Интернет, социальные сети, облачные службы и электронная коммерция стали важными составляющими жизни современного человека. Но живём мы всё же в реальном «аналоговом» мире, а не в киберпространстве. Тем интересней, что кибер-физические системы, которые способны объединить эти два аспекта нашей жизни, сейчас развиваются очень быстрыми темпами.

Кибер-физические системы (от англ. cyber-physical systems, или КФС) — понятие достаточно комплексное. Однозначного и общепринятого определения на сегодняшний день они не получили, так как эти системы находятся на пересечении сразу нескольких сфер и, в зависимости от реализации, способны затрагивать самые разные аспекты нашей жизни. Их главной общей характеристикой является очень плотное взаимодействие между вычислительными процессами и процессами физическими, поэтому можно сказать, что кибер-физическая система — это комплексная система из вычислительных и физических элементов, которая постоянно получает данные из окружающей среды и использует их для дальнейшей оптимизации процессов управления.
К кибер-физическим системам можно отнести «умные» сети электроснабжения, системы управления «умным» транспортом, АСУ (автоматизированные системы управления) в производстве и сельском хозяйстве, а также медицинское оборудование. Одним из примеров кибер-физических систем являются такие масштабные и комплексные решения, как «умные» города. Важно отметить, что кибер-физические системы схожи по архитектуре с интернетом вещей и могут использовать его элементы для связи или получения данных, но по своей сути они намного сложнее, поэтому ставить знак равенства тут было бы некорректно.

Как уже было сказано выше, главным принципом работы кибер-физических систем можно назвать глубокую взаимосвязь между их физическими и вычислительными элементами. «Мозг» системы в виде ИИ и других технологий получает данные от сенсоров в реальном мире, анализирует эти данные и использует их для дальнейшего управления физическими элементами. Благодаря такому взаимодействию кибер-физическая система способна эффективно работать в изменяющихся условиях, как аналог человеческого организма или современная компания, которая анализирует ситуацию на рынке, чтобы разработать именно тот продукт, который ему сейчас нужен. Причём цикл «управление — получение данных — обработка данных — управление» при налаженной работе системы каждый раз должен давать позитивные результаты и создавать новую ценность.
К примеру, та же компания Toshiba использует принцип кибер-физических систем в своём проекте виртуальной электростанции, которая применяет технологии интернета вещей, чтобы координировать работу распределённых источников энергии (солнечной, водородной и энергии ветра), потребляющих её электротранспортных средств и систем хранения/накопления энергии. При помощи данных от устройств интернета вещей и технологий ИИ в данном случае удаётся оптимизировать энергопотребление системы, предсказать его масштабы и в итоге добиться
Среди других вариантов применения кибер-физических систем можно назвать системы управления автономным транспортом, которые в реальном времени получают информацию от участников дорожного движения и дорожной инфраструктуры, чтобы избежать ДТП и подобрать оптимальный маршрут к месту назначения с учётом ситуации на дороге; медицинское оборудование, которое дистанционно отслеживает состояние больных и применяется для исследования человеческого организма; «умные» здания с нулевым потреблением электроэнергии; средства автоматизации процессов в сельском хозяйстве… Общим во всех этих примерах будет то, что кибер-физические системы способны действительно сделать жизнь людей проще и повысить её уровень, поэтому многие крупные компании сейчас берут курс развития на их разработку.

Возможность «сделать жизнь людей лучше и проще» при помощи этих систем отлично можно проиллюстрировать как раз на примере «умных» городов. Сингапур уже неоднократно признавался различными исследователями самым умным из «умных» городов на планете, причём его правительство идёт ещё дальше и считает, что работает над проектом «умной нации» (Smart Nation — название программы городского развития Сингапура). Целый ряд стартапов совместно создаёт решения для Сингапура, которые касаются практически всех сфер жизни горожан — от охраны правопорядка и автоматической фиксации нарушений до управления транспортной системой и энергоресурсами, водоснабжения и здравоохранения. И это даёт свои результаты, например, одна только система управления транспортными потоками способна сэкономить сингапурским водителям десятки тысяч часов в год.
Другим вариантом «умного» подхода к градостроению можно считать г. Масдар в ОАЭ, который строится неподалёку от Абу-Даби. Масдар должен стать «экогородом», который полностью обеспечивает свои потребности при помощи возобновляемых источников энергии, полностью перерабатывает все отходы и полностью отказался от традиционных видов транспорта в пользу общественного и персонального автономного транспорта. Естественно, для эффективного управления ресурсами и транспортными потоками в Масдаре будут применяться новейшие технологии, включая и кибер-физические системы.
В целом, в последние годы кибер-физические системы получили большой толчок к развитию, который связан с ростом количества «умных» устройств и сенсорных сетей и объединением их во всё более крупные системы, например, интернет вещей. Но, как считает технический директор Toshiba доктор Cиро Саито (Shiro Saito), очень важным для будущего этих систем является переход к открытым инновациям. «Крайне важно не попасться в ловушку желания достичь всего самостоятельно», — отмечает он. Именно поэтому компания активно занимается инвестициями в современные технологии, связанные с кибер-физическими системами, и сотрудничает с другими организациями, например, работает совместно со Стэндфордским университетом над снижением энергопотребления ИИ-чипов (текущий результат — 88-процентное снижение).
Кибер-физические системы — это настолько обширная и перспективная тема, что только совместными усилиями различные компании, НИИ и организации смогут разрабатывать новые технологии и новые продукты, в том числе и для решения актуальных социальных проблем.

