Système cyber-physique

Les systèmes cyberphysiques ( CPS ) sont des systèmes de contrôle qui intègrent les processus informatiques et physiques, avec des ordinateurs et des réseaux intégrés surveillant et contrôlant les systèmes physiques en temps réel. Dans les systèmes cyberphysiques, les composants physiques et logiciels sont étroitement liés, capables de fonctionner à différentes échelles spatiales et temporelles , de présenter des modalités comportementales multiples et distinctes et d'interagir les uns avec les autres de manière à changer avec le contexte. Les CPS impliquent des approches transdisciplinaires , fusionnant la théorie de la cybernétique , la mécatronique , la conception et la science des processus. Le contrôle des processus est souvent appelé systèmes embarqués . Dans les systèmes embarqués, l'accent tend à être davantage mis sur les éléments informatiques et moins sur un lien intense entre les éléments informatiques et physiques. Les CPS sont également similaires à l' Internet des objets (IoT), partageant la même architecture de base ; néanmoins, les CPS présentent une combinaison et une coordination plus élevées entre les éléments physiques et informatiques.

Les exemples de CPS incluent les réseaux intelligents , les systèmes automobiles autonomes , la surveillance médicale , les systèmes de contrôle industriel , les systèmes robotiques , le recyclage et l'avionique de pilotage automatique . Les précurseurs des systèmes cyberphysiques peuvent être trouvés dans des domaines aussi divers que l'aérospatiale, l'automobile, les processus chimiques, les infrastructures civiles, l'énergie, les soins de santé, la fabrication, les transports, le divertissement et les appareils électroménagers.

Contrairement aux systèmes embarqués plus traditionnels , un CPS à part entière est généralement conçu comme un réseau d'éléments interactifs avec des entrées et des sorties physiques plutôt que comme des appareils autonomes. Cette notion est étroitement liée aux concepts de robotique et de réseaux de capteurs , les mécanismes d'intelligence propres à l'intelligence computationnelle ouvrant la voie. Les progrès continus de la science et de l'ingénierie améliorent le lien entre les éléments informatiques et physiques au moyen de mécanismes intelligents, augmentant l'adaptabilité, l'autonomie, l'efficacité, la fonctionnalité, la fiabilité, la sécurité et la facilité d'utilisation des systèmes cyberphysiques. Cela élargira le potentiel des systèmes cyberphysiques dans plusieurs directions, notamment : l'intervention (par exemple, l'évitement des collisions ) ; la précision (par exemple, la chirurgie robotique et la fabrication à l'échelle nanométrique) ; le fonctionnement dans des environnements dangereux ou inaccessibles (par exemple, la recherche et le sauvetage, la lutte contre les incendies et l'exploration en haute mer ) ; la coordination (par exemple, le contrôle du trafic aérien , les combats) ; l'efficacité (par exemple, les bâtiments à énergie nette zéro ) ; et l'augmentation des capacités humaines (par exemple, la surveillance et la prestation de soins de santé).

Les systèmes cyberphysiques mobiles, dans lesquels le système physique étudié possède une mobilité inhérente, constituent une sous-catégorie importante des systèmes cyberphysiques. Parmi les exemples de systèmes physiques mobiles, on peut citer la robotique mobile et l'électronique transportée par des humains ou des animaux. La popularité croissante des smartphones a accru l'intérêt pour le domaine des systèmes cyberphysiques mobiles. Les plateformes de smartphones constituent des systèmes cyberphysiques mobiles idéaux pour un certain nombre de raisons, notamment :

• Des ressources informatiques importantes, telles que la capacité de traitement et le stockage local
• Plusieurs périphériques d'entrée/sortie sensorielle, tels que des écrans tactiles , des caméras, des puces GPS , des haut-parleurs, un microphone, des capteurs de lumière , des capteurs de proximité
• Plusieurs mécanismes de communication, tels que le WiFi , la 4G , l'EDGE , le Bluetooth pour interconnecter les appareils soit à Internet, soit à d'autres appareils
• Langages de programmation de haut niveau qui permettent le développement rapide de logiciels de nœuds CPS mobiles, tels que Java , C# ou JavaScript
• Mécanismes de distribution d'applications facilement disponibles, tels que Google Play Store et Apple App Store
• Maintenance et entretien par l'utilisateur final, y compris la recharge fréquente de la batterie

