I sistemi cyberfisici

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aperturaL’integrazione della dinamica dei processi fisici con software e networking con nuove tecniche di astrazione, modellizzazione, progettazione e analisi, è all’origine di una nuova disciplina che avrà un grande impatto in molteplici campi applicativi.

I sistemi ciberfisici (Cyber-Physical Systems o CPS) sono sistemi in cui la parte “cyber”, somma di capacità computazionale e di comunicazione, e la parte fisica sono strettamente integrate sia come progetto che come operatività. Detto diversamente, ci si riferisce a un sistema informatico interagente in modo continuo con un sistema composto da elementi fisici ciascuno con propria capacità computazionale (termine adottato nel contesto CPS per esprimere una generale capacità di elaborare dati), che riunisce le cosiddette tre “C” di capacità computazionale, comunicazione e capacità di controllo, formando un sistema distribuito che interagisce direttamente e dinamicamente con il mondo reale che le circonda. Volendo semplificare, almeno per arrivare a una prima chiave di lettura compatta, un Cyber-Physical System è un sistema di elementi computazionali collaborativi che controllano entità fisiche, oppure, se si preferisce, un’integrazione tra capacità computazionali e processi fisici. Come disciplina, CPS rappresenta una branca del vasto campo dell’ingegneria, con focus sulla tecnologia e con forti fondamenta nell’astrazione matematica. La sfida consiste nel coniugare l’astrazione che si è evoluta nel tempo per la modellizzazione dei processi fisici con quella più recente della computer science, con algoritmi e programmi atti a mettere a disposizione un’epistemologia procedurale, da intendersi come indagine critica relativamente ai metodi, tra cui osservazione e sperimentazione,  per affrontare i problemi nel loro sviluppo e nella loro interazione, in pratica una strada per raggiungere una conoscenza certa. Se il precedente focus dell’astrazione era prevalentemente sugli aspetti dinamici, cioè evoluzione dello stato dei sistemi nel tempo, ora ci si concentra sui processi di trasformazione dei dati. Da un punto di vista teorico i CPS non hanno confini, includendo sistemi e dispositivi medicali, controllo traffico, sistemi automotive avanzati, controllo di processo, sistemi di conservazione e distribuzione dell’energia, controllo ambientale, avionica, controllo di infrastrutture critiche, sistemi deputati alla difesa, manufacturing e strutture “smart” in genere. L’ampiezza del campo di intervento è ben evidenziato dai filoni di ricerca a livello europeo, e che riguardano Networked Monitoring and Control, Advanced Embedded Systems, System-of-Systems (SoS), e Internet of Things. A questo punto il concetto di CPS inizia ad apparire sfuggente, ma un primo riferimento da cui partire sono i sistemi embedded.

Cyber, una breve parentesi

I CPS sono Cyber-Physical Systems, e l’attenzione è oviamente richiamata dall’aggettivo “cyber”. Cosa significa esattamente? Il significato originale va riferito alla disciplina degli anni ’60 che studiava le possibilità di creare macchine con capacità paragonabili la cervello umano, la Cibernetica (termine coniato nel 1947 da un matematico americano). Per gli amanti del genere si può aggiungere che “cyber” trova la sua radice nella parola greca antica “kybernetes” (pilota di una nave) dove “kyber” sta per timone, e goverrnare una nave diventa una metafora per un più ampio concetto di “governare”, e alla fine è quanto viene fatto da un software in merito all’hardware su cui è intallato. Ma vi è poi stata un’evoluzione, con associazione al concetto di cyberspazio, dimensione immateriale da intendersi sostanzialmente come sinonimo di World Wide Web, per cui si può dire che è cyber quanto è attinente a internet, ma anche alla realtà virtuale. Infatti il cyberspazio, termine evocativo che riunisce cibernetica e spazio, appare per la prima volta negli anni ’80 nella fantascianza cyberpunk del famoso scrittore William Gibson, a comprendere vari tipi di realtà virtuale condivisi da entità che esistono all’interno di sistemi informatici.

Sistemi embedded e CPS

Ma torniamo ora ai sistemi embedde e ai CPS. I sistemi embedded possono essere assimilati all’elettronica che ci è invisibile e a cui si accede indirettamente solo si usa un prodotto o una funzione di un sistema, per esempio, banalizzando su un’autovettura, il controllo velocità.  Malgrado la loro invisibilità, i sistemi embedded svolgono una funzione di grande valore, quella di conferire intelligenza a oggetti o dispositivi. Va da sè che l’integrazione tra computing (la capacità computazionale prima evidenziata) e processi fisici non è un fatto nuovo, e in molri di questi casi è stato appunto usato il termine “sistemi embedded”, che però non espongono la loro “computing capability” all’esterno se non, come prima sottolineato, all’atto della loro fruizione da parte di un utente, e la vera sfida è il networking di questi sistemi o dispositivi. Con l’arrivo di un networking sempre più esteso e veloce e dell’Internet of Things, il mondo embedded incontra il mondo internet, e il mondo fisico incontra il mondo cyber, quello della realtà virtuale. In prospettiva una moltitudine di dispositivi collegati con il mondo fisico si scambieranno dati accedendo al Web, e sistemi e sottosistemi si influerenzeranno a vicenda, aumentando la loro complessità di espressione funzionale. A differenza di un sistema embedded tradizionale, un CPS è concepito come rete di elementi interagenti con input e output fisici piuttosto che come dispositivo standalone, e irrobustendo il rapporto tra elementi fisici e computazionali si otterrà adattabilità, autonomia, efficienza, affidabilità, sicurezza. Nel manufacturing, utilizzando algoritmi e software di analisi, le macchine in rete potranno operare in modo più collaborativo e flessibile, e questo porta i CPS verso Industry 4.0, e per dar seguito a questo trend è stata proposta un’architettura a 5 livelli, che ricorda la vecchia “piramide dell’automazione”, ma con contenuti molto diversi.

 

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