Revista >> Mai 2019 [Nr. 214] >> IT&C

Sistemele ciber-fizice: În centrul unei furtuni tehnologice perfecte

Acad. Dan Dascalu

24 Mai 2019

Sintagma În centrul unei furtuni tehnologice perfecte a fost preluată dintr-o lucrarea recentă¹ dedicată sistemelor ciber-fizice, care ar trebui să asigure cuplarea lumii fizice la cea digitală. Am abordat subiectul, ca și în cazul altui articol publicat recent², plecând de la dezbaterea inițiată de acad. Ioan Dumitrache, Secretar General al Academiei Române³, pe tema legată de impactul progreselor recente în tehnologia informatică. De această dată am plecat de la accentul pus pe (cităm) elaborarea unui program coerent pentru susținerea și promovarea conceptelor care fundamentează noua revoluție industrială bazată esențialmente pe conectivitate. În rândurile care urmează ne oprim asupra conceptului de sisteme „ciber-fizice” inteligente (în original Intelligent Cyber-Physical Systems, CPS)⁴, concept recomandat de acad. Dumitrache și ca obiectiv al unui posibil program de cercetare. Este un subiect care merită să fie detaliat și în România, deoarece există specialiști internaționali care apreciază că progresul acestor sisteme va pune în umbră realizările tehnologiei informației din ultimele decenii^1,5. Dar de ce tehnologii beneficiem acum și ce se așteaptă în viitor?

Tehnologia digitală convențională. Actuala eră a tehnologiei informației se bazează pe tehnologia digitală (digit – cifră), care a fost dezvoltată inițial pentru construcția unor calculatoare electronice, care trebuiau să execute rapid calcule complicate. Era digitală este caracterizată de cei trei C (3C): Calcul numeric, Comunicații (cu semnalul electric purtător de informație eșantionat periodic și transformat într-o succesiune de numere) și Control (cu instrucțiunile de acționare codificate și ele prin numere). Această tehnologie digitală a constituit (prin calcul, comunicații, control) baza celei de a treia revoluții industriale (Industry 3.0). În esență este vorba de interacțiunea omului cu mediul digital (se solicită calcule sau programează un automat), sau de comunicarea între oameni prin intermediul tehnicii digitale. Această imagine este, desigur, simplificată. Spre exemplu există sisteme de sateliți care monitorizează situația meteo pe glob, captând, procesând și distribuind automat informația respectivă. Pe aceeași bază s-a dezvoltat un sistem global de navigație.

Pauză de reflecție. Cu câțiva ani înainte de a se vorbi pentru prima oară (2006) de sisteme ciber-fizice (CPS), Ray Kurzwell⁶ prevedea ca în 2019 calculatoarele vor atinge performanțele creierului uman în ceea ce privește capacitatea memoriei și abilitatea de calcul. În 2019 suntem încă departe de performanțele creierului uman, nu numai pentru că tehnologia de fabricare a circuitelor digitale a întâmpinat obstacole, ci și pentru faptul că arhitectura tradițională a sistemelor hardware este gândită pentru realizarea unei mașini Turing, care funcționează cu un anumit tip de software, gândit pentru o mașină de socotit. Avem nevoie de alte arhitecturi hardware si alte sisteme software, pentru a concura cu sistemul fizic care este creierul uman.

Interacțiunea dintre realitatea fizică și mediul digital. Să considerăm un sistem de conducere automată a vehiculelor. Aici omul nu mai intervine, sistemul digital trebuie să culeagă informații legate de vehicul și de mediul în care circulă și să acționeze comenzile. Ideea nu este nouă, ea există și în pilotarea avioanelor (piloții se pot relaxa trecând pe pilot automat, în partea de croazieră a zborului). În cazul unui automobil, corecțiile în direcția și viteza de mers trebuie făcute mult mai des, situațiile neprevăzute pot apare în fracțiuni de secundă. Un astfel de sistem se bazează pe interacțiunea dintre realitatea fizică și sistemul digital, intră în categoria CPS (Cyber-Physical System). Dacă ne gândim la controlul unui sistem de vehicule autonome (util în aplicațiile militare sau pentru intervenția în cazul unor dezastre naturale), lucrurile se complică, deoarece trebuie să avem în vedere și necesitatea comunicării între aceste vehicule.

Realitatea fizică are caracteristici temporale care nu sunt luate în seamă de sistemele digitale convenționale. Este vorba de curgerea inexorabilă a timpului (nu ne putem întoarce înapoi dacă am ratat un moment limită) și de caracterul concurențial al unor procese (care se desfășoară în intervale de timp care se suprapun parțial). Structura hardware convențională nu este adaptată unor astfel de CPS, datorită paralelismului unor procese (caracter concurențial). Pe de altă parte, programarea în limbaj C (de uz general) nu este adecvată, chiar atunci când este aplicată unor sisteme neconcurențiale deoarece nu ține seama de limitele în timp. Se așteaptă ca ingineria CPS să se desfășoare pe baze fundamental noi, asigurând simbioza între noi arhitecturi de calcul și limbaje software specifice⁷.