Перспективные технологии и трендыБудущее киберфизических систем (КФС) связано с несколькими захватывающими технологиями и трендами. Во-первых, интернет вещей (IoT) продолжает развиваться, позволяя всё большему количеству устройств обмениваться данными и работать совместно. Мы уже видим, как умные дома, города и транспортные системы начинают включать в себя миллионы таких устройств, создавая более взаимосвязанный и автоматизированный мир.
Во-вторых, развитие 5G и будущих поколений сетевых технологий обещает значительно улучшить скорость передачи данных и снизить задержки. Это позволит КФС работать ещё быстрее и эффективнее, что особенно важно для таких областей, как автономные автомобили и умные города.
Также стоит отметить прогресс в области нанотехнологий. Наночипы и миниатюрные сенсоры могут позволить создать ещё более компактные и мощные устройства, которые можно использовать в различных областях медицины, экологии и промышленности.

Искусственный интеллект играет жизненно важную роль в развитии и совершенствовании киберфизических систем, предоставляя им возможность достичь новой автономии и снижая зависимость от вмешательства человека. Давайте рассмотрим основные преимущества интеграции ИИ в киберфизические системы.

1. Машинное обучение
В основе искусственного интеллекта лежит машинное обучение; компьютеры обучаются на обширных массивах данных с помощью этого процесса. Эта технология наделяет киберфизические системы повышенным интеллектом и способностью адаптироваться к новым ситуациям на основе накопленного опыта.

2. Оптимизация и управление ресурсами
ИИ используется для оптимизации операций КФС и эффективного управления ресурсами. Например, в промышленных условиях ИИ может управлять производственными процессами для максимизации эффективности при минимизации затрат.

3. Анализ данных и прогнозирование
Благодаря интеграции искусственного интеллекта КФС может тщательно анализировать огромные объемы данных, собранных с датчиков и других источников. ИИ позволяет КФС прогнозировать будущие события, оптимизировать производительность системы и заблаговременно устранять потенциальные проблемы.

4. Интеллектуальное принятие решений и оптимизация
Системы КФС с искусственным интеллектом наделены способностью принимать разумные решения на основе данных и ситуационного анализа. Это отзывчивое взаимодействие обеспечивает автоматическую адаптацию к изменениям окружающей среды и облегчает поиск оптимальных решений для достижения предопределенных целей.

5. Управление сложными системами
Киберфизические системы могут быть сложными, состоящими из множества компонентов и взаимодействий. ИИ является оркестратором, управляющим этой сложностью путем координации работы различных компонентов системы, все из которых направлены на достижение всеобъемлющих целей.
Может ли КФС функционировать без искусственного интеллекта? Да, конечно. КФС может работать на основе алгоритмов и правил. Однако ИИ позволяет киберфизическим системам достичь совершенно нового уровня, становясь революционной технологией Индустрии 4.0.

С развитием технологий возникают и новые вызовы. Один из основных вопросов связан с безопасностью и конфиденциальностью данных. Чем больше устройств и данных, тем выше риск утечек и кибератак. Разработчики должны найти способы защиты информации и обеспечения приватности пользователей.
Другим важным аспектом является этическое использование технологий. Вопросы о том, как и где использовать КФС, а также как управлять их воздействием на общество, становятся всё более актуальными. Например, в области видеонаблюдения важно соблюдать баланс между безопасностью и правами человека.
Также следует учитывать социальные и экономические последствия. Внедрение КФС может повлиять на рабочие места и потребовать новых навыков от работников. Общество должно подготовиться к этим изменениям, чтобы обеспечить успешное и справедливое внедрение новых технологий.
В ближайшие годы кибер-физические системы продолжат развиваться, внедряя новые инновации и достижения. Мы уже обсуждали интеграцию с искусственным интеллектом, которая будет способствовать значительному технологическому прогрессу.
Согласно исследованию, к 2028 году капитализация рынка КФС, как ожидается, достигнет $137 556 млн. Для сравнения, в 2022 году капитализация рынка составляла $86 979,6 млн. В целом, будущее киберфизических систем обещает быть захватывающим и революционным, поскольку эти системы становятся неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, способствуя прогрессу и достижениям в различных сферах человеческой деятельности.
Мечтают ли андроиды о киберфизических системах? Они определенно должны. Будущее, в котором роботы помогают нам оптимизировать бесчисленные процессы, уже не за горами. Осталось только бесшовно интегрировать виртуальный и физический миры.

(05)

НЕ СТЕСНЯЙТЕСЬ

МЕСТО ДЛЯ ВОПРОСА

Проект создан в рамках реализации проекта «Создание роботизированных средств для расширения функциональных возможностей человека» программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030»