Pour les tâches qui nécessitent plus de ressources que celles disponibles localement, un mécanisme courant pour la mise en œuvre rapide de nœuds de systèmes cyberphysiques mobiles basés sur des smartphones utilise la connectivité réseau pour relier le système mobile à un serveur ou à un environnement cloud, permettant des tâches de traitement complexes qui sont impossibles sous des contraintes de ressources locales. Des exemples de systèmes cyberphysiques mobiles comprennent des applications pour suivre et analyser les émissions de CO2 _, [ détecter les accidents de la circulation, la télématique d'assurance et fournir des services de connaissance de la situation aux premiers intervenants, mesurer le trafic, et surveiller les patients cardiaques.

Les applications courantes des CPS relèvent généralement des systèmes autonomes à communication basée sur des capteurs. Par exemple, de nombreux réseaux de capteurs sans fil surveillent certains aspects de l'environnement et relaient les informations traitées à un nœud central. D'autres types de CPS comprennent les réseaux intelligents , les systèmes automobiles autonomes, la surveillance médicale, les systèmes de contrôle de processus , la robotique distribuée, le recyclage et l'avionique à pilotage automatique.

Un exemple concret d'un tel système est le Distributed Robot Garden du MIT dans lequel une équipe de robots s'occupe d'un jardin de plants de tomates. Ce système combine la détection distribuée (chaque plante est équipée d'un nœud de capteur surveillant son état), la navigation, la manipulation et la mise en réseau sans fil .

Les efforts du Laboratoire national de l'Idaho et de ses collaborateurs qui étudient les systèmes de contrôle résilients se concentrent sur les aspects du système de contrôle des systèmes de contrôle critiques qui imprègnent les infrastructures critiques . Cet effort adopte une approche holistique de la conception de nouvelle génération et prend en compte les aspects de résilience qui ne sont pas bien quantifiés, tels que la cybersécurité, l'interaction humaine et les interdépendances complexes.

Un autre exemple est le projet CarTel du MIT, dans le cadre duquel une flotte de taxis collecte des informations sur le trafic en temps réel dans la région de Boston. Ces informations, associées aux données historiques, sont ensuite utilisées pour calculer les itinéraires les plus rapides à un moment donné de la journée.

Les CPS sont également utilisés dans les réseaux électriques pour effectuer un contrôle avancé, en particulier dans le contexte des réseaux intelligents, afin d'améliorer l'intégration de la production renouvelable décentralisée. Des mesures correctives spéciales sont nécessaires pour limiter les flux de courant dans le réseau lorsque la production du parc éolien est trop élevée. Les CPS distribués sont une solution clé pour ce type de problèmes

Dans l'industrie, les systèmes cyber-physiques renforcés par les technologies Cloud ont conduit à de nouvelles approches qui ont ouvert la voie à l'Industrie 4.0 , comme l'a démontré le projet IMC-AESOP de la Commission européenne avec des partenaires tels que Schneider Electric , SAP , Honeywell , Microsoft , etc.

L'un des défis du développement des systèmes embarqués et cyberphysiques réside dans les grandes différences de pratiques de conception entre les différentes disciplines d'ingénierie impliquées, telles que l'ingénierie logicielle et mécanique. De plus, il n'existe pas encore de « langage » en termes de pratiques de conception commun à toutes les disciplines impliquées dans les systèmes embarqués. Aujourd'hui, dans un marché où l'innovation rapide est considérée comme essentielle, les ingénieurs de toutes les disciplines doivent être capables d'explorer les conceptions de systèmes de manière collaborative, en attribuant des responsabilités aux éléments logiciels et physiques et en analysant les compromis entre eux. Les progrès récents montrent que le couplage des disciplines par l'utilisation de la co-simulation permettra aux disciplines de coopérer sans imposer de nouveaux outils ou méthodes de conception. Les résultats du projet MODELISAR montrent que cette approche est viable en proposant une nouvelle norme de co-simulation sous la forme de l' interface de maquette fonctionnelle .

La National Science Foundation (NSF) des États-Unis a identifié les systèmes cyberphysiques comme un domaine de recherche clé. À partir de fin 2006, la NSF et d'autres agences fédérales américaines ont parrainé plusieurs ateliers sur les systèmes cyberphysiques.