Презентация

Слайд 1

Киберфизические системы

В киберфизических системах вычислительные элементы взаимодействуют с датчиками, которые обеспечивают мониторинг киберфизических показателей, и с исполнительными элементами, которые вносят изменения в киберфизическую среду. Зачастую киберфизические системы ориентированы на то, чтобы каким-либо образом управлять окружающей средой. Киберфизические системы объединяют информацию от интеллектуальных датчиков, распределенных в физической среде, для лучшего понимания среды и выполнения более точных действий. 

В физическом контексте исполнительные элементы на основе получаемых данных вносят изменения в среду обитания пользователей. В виртуальном контексте киберфизические системы применяются для сбора данных о виртуальных действиях пользователей, таких как использование социальных сетей, блогов и сайтов электронной коммерции. Затем киберфизические системы определенным образом реагируют на такие данные, прогнозируя действия или потребности пользователей в целом. Используя такие программные продукты, как IBM WebSphere Sensor Events, можно анализировать данные и события, поступающие от датчиков в реальном времени, и встраивать их в интеллектуальные решения. 

Рисунок 1. Архитектура киберфизической системы

Приведем несколько примеров практического применения киберфизических систем: 

• В производственной среде: киберфизические системы могут улучшить производственные процессы, обеспечивая обмен информацией реального времени между промышленным оборудованием, производственной цепочкой поставок, поставщиками, системами управления бизнесом и клиентами. Кроме того, киберфизические системы могут повышать эффективность этих процессов благодаря автоматическому мониторингу и контролю всего производственного процесса и адаптации производства для удовлетворения предпочтений клиентов. Киберфизические системы повышают прозрачность и управляемость цепочек поставок, улучшая отслеживаемость и безопасность товаров.
• В здравоохранении: киберфизические системы используются для дистанционного мониторинга физических показателей пациентов в реальном времени с целью уменьшения потребностей в госпитализации (например, пациентов с болезнью Альцгеймера) или для улучшения ухода за инвалидами и пожилыми людьми. Кроме того, киберфизические системы применяются в нейробиологических исследованиях для изучения функций организма человека с использованием интерфейсов между мозгом и оборудованием и терапевтической робототехники.
• В возобновляемой энергетике: интеллектуальные энергосети представляют собой киберфизические системы, в которых датчики и другие устройства обеспечивают мониторинг сети для целей контроля, повышения надежности и энергоэффективности.
• В интеллектуальных зданиях: совместная работа интеллектуальных устройств и киберфизических систем позволяет сократить энергопотребление, повысить безопасность и защищенность, а также создать более комфортные условия для жителей. Например, киберфизические системы могут поддерживать мониторинг энергопотребления и использование систем регулирования для реализации концепции дома с нулевым потреблением электроэнергии. Кроме того, их можно использовать для определения степени ущерба для зданий в результате непредвиденных событий и предотвращения разрушения конструкций.
• На транспорте: транспортные средства и инфраструктура могут взаимодействовать между собой, обмениваясь в реальном времени информацией о дорожном движении, местоположении и проблемах, предотвращая транспортные инциденты и дорожные пробки, повышая безопасность и в конечном итоге экономя время и деньги.
• В сельском хозяйстве: киберфизические системы могут использоваться для создания более современного и эффективного сельского хозяйства. Они могут собирать важную информацию о климате, почве и другие данные для более точного управления сельскохозяйственными работами. Датчики киберфизических систем могут вести постоянный мониторинг различных показателей, таких как орошение почвы, влажность воздуха и здоровье растений, для поддержания оптимальных окружающих условий.
• В вычислительных средах: киберфизические системы позволяют лучше понимать поведение систем и пользователей для повышения производительности и более эффективного управления ресурсами. Например, можно оптимизировать работу приложений с учетом контекста и действий пользователей или отслеживать доступность ресурсов. Кроме того, популярные социальные сети и сайты электронной коммерции хранят информацию о действиях пользователей и затребованном контенте, анализируют эту информацию, чтобы предсказывать, что может быть интересно пользователям, и предлагать рекомендации в отношении друзей, публикаций, ссылок, страниц, событий или продуктов.

Слайд 2

Разумные города можно рассматривать как масштабные киберфизические системы — с датчиками, которые отслеживают вычислительные и физические показатели, и исполнительными элементами, которые определенным образом меняют сложную городскую среду. Правительства, организации и технологические отрасли заняты решением задач, порождаемых растущим уровнем урбанизации, в целях улучшения городской жизни, например, путем повышения эффективности энергоснабжения и качества услуг.

