Робототехника
Научно-популярная статья. Ключевые слова: CPS, cybernetics, CPPS, cyber-physical system, Industry 4.0.
Начнём несколько издалека.
Главная беда России, как ни странно, что бы ни думали писатели и поэты, всё же не «дураки и дороги». Писатели – они люди романтичные и никогда не бывали на большом производстве, иначе они со всей очевидностью ощутили бы на своей шкуре всю тщетность бытия под управлением безжалостного и беспощадного российского менеджмента. Парадоксально, но именно менеджмент является самым главным минусом, и в то же время самым большим преимуществом перед лицом организованных и тщательно спланированных атак извне. Для простых «работяг» это выливается в зачастую абсурдные распоряжения и невыполнимые указания, а для всех внешних наблюдателей это выглядит как что-то, что не должно, по идее, ни плавать, ни ходить, ни летать.
Последним нововведением всевозможных российских начальствующих кабинетов является такой пафосный и сладко-манящий термин «Индустрия 4.0», про который все талдычат, но мало кто понимает, что за этим скрывается. Этакая новая «нанотехнология». К ней обычно ещё присовокупляют некий «Интернет вещей IoT». Названия, надо сказать, что надо. Правда, есть тут и здравое зерно, но оно, как обычно, лежит совершенно не в той области, вокруг которой бегают начальники.
Давайте сегодня поговорим не о мифах и легендах российских начальников, а о совершенно реальных и конкретных вещах, важных для массового производства. Дело в том, что и интернет вещей, и промышленность-четыре-ноль являются лишь частными случаями одного большого термина, который в своей пионерской статье 2006-го года «Cyber Physical Systems. Are Computing Foundations Adequate?» впервые ввёл E.A. Lee.
Киберфизические системы (CPS) — это интеграция вычислений с физическими процессами. Встроенные компьютеры и сети отслеживают и управляют физическими процессами, обычно с петлями обратной связи, в которых физические процессы влияют на вычисления и наоборот. Проблема состоит в том, что в физическом мире течение времени неумолимо, обусловленное ростом энтропии всей вселенной, и параллелизм является неотъемлемой её частью. Ни одно из этих свойств не присутствует в современных вычислительных и сетевых абстракциях.
Получается, что несоответствие между этими абстракциями и свойствами физических процессов препятствует техническому прогрессу. Сегодня существуют технические подходы, которые частично восполняют пробел в абстракции (такие как операционные системы реального времени, промежуточные технологии, специализированные архитектуры встроенных процессоров и специализированные сетевые протоколы), и, безусловно, существуют значительные возможности для улучшения этих технологий. Однако, Эдвард Ли затрагивает в своей фундаментальной основополагающей статье вопросы создания новой базы для таких моделей, на, по сути, новой научной дисциплине, связывающей вычисления и физический мир.
Вообще, интернет – это средство или метод, а промышленность – это область применения, но, как показала практика, такие системы, которые в статье названы кибер-физическими, можно теперь найти практически в любой области нашей жизнедеятельности: от автомобиля и сотового телефона, когда через интернет управляется с телефона какой-нибудь прибор, даже автомобиль, до каких-нибудь объектов на атомных станциях или заводах непрерывного цикла производства. Таким образом, вполне назрела необходимость разработать стандарты и определения данной области.
Изначально, корни данного научного направления растут из основ теории автоматического управления (ТАУ), а точнее его западного наименования «кибернетика». Вначале это была наука об управлении различными объектами, которую создал выдающий американский математик Норберт Винер, в честь которого даже был назван персонаж серии книг Айзека Азимова о роботе Норби. Подробнее в его книге - Norbert Wiener. CYBERNETICS or control and communication in the animal and the machine. Second Edition. The M.I.T. Press, Cambridge, Massachusetts, 1948. Свою науку Норберт Винер решил назвать от греческого слова κυβερνητης (kybernetes), обозначавшего рулевого на лодке-плоскодонке. Сейчас мы это слово встречаем в таких терминах как «губернатор», «гувернёр», «government» и прочее. Винер впервые ввёл многие термины и понятия, при этом, совершенно не используя компьютеры или процессоры, он смог организовать автоматическое управление прицеливанием зенитных установок во время второй мировой войны. За это мировая наука ему безмерно благодарна, но была одна вещь, которую он не учёл. Последней инстанцией принятия решений была не машина, а сам человек – вторая петля принятия решений. С приходом полупроводниковых контроллеров мир кибернетики изменился неузнаваемо, теперь только ленивый прибор не содержит в себе чип или печатную плату – «мозги». Возвысилась и расцвела именно кибернетика второго порядка, когда второй петлёй обратной связи стал сам человек, ставящий задачи автоматическим роботизированным системам, которые, в свою очередь, уже непосредственно осуществляют управление и контроль над объектом управления.
