¿Qué son los sistemas ciberfísicos, por qué son tan relevantes hoy y qué papel juega la inteligencia artificial en su desarrollo?
El estudio de las diversas propiedades de los sistemas de tecnología de la información en términos de la interacción de sus componentes físicos y digitales es un área nueva y relevante de la ciencia moderna de los sistemas ciberfísicos [1].
Los componentes principales de cualquier sistema ciberfísico son (Fig. 1):
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Higo. 11 Visualización de la simulación de procesos tecnológicos en el gemelo digital de la planta.Otro tema importante es garantizar la seguridad de CPS: la creación de sistemas de protección contra ataques ciberfísicos se ha convertido en una nueva área temática en el campo de la seguridad de la información. Puede familiarizarse con los pensamientos sobre este tema en la siguiente nota .Veamos un caso práctico llamado PlantSimimplementado por el equipo de PHYGITALISM. El objetivo principal del proyecto era crear un sistema de detección de anomalías en los canales de comunicación entre el PLC (controlador lógico programable), que controla los procesos tecnológicos en la refinería, y el sistema de monitoreo de ingeniería (SCADA). Para buscar anomalías en los canales de control, se propuso utilizar una red neuronal recurrente [7].
Higo. 12 Diagrama de bloques del sistema ciberfísico en consideración.Como datos para entrenar dicha red, se utilizan datos sintéticos obtenidos del doble digital de la planta. La ventaja de este enfoque, en comparación con la solución tradicional basada en las reglas lógicas de control de los canales de comunicación, radica en la variedad de situaciones que el sistema de inteligencia artificial puede detectar. Con la ayuda de un doble digital de la planta, es posible considerar incluso situaciones tan raras pero potencialmente peligrosas como la explosión de un reactor. Y, por supuesto, un factor importante es la velocidad con la que se pueden obtener nuevos datos para entrenar el sistema.AI fortalece los órganos sensoriales de CPS
Fig. 13 Sensor de soli del proyecto Google.Para obtener la mejor calidad de funcionamiento del CPS, es necesario tener tanta información como sea posible sobre el estado del entorno en el que opera dicho sistema, y determinar con la mayor precisión posible los procesos que ocurren en sus componentes. Todo tipo de sensores y sensores sirven como órganos sensoriales para CPS. Cuanto mejor "vea" el sistema lo que está sucediendo con él y a su alrededor en un momento dado, mejor será la calidad de sus decisiones sobre la gestión de los recursos disponibles.Por ejemplo, en el contexto de la sección anterior, el termostato más sensible se instala en el tanque para el transporte de líquidos explosivos (siempre que dicho termostato sea insensible a las emisiones de ruido), cuanto antes en caso de falla de calefacción, el sistema de seguridad puede detectar el peligro y prevenirlo.
Fig. 14 Uso del proyecto soli para controlar dispositivos mediante gestos.Como un ejemplo más vital, considere reconocer los gestos humanos sutiles utilizando una señal de wi-fi para controlar los dispositivos.Y aquí, la inteligencia artificial puede ayudar a mejorar el rendimiento de los sensores existentes o con la creación de nuevos sensores. Esto lo demuestra claramente el sensor Google Project Soli.La idea básica aquí no es nueva: los enrutadores wi-fi son transmisores-receptores de ondas electromagnéticas. Al pasar por el espacio, una onda electromagnética se refleja desde varios objetos y regresa al dispositivo. Si un objeto comienza a moverse, su velocidad se suma o resta con la velocidad de la onda electromagnética, lo que provoca un cambio en la frecuencia y la longitud de la onda reflejada. Este fenómeno se llama efecto Doppler , y podemos usarlo para detectar gestos, y no solo usando un enrutador wi-fi . Sin embargo, no todo es tan simple.En primer lugar, los enrutadores comunes funcionan a frecuencias del orden de 5 GHz. Tal frecuencia puede ser insuficiente para una buena resolución del algoritmo de clasificación, es decir. de forma cerrada, pero aún así, los objetos esencialmente diferentes se reconocerán como el mismo objeto. Este problema se resuelve aumentando la frecuencia de funcionamiento del dispositivo (el proyecto soli tiene una frecuencia de funcionamiento de 57-64 GHz).En segundo lugar, en tareas reales, se requiere reconocer no solo un gesto específico, sino también a quién pertenece este gesto, en una habitación puede haber varias personas a la vez y todas ellas pueden tener diferentes prioridades en el sistema. Este y muchos otros problemas no anunciados se resuelven utilizando algoritmos modernos de aprendizaje profundo [8]. Este enfoque, por ejemplo, se usa en el proyecto WiSee.implementado por estudiantes y personal de la Universidad de Washington.Dado que el trabajo de los algoritmos de redes neuronales requiere cálculos bastante complejos, pero del mismo tipo, para su implementación en hardware existen unidades informáticas especiales, las llamadas TPU (proceso del tensor init) o de otro modo: neuromódulos, neuroprocesadores. Dichas unidades informáticas pueden optimizarse para una tarea específica, ya sea el reconocimiento de rostros, voces o gestos. Solo para resolver el problema del reconocimiento de gestos o movimientos espaciales de objetos pequeños, se creó un TPU especial "Soli I-CB", que puede integrarse en varios dispositivos y dispositivos inteligentes.
Higo. 15 Proyecto de neurochips soli.Conclusión
Los sistemas ciberfísicos son un componente importante de la era de la información. Cuanto mejor comprendamos cómo diseñar, analizar, proteger y mejorar tales sistemas, mejor, más seguro y más comprensible haremos el mundo que nos rodea. Como puede ver en los ejemplos anteriores, la inteligencia artificial puede mejorar el rendimiento de CPS en todos los niveles, y la sinergia de estas dos áreas relevantes (AI + CPS) traerá muchas mejoras interesantes e inesperadas a nuestras vidas.Si es un estudiante universitario o está interesado en el tema de las tecnologías CPS, AI, XR y la implementación de proyectos similares, entonces para este caso tenemos un programa de maestría "Realidad aumentada / virtual e inteligencia artificial" basado en la Facultad de Informática Aplicada y Tecnología de la Información del Instituto de Aviación de Moscú, en colaboración con estudio de tecnologíaPHYGITALISM . El programa se basa en cursos sobre inteligencia artificial, sistemas ciberfísicos, realidad virtual y aumentada, en cuyo marco le ayudaremos a comprender todos los trucos de trabajar con tecnología en la práctica.¡Esperando por ti!Autor
Vadim Kondrattsev,Ingeniero de I + D Profesor de FITGITALISMOen el Instituto de Aviación de Moscúvadim@phygitalism.comitcentrmai@gmail.comFuentes1. Allgöwer, Frank y Sousa, João y Kapinski, James y Mosterman, Pieter y Oehlerking, Jens y Panciatici, Patrick y Panshai y Panshai y Panshai y Panshai y Panshai y Panshai , Akshay y Tabuada, Paulo y Wenzelburger, Philipp. (2019) Documento de posición sobre los desafíos que plantean las aplicaciones modernas a la teoría de sistemas ciberfísicos. Análisis no lineal. 34. 147–165. 10.1016 / j.nahs.2019.05.007.2. Paulo Tabuada, Sistemas ciberfísicos : Documento de posición3. Lee, Edward A. "El pasado, presente y futuro de los sistemas ciberfísicos : un enfoque en los modelos".Sensors (Basilea, Suiza) vol. 15,3 4837–69. 26 de febrero 2015, doi: 10.3390 / s1503048374. RG Sanfelice. Análisis y diseño de sistemas ciberfísicos. Un enfoque de sistemas de control híbrido // Sistemas ciberfísicos: de la teoría a la práctica / D. Rawat, J. Rodrigues, I. Stojmenovic. - CRC Press, 20165. Shao Z., Liu J. (2013) Autómatas espacio-temporales híbridos para sistemas ciberfísicos. En: Liu Z., Woodcock J., Zhu H. (eds) Aspectos teóricos de la informática - ICTAC 2013. ICTAC 2013. Lecture Notes in Computer Science, vol 8049. Springer, Berlín, Heidelberg6. EA Lee y SA Seshia, Introducción a los sistemas integrados: un enfoque de sistemas ciberfísicos , http://LeeSeshia.org, 2011.7. Filonov, Pavel y Kitashov, Fedor y Lavrentyev, Andrey. (2017) Detección temprana de ciberataques basada en RNN para el proceso Tennessee Eastman. ArXiv abs / 1709.022328. Qifan Pu, Sidhant Gupta, Shyam Gollakota, Shwetak Patel (2013) Reconocimiento de gestos en todo el hogar utilizando señales inalámbricas // La 19ª Conferencia Internacional Anual sobre Computación y Redes Móviles (Mobicom'13)