В отчете ООН о прогнозах численности населения United Nations Population Prospects, 2014 Revision отмечается стремительное и постоянное увеличение доли городских жителей по всему миру. В 2014 году уже 54% населения мира было сосредоточено в городах, а в течение следующего десятилетия будут происходить еще более глубокие изменения в количестве и территориальном распределении населения во всем мире. В 1950 году доля городского населения составляла 30%, а к 2050 году она может вырасти до 66%. Следующая иллюстрация воспроизводит рисунок 2 из отчета United Nations Population Prospects, 2014 Revision.

Рисунок 2. Данные о городском и сельском населении мира в 1950–2050 гг. (из отчета United Nations Population Prospects, 2014 Revision)

Слайд 3

Такие темпы урбанизации и старение населения заставляют городские администрации пересматривать свои организационные структуры и инфраструктуры в свете новых задач. Такими задачами являются, среди прочего, ответственное и экономное использование ключевых ресурсов — электроэнергии, воды, продуктов питания и сырьевых материалов. Стремительный и незапланированный рост городского населения будет угрожать устойчивому развитию, если не разработать необходимую инфраструктуру. В этом контексте для успешного развития города совершенно необходимо повышение эффективности. В результате таких усилий появляются разумные города (масштабные киберфизические системы), такие как Сантандер, Сингапур, Бостон и многие другие (см. примеры внедрения решений IBM для разумных городов).

На рисунке 3 показана карта распределения разумных (и не разумных) европейских городов с населением более 100000 человек. Разумными являются города, которые соответствуют критериям, основывающимся на таких характеристиках, как разумное управление, разумное проживание, разумная мобильность, разумные граждане, разумная экономика и разумная окружающая среда. Эта иллюстрация воспроизводит рисунок 10 из отчета Европейского парламента Mapping Smart Cities in the EU, опубликованного в 2014 году.

Рисунок 3. Распределение разумных и не разумных городов с населением более 100000 человек по территории Европейского союза (по данным отчета Mapping Smart Cities in the EU, 2014 год)

SmartSantander — это масштабный исследовательский проект, в рамках которого на территории города Сантандер (Испания) были установлены тысячи датчиков. Целью проекта является разработка интеллектуального решения и улучшение различных аспектов городской жизни, в том числе уменьшение интенсивности дорожного движения, сокращение энергопотребления, улучшение окружающей среды и повышение включенности граждан в жизнь города. Кроме того, предполагается, что собираемую информацию можно будет использовать совместно с третьими сторонами для разработки других полезных приложений. Этот проект также призван проверить возможность сокращения дистанции между теоретическим проектированием разумных инфраструктур и реальным внедрением полезных приложений. Результаты такой проверки помогут в будущем ускорить применение IoT-технологий и киберфизических систем в реальных сценариях.

Сингапур, в течение многих лет признаваемый самым разумным городом в мире, становится лидирующей нацией в развертывании разумных инфраструктур и обеспечении качественного обслуживания (см. статью What's the Second Act for the World's First Intelligent Community). Сингапур — один из важнейших деловых центров мира, с одним из самых загруженных морских портов и одним из пяти крупнейших азиатских аэропортов. Власти Сингапура рассчитывают создать первую в мире разумную нацию, чтобы поддерживать экономический рост, удовлетворять потребности населения и показывать пример другим нациям. Концепция разумной нации предполагает:

• более эффективные политики управления различным контекстом;
• разработку новых бизнес-моделей и потоков доходов, которые могут укрепить экономический рост;
• повышение активности участия граждан в деятельности по созданию более качественных сервисов для улучшения повседневной жизни сообщества.

В конкурсе IBM Smarter Cities Challenge 2012 Бостон получил грант как награду за инновации и существующую экосистему. Фактически присутствие в этом регионе множества университетов и новых компаний поддерживает движение города к изучению передовых технологий и освоению новых моделей. Кроме того, администрация Бостона направляет значительные инвестиции на исследования, разработки и технологические инновации. Его жители считаются одними из самых интеллектуальных людей в мире. Бостон одним из первых стал использовать механизм краудсорсинга для сбора данных об окружающей среде. Также был запущен экспериментальный проект для поддержки сотрудничества граждан и стимулирования их участия в деятельности по повышению качества обслуживания.

