Da Industria 4.0 ai Cyber Physical Systems: collocazione ed esempi

Nei convegni su Industria 4.0 spesso è stata utilizzata la sigla CPS, che sta per Cyber Physical Systems, ma raramente si è spiegato di cosa si tratta.

Cyber Physical Systems: alcune definizioni

In generale, i sistemi CPS sono identificati per la capacità di:

• integrare fortemente componenti del cyber-spazio e fisici, trascendendo così i domini discreti e continui;
• interagire con gli operatori umani.

Per componenti del cyber-spazio s’intendono l’insieme dei sistemi che o si trovano nella rete in modo reale, ad esempio le banche dati in cloud, o in modo virtuale, come certe applicazioni software. Per componenti fisici s’intendono le attrezzature, ad esempio di produzione, le loro interfacce di comunicazione e i software inclusi nelle stesse.

Normalmente la sinergia tra componenti cyber e fisici dei CPS viene definita prima ancora che il sistema completo sia messo in opera.

Per fare questo e identificare a priori le possibili prestazioni del nuovo sistema, le tecniche di virtualizzazione svolgono un ruolo significativo nell’esplorare tale sinergia. Spesso si tratta d’integrare una macchina virtuale con un emulatore di componenti fisici.

L’integrazione tra i principi d’ingegneria attraverso le tecnologie dell’informazione

La ricerca sui sistemi CPS mira a integrare le conoscenze e i principi d’ingegneria attraverso le discipline di calcolo e delle tecnologie dell’informazione.
Tali discipline utili per sviluppare nuove tecnologie CPS e le soluzioni di supporto possono essere:

• networking;
• controllo;
• software;
• interazione umana;
• teoria dell’apprendimento;
• elettrotecnica;
• meccanica;
• chimica;
• biomedica;
• scienza dei materiali.

Come si può intuire da quanto detto, ci si trova di fronte a un radicale cambiamento di contenuti. Sinora quando si parlava di tecnologia era istintivo pensare a macchine, componenti hardware di ogni tipo, e software, in particolare quello incluso nelle macchine stesse o quello dei sistemi di elaborazione e controllo. Le tecnologie CPS includono aspetti totalmente nuovi, ai quali non siamo ancora culturalmente preparati. Ecco alcuni esempi.

Alcuni esempi di tecnologie Cyber Physical Systems

Abbiamo detto che i sistemi CPS interagiscono con l’uomo. Non è stabilito che tale interazione si limiti ai normali organi di senso, come la vista rispetto a una interfaccia grafica o il tatto usando una tastiera o uno smartphone. Le recenti ricerche sul funzionamento dell’organismo umano hanno aperto la possibilità di usare nuovi sistemi di comando. Ad esempio, il movimento delle pupille oculari o, in modo più radicale, l’interfacciamento ai segnali elettromagnetici generati dalla mente. Le opportunità e le sfide della ricerca includono la progettazione e lo sviluppo di aeroplani di prossima generazione totalmente servo-assistiti, o di veicoli con guida urbana autonoma, e questo grazie a protesi che permettono ai segnali del cervello di controllare oggetti fisici.

Altro esempio. I ricercatori dell’informatica hanno compiuto grandi passi avanti in diversi campi:

• nei nuovi linguaggi di programmazione;
• nelle tecniche di calcolo in tempo reale;
• nei metodi di visualizzazione;
• nei disegni di compilatori;
• nelle architetture dei sistemi embedded;
  
• nei sistemi software;
  
• negli approcci innovativi per garantire l’affidabilità del sistema informatico, la sicurezza informatica e la tolleranza ai guasti.

Sono stati sviluppati anche forti formalismi di modellazione e strumenti automatici di verifica. Tutto questo, nei sistemi CPS, può portare a un sistema “vivo”, cioè dinamicamente capace di riprogettare se stesso. Quindi non più un sistema che evolve nel tempo grazie a nuovi dati che alimentano regole e algoritmi definiti una volta per tutte, ma un sistema che dinamicamente può cambiare parti del proprio software senza l’intervento umano.

Ovviamente quest’ultimo contesto apre grandi problematiche sulla cyber-sicurezza. La visione del tipico ragazzo appassionato d’informatica che riesce a violare un sistema grazie a qualche intuizione geniale tende a lasciare il posto a sistemi software intelligenti e adattivi che riescono a generare da soli i giusti algoritmi per violare i sistemi altrui. Non su base statistica o per tentativi, ma usando l’intelligenza artificiale.

Quali potranno essere gli sviluppi futuri

Tornando ai sistemi di produzione industriale e ai prodotti, sono stati progettati molti sistemi di ingegneria disaccoppiando il disegno del sistema di controllo dai dettagli sull’implementazione hardware/software. Sia per certi prodotti, come le automobili, che per i CPS in ambienti manifatturieri, si pone una problematica comune. Tale problematica è relativa all’integrazione dei vari sottosistemi, normalmente provenienti da costruttori diversi. La crescente complessità dei componenti e l’utilizzo di tecnologie più avanzate, anche per sensori e attuatori, così come i nuovi mezzi di comunicazione, sia locale che in rete, e la diffusione di sistemi paralleli di calcolo rappresentano una grande sfida nella progettazione e sviluppo di prodotti e sistemi avanzati. Questo anche in relazione all’oggettiva difficoltà di creare degli standard utili in ambienti dinamici come quelli sopra descritti.
Si tratta di approcciare il problema con modalità nuove che sicuramente emergeranno progressivamente dal mercato, che continua a chiedere riduzioni dei costi a fronte di un incremento delle prestazioni.

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