между вычислительными процессами и процессами физическими, поэтому можно сказать, что кибер-физическая системя — это комплексная система из вычислительных и физических элементов, которая постоянно получает данные из окружающей среды и использует их для дальнейшей оптимизации процессов управления.
К кибер-физическим системам можно отнести «умные» сети электроснабжения, системы управления «умным» транспортом, АСУ (автоматизированные системы управления) в производстве и сельском хозяйстве, а также медицинское оборудование. Одним из примеров кибер-физических систем являются такие масштабные и комплексные решения, как «умные» города. Важно отметить, что кибер-физические системы схожи по архитектуре с интернетом вещей и могут использовать его элементы для связи или получения данных, но по своей сути они намного сложнее, поэтому ставить знак равенства тут было бы некорректно.
Принципы работы кибер-физических систем
Как уже было сказано выше, главным принципом работы кибер-физических систем можно назвать глубокую взаимосвязь между их физическими и вычислительными элементами. «Мозг» системы в виде ИИ и других технологий получает данные от сенсоров в реальном мире, анализирует эти данные и использует их для дальнейшего управления физическими элементами. Благодаря такому взаимодействию кибер-физическая система способна эффективно работать в изменяющихся условиях, как аналог человеческого организма или современная компания, которая анализирует ситуацию на рынке, чтобы разработать именно тот продукт, который ему сейчас нужен. Причём цикл «управление — получение данных — обработка данных — управление» при налаженной работе системы каждый раз должен давать позитивные результаты и создавать новую ценность.
К примеру, та же компания Toshiba использует принцип кибер-физических систем в своём проекте виртуальной электростанции, которая применяет технологии интернета вещей, чтобы координировать работу распределённых источников энергии (солнечной, водородной и энергии ветра), потребляющих её электротранспортных средств и систем хранения/накопления энергии. При помощи данных от устройств интернета вещей и технологий ИИ в данном случае удаётся оптимизировать энергопотребление системы, предсказать его масштабы и в итоге добиться максимальной экономии электроэнергии.
Схема виртуальной электростанции Toshiba
Среди других вариантов применения кибер-физических систем можно назвать системы управления автономным транспортом, которые в реальном времени получают информацию от участников дорожного движения и дорожной инфраструктуры, чтобы избежать ДТП и подобрать оптимальный маршрут к месту назначения с учётом ситуации на дороге; медицинское оборудование, которое дистанционно отслеживает состояние больных и применяется для исследования человеческого организма; «умные» здания с нулевым потреблением электроэнергии; средства автоматизации процессов в сельском хозяйстве… Общим во всех этих примерах будет то, что кибер-физические системы способны действительно сделать жизнь людей проще и повысить её уровень, поэтому многие крупные компании сейчас берут курс развития на их разработку.
«Умные» города как пример масштабных кибер-физических систем
Возможность «сделать жизнь людей лучше и проще» при помощи этих систем отлично можно проиллюстрировать как раз на примере «умных» городов. Сингапур уже неоднократно признавался различными исследователями самым умным из «умных» городов на планете, причём его правительство идёт ещё дальше и считает, что работает над проектом «умной нации» (Smart Nation — название программы городского развития Сингапура). Целый ряд стартапов совместно создаёт решения для Сингапура, которые касаются практически всех сфер жизни горожан — от охраны правопорядка и автоматической фиксации нарушений до управления транспортной системой и энергоресурсами, водоснабжения и здравоохранения. И это даёт свои результаты, например, одна только система управления транспортными потоками способна сэкономить сингапурским водителям десятки тысяч часов в год.
Самый умный из «умных» городов Сингапур
Другим вариантом «умного» подхода к градостроению можно считать г. Масдар в ОАЭ, который строится неподалёку от Абу-Даби. Масдар должен стать «экогородом», который полностью обеспечивает свои потребности при помощи возобновляемых источников энергии, полностью перерабатывает все отходы и полностью отказался от традиционных видов транспорта в пользу общественного и персонального автономного транспорта. Естественно, для эффективного управления ресурсами и транспортными потоками в Масдаре будут применяться новейшие технологии, включая и кибер-физические системы.
Экогород «Масдар» в пустыне Руб эль Хали
В целом, в последние годы кибер-физические системы получили большой толчок к развитию, который связан с ростом количества «умных» устройств и сенсорных сетей и объединением их во всё более крупные системы, например, интернет вещей. Но, как считает технический директор Toshiba доктор Cиро Саито (Shiro Saito), очень важным для будущего этих систем является переход к открытым инновациям. «Крайне важно не попасться в ловушку желания достичь всего самостоятельно», — отмечает он. Именно поэтому компания активно занимается инвестициями в современные технологии, связанные с кибер-физическими системами, и сотрудничает с другими организациями, например, работает совместно со Стэндфордским университетом над снижением энергопотребления ИИ-чипов (текущий результат — 88-процентное снижение).
Кибер-физические системы — это настолько обширная и перспективная тема, что только совместными усилиями различные компании, НИИ и организации смогут разрабатывать новые технологии и новые продукты, в том числе и для решения актуальных социальных проблем.