Слайд 4

Амазон склады

Слайд 5

Амазон магазин

Слайд 6

Для успеха киберфизических систем и разумных городов людям необходимо мыслить и действовать по-другому и активнее включаться в жизнь города. Чрезвычайно важны активные сообщества, способные агрегировать распределенные знания отдельных людей и вести совместную деятельность по совершенствованию городских служб.

Современные технологии обеспечивают распределенные вычисления и краудсорсинг, обмен информацией между пользователями и формирование коллективных знаний. Коллективные знания — один из ключей к успеху киберфизических систем и разумных городов. Коллективные знания основываются на коллективном восприятии, поддерживающем совместный мониторинг городской среды. Здесь требуются совместные действия для эффективного выполнения задач, представляющих общий интерес.

С технической точки зрения предстоит еще решить множество сложных проблем — как минимум эффективным и применимым в реальных условиях способом. Вот некоторые из таких проблем: 

• Разнородность данных. Разнородность данных — это серьезная проблема, которая может негативно влиять на эффективность взаимодействий и разработку коммуникационных протоколов. Системы должны быть способны поддерживать большое количество различных приложений и устройств.
• Надежность. Киберфизические системы можно использовать в таких критически важных областях, как здравоохранение, инфраструктура, транспорт и многие другие. Основными требованиями являются надежность и безопасность, поскольку исполнительные элементы оказывают влияние на окружающую среду. Фактически влияние исполнительных элементов может быть необратимым, поэтому вероятность их непредвиденного поведения должна быть сведена к минимуму. Кроме того, окружающая среда непредсказуема, поэтому киберфизические системы должны быть способны продолжать работу в непредвиденных обстоятельствах и адаптироваться в случае сбоев.
• Управление данными. Необходимо хранить и анализировать большие данные, поступающие от различных сетевых устройств, обрабатывать их и в реальном времени выводить результаты. Данными можно управлять с использованием отложенной или оперативной потоковой обработки, в зависимости от назначения системы. При использовании потоков в реальном времени информация может часто меняться и обработка основывается на адаптивных и постоянных запросах.
• Конфиденциальность. Проблема заключается в поддержании баланса между сохранением конфиденциальности и защитой персональных данных — и доступностью данных для предоставления более качественного обслуживания. Поскольку киберфизические системы управляют значительными объемами данных, включающих такую конфиденциальную информацию, как здоровье, пол, вероисповедание и множество других персональных сведений, возникают серьезные проблемы конфиденциальности данных. Для киберфизических систем необходимы политики обеспечения конфиденциальности, поэтому нужен инструмент обезличивания данных, позволяющий удалять персональную информацию перед обработкой данных системой.
• Безопасность. Киберфизические системы должны обеспечивать безопасность коммуникаций, поскольку все действия координируются между устройствами в реальном времени. Киберфизические системы расширяют масштаб и объем взаимодействия между физическими и вычислительными системами, что усложняет задачи обеспечения безопасности. Для решения этой проблемы недостаточно традиционных инфраструктур обеспечения безопасности, и нужно искать новые решения. Необходимо защищать как поступающие данные, так и хранимые данные, собранные для использования в будущем. И наконец, киберфизические системы основываются на разнородных приложениях и беспроводных коммуникациях, что зачастую усложняет обеспечение безопасности. 
• Реальное время. Киберфизические системы управляют значительными объемами данных, получаемых от датчиков. Вычислительная обработка должна быть эффективной и своевременной, поскольку физические процессы продолжаются независимо от результатов вычислений. Для удовлетворения этого требования киберфизические системы должны обладать пропускной способностью или мощностью, необходимой для поддержки немедленной обработки, поскольку невыполнение своевременных действий может привести к долгосрочному ущербу.

Ласт слайд

Перед нами стоит задача освоения результатов технологической эволюции, которую Интернет вещей (и в том числе киберфизические системы) привносит в нашу повседневную жизнь. Эти технологии будут повышать качество обслуживания и в конечном итоге работать на благо окружающей среды по мере появления разумных городов по всему миру. 

Киберфизические системы, являющиеся движущей силой инноваций, охватывают множество различных дисциплин. Сотрудничество различных отраслей может сделать их важной производственной силой. Кроме того, для киберфизических систем нужны высококвалифицированные кадры, поэтому необходимы сотрудничество и взаимодействие отраслей и университетов. И наконец, киберфизические системы имеют огромный потенциал для изменения и совершенствования каждого аспекта жизни людей, помогая решать критически важные для нашего общества проблемы и превосходя современные распределенные системы в плане безопасности, производительности, эффективности, надежности, удобства использования и по многим другим показателям.