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サイバーフィジカルシステム（CPS）は、コンピュータアルゴリズムによって制御および監視され、インターネットとそのユーザーと緊密に統合されたメカニズムです。サイバーフィジカルシステムでは、物理コンポーネントとソフトウェアコンポーネントが深く絡み合っており、さまざまな空間的および時間的スケールで動作し、複数の異なる動作様式を示し、コンテキストに応じて変化する方法で相互に作用します。[1] [2] CPSには、サイバネティクス、メカトロニクス、デザイン、プロセスサイエンスの理論を融合した学際的なアプローチが含まれます。 [3] [4] [5] [6]プロセス制御は、組み込みシステムと呼ばれることがよくあります。組み込みシステムでは、計算要素に重点が置かれ、計算要素と物理要素の密接なリンクは重視されません。CPSは、モノのインターネット（IoT）に似ており、同じ基本アーキテクチャを共有していますが、CPSでは物理要素と計算要素の高度な組み合わせと調整が提供されます。[3] [7]
CPSの例としては、スマートグリッド、自律自動車システム、医療モニタリング、産業用制御システム、ロボットシステム、リサイクル[3]、自動操縦航空電子工学[2]などが挙げられます。[8]サイバーフィジカルシステムの先駆者は、航空宇宙、自動車、化学プロセス、土木インフラ、エネルギー、ヘルスケア、製造、輸送、エンターテインメント、家電製品など、多岐にわたる分野で見られます。[3] [8]
概要
従来の組み込みシステムとは異なり、本格的な CPS は通常、スタンドアロンのデバイスとしてではなく、物理的な入力と出力を持つ相互作用する要素のネットワークとして設計されます。 [4]この概念は、ロボット工学やセンサー ネットワークの概念と密接に結びついており、計算知能の適切な知能メカニズムがその道を先導しています。科学と工学の継続的な進歩により、計算要素と物理要素のリンクがインテリジェント メカニズムによって改善され、サイバー フィジカル システムの適応性、自律性、効率、機能性、信頼性、安全性、および使いやすさが向上しています。[9] これにより、サイバー フィジカル システムの可能性がさまざまな方向に広がります。たとえば、介入 (例:衝突回避)、精度 (例:ロボット手術やナノレベルの製造)、危険な環境やアクセスできない環境での操作 (例: 捜索救助、消防、深海探査)、調整 (例:航空管制、戦闘)、効率 (例:ゼロ ネット エネルギー ビル)、人間の能力の拡張(例: ヘルスケアの監視と提供) などです。[10]
モバイルサイバーフィジカルシステム
モバイル サイバー フィジカル システムは、研究対象の物理システムが本質的に移動性を持つ、サイバー フィジカル システムの重要なサブカテゴリです。モバイル フィジカル システムの例としては、人間や動物が運ぶモバイル ロボットや電子機器などがあります。スマートフォンの人気の高まりにより、モバイル サイバー フィジカル システムの分野への関心が高まっています。スマートフォン プラットフォームは、次のようなさまざまな理由から、理想的なモバイル サイバー フィジカル システムです。
- 処理能力、ローカルストレージなどの重要な計算リソース
- タッチスクリーン、カメラ、GPSチップ、スピーカー、マイク、光センサー、近接センサーなどの複数の感覚入力/出力デバイス
- WiFi、4G、EDGE、Bluetoothなど、デバイスをインターネットや他のデバイスに相互接続するための複数の通信メカニズム
- Java、[11]、 C#、JavaScriptなどのモバイルCPSノードソフトウェアの迅速な開発を可能にする高水準プログラミング言語
- Google Play ストアやApple App Storeなどのすぐに利用できるアプリケーション配布メカニズム
- バッテリーの頻繁な充電を含むエンドユーザーのメンテナンスと維持
ローカルで利用可能なリソースよりも多くのリソースを必要とするタスクの場合、スマートフォンベースのモバイルサイバーフィジカルシステムノードを迅速に実装するための一般的なメカニズムの1つは、ネットワーク接続を利用してモバイルシステムをサーバーまたはクラウド環境にリンクし、ローカルリソースの制約下では不可能な複雑な処理タスクを可能にすることです。[12]モバイルサイバーフィジカルシステムの例としては、CO2排出量の追跡と分析、 [ 13]交通事故の検出、保険テレマティクス[14]、救急隊員への状況認識サービスの提供、[15] [16]交通量の測定、[17]心臓病患者の監視などのアプリケーションがあります。[18]
例