Существует, по крайней мере, два типа таких систем. Автономные киберфизические системы — это системы, способные принимать решения и действовать независимо. Однако на данный момент развитие киберфизических систем происходит в основном в полуавтономных системах. Это системы, которые работают независимо только в заранее определенных условиях, например, полуавтономные дроны. Пользователи могут задать траекторию полета, а затем машинное зрение в реальном времени позволит дрону избегать препятствий, устраняя необходимость в ручном полете», — говорит Роберто Сабатини в своей статье.
«Другой тип киберфизических систем — это человеко-машинные системы с обратной связью или киберфизически-человеческие системы. В этих системах человек-оператор может взаимодействовать с другими элементами системы только в случае необходимости. Система — это когнитивная система, способная учиться у окружающей среды, у человека и у самой себя, чтобы принимать решения в режиме реального времени, но человек остается неотъемлемой частью процесса принятия решений в системе».
В любом случае, теперь в исследовательском сообществе существует совершенно ясное понимание, что потенциальные выгоды огромны даже для отраслей, где термин «киберфизические системы» может быть не слишком широко распространен.
Если генерализировать и обобщить кибер-физическую теорию, то это, в основном, модели, в том числе цифровые, включающие в себя все параметры управляемого объекта, тогда как сам объект расположен непосредственно в физическом мире, система управления держит в «мозгах» некоторую виртуальную модель. Как ни странно, совершенно так же поступает и наш человеческий мозг. На сегодняшний день существует множество областей применения данной теории, но самый интересный для нас будет та область, которую можно приблизительно охарактеризовать как «кибер-производство». В западной классификации этот термин имеет вид Cyber Physical Production Systems (CPPS). Подробнее в статье Olivier Cardin. Classification of cyber-physical production systems applications: proposition of an analysis framework. LUNAM Université, IUT de Nantes – Université de Nantes, LS2N UMR CNRS 6004
Кратко тезисы.
Кибер-физическая система = Cyber-Physical System (CPS). Термин "кибер-физические системы" впервые прозвучал в 2006 году, то есть совсем недавно по меркам промышленной истории. Отличительной особенностью кибер-физической системы является взаимодействие ее элементов между собой и с окружающим миром через Интернет. Взаимодействие сопровождается интенсивной обработкой данных от датчиков, следящих за объектами и процессами. Полученные данные используются для оптимизации процессов и принятия управляющих решений.
Кибер-производство = Cyber-Physical Production System (CPPS). Принципы кибер-физической системы можно объединить с распределенным производством и технологическим оборудованием. Тогда образуется умное производство как новый вид машиностроения и индустрии в целом. Система управления, наделенная искусственным интеллектом, постоянно мониторит технологические процессы, анализирует данные от датчиков и принимает решение, например, об оптимизации энергопотребления. Кибер-производство становится в значительной степени автономной системой, даже безлюдной. Отсутствие человека снижает ошибки с ним связанные.
Распределенная система управления ломает пирамиду. Всему виной быстрые каналы связи, которые способны одновременно соединить множество объектов и субъектов управления, Постоянно обменивающиеся информацией элементы системы расположены на разных территориях и на разных уровнях иерархии. Схема управляющих воздействий в распределенной системе больше напоминает сетку, чем классическую пирамиду.
Создано / Изменено: 17 января 2023 / 31 мая 2023
© ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Увидели ошибку?
выделите фрагмент и нажмите:
Ctrl + Enter
Дизайн портала: Artsofte
© 2024 Огородников Алексей Игоревич
Техноцентр компьютерного инжиниринга
+7 (343) 375-94-03 г. Екатеринбург
Мы в социальных сетях: