O que são sistemas ciberfísicos, por que eles são tão relevantes hoje e qual o papel da inteligência artificial em seu desenvolvimento?
O estudo das várias propriedades dos sistemas de tecnologia da informação em termos da interação de seus componentes físicos e digitais é uma área nova e relevante da ciência moderna dos sistemas ciberfísicos [1].
Os principais componentes de qualquer sistema ciberfísico são (Fig. 1):
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CPS
FIG. 11 Visualização da simulação de processos tecnológicos no gêmeo digital da planta.Outra questão importante é garantir a segurança do CPS - a criação de sistemas de proteção contra ataques ciber-físicos se tornou uma nova área tópica no campo da segurança da informação. Você pode se familiarizar com os pensamentos sobre esse assunto na próxima nota .Vejamos um caso prático chamado PlantSimimplementado pela equipe PHYGITALISM. O principal objetivo do projeto era criar um sistema de detecção de anomalias nos canais de comunicação entre o CLP (controlador lógico programável), que controla os processos tecnológicos da refinaria e o sistema de monitoramento de engenharia (SCADA). Para procurar anomalias nos canais de controle, foi proposto o uso de uma rede neural recorrente [7].
FIG. 12 Diagrama de blocos do sistema ciberfísico em consideração.Como dados para o treinamento dessa rede, são utilizados dados sintéticos obtidos do dobro digital da planta. A vantagem dessa abordagem, comparada à solução tradicional baseada nas regras lógicas para monitorar os canais de comunicação, é a variedade de situações que o sistema de inteligência artificial pode detectar. Com a ajuda de um dobro digital da planta, é possível considerar situações tão raras, mas potencialmente perigosas, como uma explosão de reator. E, claro, um fator importante é a velocidade com que novos dados podem ser obtidos para o treinamento do sistema.IA fortalece os órgãos sensoriais da CPS
Fig. 13 Sensor soli do projeto do Google.Para obter a melhor qualidade de funcionamento do CPS, é necessário ter o máximo de informações possível sobre o estado do ambiente em que esse sistema opera e determinar com a maior precisão possível os processos que ocorrem em seus componentes. Todos os tipos de sensores e sensores servem como órgãos sensoriais para o CPS. Quanto melhor o sistema "enxergar" o que está acontecendo com ele e ao seu redor em um determinado momento, melhor será a qualidade de suas decisões sobre o gerenciamento dos recursos disponíveis.Por exemplo, no contexto da seção anterior, o termostato mais sensível é instalado no tanque para o transporte de líquidos explosivos (desde que esse termostato seja insensível às emissões de ruído), quanto antes, em caso de falha no aquecimento, o sistema de segurança pode detectar o perigo e evitá-lo.
Fig. 14 Usando o projeto soli para controlar dispositivos usando gestos.Como um exemplo mais vital, considere reconhecer gestos humanos sutis usando um sinal wi-fi para controlar os aparelhos.E aqui, a inteligência artificial pode ajudar a melhorar o desempenho dos sensores existentes ou a criar novos sensores. Isso é claramente demonstrado pelo sensor Soli do Google Project.A idéia básica aqui não é nova: os roteadores wi-fi são receptores transmissores de ondas eletromagnéticas. Passando pelo espaço, uma onda eletromagnética é refletida em vários objetos e retorna ao dispositivo. Se um objeto começa a se mover, sua velocidade é adicionada ou subtraída com a velocidade da onda eletromagnética, o que causa uma alteração na frequência e no comprimento da onda refletida. Esse fenômeno é chamado efeito Doppler , e podemos usá-lo para detectar gestos, e não apenas usar um roteador wi-fi . No entanto, nem tudo é tão simples.Em primeiro lugar, roteadores comuns operam em frequências da ordem de 5GHz. Essa frequência pode ser insuficiente para uma boa resolução do algoritmo de classificação, isto é, fechar em forma, mas ainda objetos essencialmente diferentes serão reconhecidos como o mesmo objeto. Esse problema é resolvido aumentando a frequência operacional do dispositivo (o projeto soli tem uma frequência operacional de 57 - 64 GHz).Em segundo lugar, em tarefas reais, é necessário reconhecer não apenas um gesto específico, mas também a quem esse gesto pertence; em uma sala, pode haver várias pessoas ao mesmo tempo e todas elas podem ter prioridades diferentes no sistema. Este e muitos outros problemas não anunciados são resolvidos usando algoritmos modernos de aprendizado profundo [8]. Essa abordagem, por exemplo, é usada no projeto WiSee.implementado por estudantes e funcionários da Universidade de Washington.Como o trabalho dos algoritmos de redes neurais exige cálculos bastante complexos, mas com o mesmo tipo de cálculo, para sua implementação em hardware, existem unidades de computação especiais, as chamadas TPU (init do processo tensorial) ou não - neuromódulos, neuroprocessadores. Essas unidades de computação podem ser otimizadas para uma tarefa específica, seja o reconhecimento de rostos, vozes ou gestos. Apenas para resolver o problema do reconhecimento de gestos ou movimentos espaciais de pequenos objetos, foi criado um TPU especial "Soli I-CB", que pode ser incorporado em vários dispositivos e gadgets inteligentes.
FIG. 15 Projeto de neurochips soli.Conclusão
Os sistemas ciberfísicos são um componente importante da era da informação. Quanto melhor entendermos como projetar, analisar, proteger e melhorar esses sistemas, melhor, mais seguro e mais compreensível, tornaremos o mundo à nossa volta. Como você pode ver nos exemplos acima, a inteligência artificial pode melhorar o desempenho do CPS em todos os níveis, e a sinergia dessas duas áreas relevantes (AI + CPS) trará muitas melhorias interessantes e inesperadas em nossas vidas.Se você é um estudante de graduação ou está interessado no tópico das tecnologias CPS, AI, XR e a implementação de tais projetos, então, neste caso, temos um programa de mestrado "Realidade Aumentada / Virtual e Inteligência Artificial", com base na Faculdade de Informática Aplicada e Tecnologia da Informação do Instituto de Aviação de Moscou, em colaboração com estúdio de tecnologiaFIGITALISMO . O programa baseia-se em cursos de inteligência artificial, sistemas ciberfísicos, realidade virtual e aumentada, nos quais ajudaremos você a entender todos os truques para trabalhar com a tecnologia na prática.Esperando Por Você!Autor
Vadim Kondrattsev, engenheiro depesquisa e desenvolvimento PHYGITALISMPalestrante no Instituto de Aviação de Moscouvadim@phygitalism.comitcentrmai@gmail.comFontes1. Allgöwer, Frank & Sousa, João & Kapinski, James & Mosterman, Pieter & Oehlerking, Jens & Panciatici, Patrick & Panshai & Panshai & Panshai & Ranks , Akshay e Tabuada, Paulo e Wenzelburger, Philipp. (2019). Documento de posicionamento sobre os desafios impostos pelas aplicações modernas à teoria dos sistemas ciber-físicos. Análise não linear. 34. 147-165. 10.1016 / j.nahs.2019.05.007.2. Paulo Tabuada, Sistemas Ciber-Físicos: Documento de Posição3. Lee, Edward A. “O passado, presente e futuro dos sistemas ciber-físicos: um foco em modelos.”Sensors (Basileia, Suíça) vol. 15,3 4837-69. 26 fev. 2015, doi: 10.3390 / s1503048374. RG Sanfelice. Análise e Projeto de Sistemas Ciber-Físicos. Uma abordagem de sistemas de controle híbrido // Sistemas ciber-físicos: da teoria à prática / D. Rawat, J. Rodrigues, I. Stojmenovic. - CRC Press, 20165. Shao Z., Liu J. (2013) Autômatos híbridos espaço-temporais para sistemas ciber-físicos. In: Liu Z., Woodcock J., Zhu H. (eds) Aspectos Teóricos da Computação - ICTAC 2013. ICTAC 2013. Notas de Aula em Ciência da Computação, vol 8049. Springer, Berlim, Heidelberg6. EA Lee e SA Seshia, Introdução para sistemas embarcados - uma abordagem de sistemas ciber-físicos , http://LeeSeshia.org, 2011.7. Filonov, Pavel e Kitashov, Fedor e Lavrentyev, Andrey. (2017). Detecção precoce de ataques cibernéticos baseada na RNN para o processo Eastman do Tennessee. ArXiv abs / 1709.022328. Qifan Pu, Sidhant Gupta, Shyam Gollakota, Shwetak Patel (2013) Reconhecimento de gestos em toda a casa usando sinais sem fio // A 19ª Conferência Internacional Anual sobre Computação e Redes Móveis (Mobicom'13)