Sisteme încorporate (embedded systems). O implementare a sistemelor ciber-fizice (care trebuie să lucreze cu un software perfect adaptat la partea hardware) este aceea de sisteme încorporate sau cu software încorporat. Este vorba de soluții optimizate și testate de o firmă sau alta pentru a asigura controlul unui sistem. Un exemplu îl găsim în automobilul computerizat. Astfel de sisteme nu au voie să dea rateuri și sunt supuse reviziei periodice cel mult odată pe an (cazul automobilului). Există însă cel puțin două probleme majore. Prima constă în aceea că este vorba de o soluție închisă (la cutie), care presupune o separare totală de alte sisteme – nu este gândită pentru lucrul în rețea. O a doua problemă este legată de faptul că siguranța în funcționare a fost testată și este garantată pentru o anumită implementare hardware și software. Spre exemplu, dacă se dorește utilizarea unui microprocesor mai nou în sistemul care controlează funcționarea motorului unui automobil, atunci întregul sistem va trebui să treacă prin teste (totul se reia de la început). Problema este și mai serioasă în cazul sistemelor de control de pe avioanele de pasageri. Dacă fabricantul de avioane pleacă cu ideea unui ciclu de fabricație de 50 de ani, atunci va trebui să se asigure de un stoc de microprocesoare identice care să asigure echiparea sau înlocuirea acestor sisteme de control cu aceleași microprocesoare (fabricate pe aceeași linie de fabricație, cu același set de măști). Orice progres la nivel de componentă fizică, dar și la nivel de perfecționare software, într-o lungă perioadă de timp, trebuie exclus pentru a păstra predictibilitatea.

Interfața cu lumea fizică. Interacțiunea CPS cu mediul fizic este asigurată prin traductori de intrare (senzori) și respectiv de ieșire (actuatori). Aceste componente s-au dezvoltat extrem de rapid în ultima perioadă. Le găsim în mediul natural, în construcții industriale și amenajări din agricultură, în locuințe, ambalaje, îmbrăcăminte și chiar în corpul nostru. Au dus la apariția Internetului lucrurilor (Internet of Things, IoT), care este și el un exemplu de CPS. IoT poate folosi conexiunile la Internet prin sistemul cloud, care asigură – în principiu – accesul la resurse infinite. Această conectivitate prin sistemele existente nu satisface întotdeauna, datorită volumelor prea mari de date, apariției unor discontinuități în conectare ș.a. Situația poate fi considerabil îmbunătățită (creșterea vitezei de transmisie a datelor, reducerea timpului de răspuns) prin sistemul 5G. Totuși, în condițiile extinderii aplicațiilor (clădiri inteligente, vehicule inteligente, roboți mobili, sisteme integrate de transport, sisteme de fabricație industrială) se apelează la procesarea locală a informației (edge computing), introducerea unor stații intermediare de comunicații, dezvoltarea unui software specific pentru rețele.
Dezvoltarea accelerată a traductorilor care asigură interfața cu lumea fizică a fost unul dintre factorii de progres care au propulsat transformarea fabricației pe direcția Industry 4.0 (noua revoluție industrială)8. Lucrarea citată aici dezvoltă un mod de concepție a sistemelor industriale (o arhitectură) pentru a asigura un proces de fabricație optimizat, fără defecte și întreruperi. Alte aspecte interesante sunt încorporarea factorului uman (a experților) în procesul de decizie⁹, dar și includerea clientului în sistem, ceea ce permite fabricarea de produse personalizate (inclusiv automobile)¹⁰.

Focalizarea pe noua revoluție industrială este de înțeles, dar CPS au un rol crucial în aspecte esențiale ale vieții oamenilor și evoluția societății. Civilizația actuală consumă resurse naturale enorme, tinzând astfel să se secătuiască planeta. În special uriașele aglomerări urbane ridică necesitatea optimizării consumului de energie, a gestionării transporturilor și consumului de apă, a asistenței medicale (inclusiv a asistenței acordate vârstnicilor). Concluzia este că economia și societatea vor ajunge să depindă din ce în ce mai mult de sistemele CPS integrate¹.

Viziunea Europei, preocuparea României
Toate lucrările citate până acum aparțin unor autori din SUA, Australia, Japonia, China. Cum reacționează Europa la aceste provocări? Programul Horizon Europe (2021-2027) rezervă o largă descriere (și un buget considerabil) tematicii intitulate DIGITAL AND INDUSTRY (am putea traduce prin tehnica digitală în industrie). Tematica este extraordinar de variată, nu sunt trecute în revistă numai tehnologiile digitale. Pe de altă parte, este clar că alte secțiuni ale programului, dedicate unor provocări societale se bazează și ele pe tehnologiile digitale. O poziție mai clară vis-a-vis de sistemele ciber-fizice în contextul întregului program CD Horizon Europe apare însă într-o comunicare a unui reprezentant al Comisiei Europene¹¹. Aici se arată că viziunea la nivelul anului 2030 este legată de frontierele dintre sistemele cyber, fizice și sociale (trimiterea la CPS este evidentă). Dintre dificultățile pe care le are Europa, două ni se par relevante. Mai întâi faptul că se ridică problema acceptării sociale a noilor tehnologii (robotizarea ne fură locurile de muncă). În al doilea rând conștientizarea unui handicap tehnologic: procesoarele cele mai avansate nu se mai fabrică în Europa și atunci, dacă vrem să le folosim este necesar, din motive de securitate, să avem acces la proiectarea acestora!

Resursele umane. În încheierea acestui tur de orizont preluăm¹ concluzia formarea și menținerea resurselor umane care să asigure proiectarea, ingineria, instalarea și operarea viitoarelor CPS este o provocare majoră pentru industrie, mediul academic și guverne; specialiștii respectivi necesită nu numai pregătirea solidă în toate tehnologiile digitale (3C), ci și o cunoaștere semnificativă a domeniilor de aplicație relevante.