CPSの一般的な用途は、典型的には、センサーベースの通信対応自律システムに分類されます。たとえば、多くの無線センサーネットワークは、環境の何らかの側面を監視し、処理された情報を中央ノードに中継します。その他のタイプのCPSには、スマートグリッド、[19]、自律自動車システム、医療監視、プロセス制御システム、分散ロボット、リサイクル[3]、自動操縦航空電子工学などがあります。
このようなシステムの実際の例としては、MITの分散ロボットガーデンがあります。このシステムでは、ロボットのチームがトマトの苗木を育てます。このシステムは、分散センシング（各植物には状態を監視するセンサーノードが装備されています）、ナビゲーション、操作、ワイヤレスネットワークを組み合わせています。[20]
重要なインフラに浸透しているCPSの制御システムの側面に焦点を当てた研究は、アイダホ国立研究所と協力者によるレジリエントな制御システムの研究に見ることができます。この研究では、次世代の設計に総合的なアプローチを採用し、サイバーセキュリティ、 [21]人間の相互作用や複雑な相互依存性など、十分に定量化されていないレジリエンスの側面を考慮しています。
もう一つの例は、MITが現在進めているCarTelプロジェクトです。このプロジェクトでは、タクシー車両がボストン地域の交通情報をリアルタイムで収集します。この情報は、過去のデータと合わせて、一日の特定の時間帯に最も速いルートを計算するために使用されます。[22]
CPSは電力網でも高度な制御を行うために使用され、特にスマートグリッドの文脈では分散型再生可能エネルギー発電の統合を強化するために使用されています。風力発電所の発電量が高すぎる場合は、グリッド内の電流の流れを制限するために特別な是正措置スキームが必要です。分散型CPSは、この種の問題に対する重要な解決策です[23]
産業界では、クラウド技術によって強化されたサイバーフィジカルシステムが、シュナイダーエレクトリック、SAP、ハネウェル、マイクロソフトなどのパートナーと欧州委員会のIMC-AESOPプロジェクトが実証したように、インダストリー4.0への道を開く新しいアプローチ[ 24] [25] [26]につながりました。
デザイン
組み込みシステムやサイバーフィジカルシステムの開発における課題は、ソフトウェアや機械工学など、関連するさまざまなエンジニアリング分野間で設計手法が大きく異なることです。さらに、現時点では、CPS のすべての関連分野に共通する設計手法の「言語」は存在しません。今日、急速なイノベーションが不可欠とされる市場では、すべての分野のエンジニアが協力してシステム設計を検討し、ソフトウェアと物理要素に責任を割り当て、それらの間のトレードオフを分析できる必要があります。最近の進歩により、共同シミュレーションを使用して分野を結合すると、新しいツールや設計方法を適用せずに分野が協力できることが示されています。[27] MODELISARプロジェクトの結果は、機能モックアップインターフェイスの形で共同シミュレーションの新しい標準を提案することで、このアプローチが実行可能であることを示しています。
重要性
米国国立科学財団（NSF）は、サイバーフィジカルシステムを重要な研究分野として特定しています。[28] 2006年後半から、NSFと他の米国連邦政府機関は、サイバーフィジカルシステムに関するいくつかのワークショップを後援しました。[29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37]
参照
参考文献
- ^ 「米国国立科学財団、サイバーフィジカルシステム（CPS）」
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さらに読む
- Edward A. Lee、サイバーフィジカルシステム - コンピューティング基盤は適切か?
- Paulo Tabuada、サイバーフィジカル システム: ポジション ペーパー
- ラジェッシュ・グプタ、サイバーフィジカルシステムにおける時空間アクションと推論のためのプログラミングモデルと方法
- Edward A. Lee と Sanjit A. Seshia、「組み込みシステム入門 - サイバーフィジカルシステムアプローチ」、http://LeeSeshia.org、2011 年。
- Riham AlTawy と Amr M. Youssef サイバーフィジカルシステムにおけるセキュリティのトレードオフ: 埋め込み型医療機器に関するケーススタディ調査
- Ibtihaj Ahmad 他「サイバーフィジカルシステムのセキュリティ面」
- チャールズ・R・ロビンソン他（研究展望）サイバーフィジカルシステムを生み出すステークホルダーコミュニティの橋渡し、2024年
外部リンク
- CPS仮想組織
- -物理システム週間会議 2020-04-10にWayback Machineでアーカイブこの分野の現在の研究を説明しています
- この分野のACMジャーナル -物理システムトランザクション