Desafíos en el diseño de sistemas cyber-físicos. (Challenges in the design of cyber-physical systems).

John

Description

es un proceso que integra la computación con los procesos físicos. Los computadores embebidos, el monitoreo de redes y el control de procesos físicos, usualmente tienen ciclos de retroalimentación en los que los procesos físicos afectan los cálculos, y viceversa. En este artículo se examinan los desafíos en el diseño de estos sistemas, y se plantea la cuestión de si la informática y las tecnologías de redes actuales proporcionan una base adecuada para ellos. La conclusión es que para mejorar los procesos de diseño de estos sistemas no será suficiente con elevar el nivel de abstracción o verificar, formalmente o no, los diseños en los que se basan las abstracciones de hoy. El potencial social y económico de los CPS es mucho mayor de lo que hasta el momento se ha pensado
is a process that integrates computation with physical processes. Embedded computers, network monitoring and control of physical processes, usually have feedback loops where physical processes affect computations and vice versa. This paper discusses the challenges in designing these systems and raises the question of whether computers and existing network technologies provide an adequate basis for them. The conclusion is that to improve the design processes of these systems will not be enough to raise the level of abstraction, or verify, formally or not, the designs based on today's abstractions. The social and economic potential of the CPS is much higher than hitherto thought, throughout the world are investing heavily to develop this technology, but the challenges are considerable. To realize the full potential of CPS will have to reconstruct the processes of abstraction and computer networks, and processes must be open in the middle of the principles of physical dynamics and computation.

Sujets

• Abstracción
• Ciencias computacionales
• Ingeniería de software
• Sincronización
• Abstraction
• Computer science
• Software engineering
• Synchronization

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• Publié le: 01 janvier 2011
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• Langue: English

Extrait

Ing. USBMed, Vol. 1, No. 1, Jul-Dic 2010
CHALLENGES IN THE DESIGN OF CYBER-PHYSICAL SYSTEMS

DESAFÍOS EN EL DISEÑO DE SISTEMAS CYBER-FÍSICOS

John C. Chandy
Connecticut University
[e-mail]

(Tipo de Artículo: REFLEXIÓN. Recibido el 20/09/2010. Aprobado el 10/11/2010)

Abstract. Cyber-physical systems ─CPS ─ is a process redes y el control de procesos físicos, usualmente
that integrates computation with physical processes. tienen ciclos de retroalimentación en los que los
Embedded computers, network monitoring and control of procesos físicos afectan los cálculos y viceversa.
physical processes, usually have feedback loops where En el mundo físico, el paso del tiempo es al processes affect computations and vice versa. inexorable y la concurrencia es intrínseca. Ninguna
This paper discusses the challenges in designing these
de estas propiedades las tienen en cuenta las systems and raises the question of whether computers
actuales abstracciones de la informática y de las and existing network technologies provide an adequate
redes. basis for them. The conclusion is that to improve the
design processes of these systems will not be enough to
raise the level of abstraction, or verify, formally or not, Podría decirse que las aplicaciones de los CPS
the designs based on today's abstractions. The social poseen el potencial de empequeñecer la
and economic potential of the CPS is much higher than revolución de las IT del siglo XX. Estos sistemas
hitherto thought, throughout the world are investing incluyen: dispositivos médicos altamente
heavily to develop this technology, but the challenges
confiables, sistemas de vida asistida, sistemas
are considerable. To realize the full potential of CPS will
avanzados de control de tráfico, control de have to reconstruct the processes of abstraction and
procesos, conservación de energía, control medio-computer networks, and processes must be open in the
ambiental, aeronáutica, instrumentación, control de middle of the principles of physical dynamics and
computation. infraestructuras críticas ─por ejemplo, energía
eléctrica, recursos hídricos y sistemas de
Keywords. Abstraction, Computer Science, cyber- comunicaciones ─, robótica distribuida
physical, software engineering, synchronization. ─telepresencia, telemedicina ─, sistemas de
defensa, manufactura, y estructuras inteligentes.
Resumen. Los sistemas cyber-físicos ─Cyber-Physical
Systems CPS ─ es un proceso que integra la
Con todo esto es fácil imaginar nuevas computación con los procesos físicos. Los
aplicaciones para ellos, como la generación de computadores embebidos, el monitoreo de redes y el
energía micro-distribuida acoplada a la red control de procesos físicos, usualmente tienen ciclos de
eléctrica, donde cuestiones como sincronización retroalimentación en los que los procesos físicos afectan
los cálculos, y viceversa. En este artículo se examinan de tiempo y seguridad son fundamentales. Los
los desafíos en el diseño de estos sistemas, y se sistemas de transporte podrían beneficiarse
plantea la cuestión de si la informática y las tecnologías considerablemente de una mejor inteligencia
de redes actuales proporcionan una base adecuada embebida en los automóviles, lo que podría
para ellos. La conclusión es que para mejorar los
mejorar su seguridad y eficiencia. Una red de
procesos de diseño de estos sistemas no será suficiente
vehículos autónomos podría mejorar con elevar el nivel de abstracción o verificar,
drásticamente la eficacia de las fuerzas armadas y formalmente o no, los diseños en los que se basan las
podría hacer sustancialmente más eficientes las abstracciones de hoy. El potencial social y económico
de los CPS es mucho mayor de lo que hasta el técnicas de recuperación de desastres. Las redes
momento se ha pensado; en todo el mundo se están de sistemas de control de edificios ─como la
realizando grandes inversiones para desarrollar esta climatización y la iluminación ─ podría mejorar
tecnología, pero los retos son considerables. Para significativamente su eficiencia energética y la
aprovechar todo el potencial de los CPS se tendrán que variabilidad de la demanda, reduciendo nuestra
reconstruir los procesos de las abstracciones dependencia de los combustibles fósiles y por
informáticas y de las redes, y los procesos se deberán
tanto las emisiones de gases de efecto acoger en pleno a los principios de las dinámicas físicas
invernadero. En las comunicaciones, la radio y de la computación.
cognitiva podrían beneficiarse enormemente de un
Palabras clave: Abstracción, Ciencias consenso distribuido alrededor del ancho de
Computacionales, cyber-físico, ingeniería de software, banda disponible y de las tecnologías de control
sincronización. distribuido. Las redes financieras podrían cambiar
radicalmente por la sincronización del tiempo. Los
1. INTRODUCCIÓN sistemas de servicios a gran escala aprovecharían
Los sistemas cyber-físicos es un proceso que la RFID ─Radio Frequency IDentification ─ y otras
integra la computación con los procesos físicos. tecnologías para el rastreo de bienes y servicios,
Los computadores embebidos, el monitoreo de ya que podrían adquirir la naturaleza de sistemas
J. C. Chandy. “Desafíos en el diseño de sistemas cyber-físicos”. Ing. USBMed, ISSN: 2027-5846, Vol 1, No. 1, pp. 6-14. Jul-Dic 2010.
6 Ing. USBMed, Vol. 1, No. 1, Jul-Dic 2010
de control distribuido en tiempo real. Los juegos intrínsecamente los procesos estocásticos ─el
distribuidos en tiempo real que integran sensores y movimiento de los electrones ─ para ofrecer una
actuadores podrían cambiar la naturaleza, precisión y fiabilidad sin precedentes en la historia
relativamente pasiva, de las interacciones sociales de la innovación humana. Pueden ofrecer circuitos
en línea. que realizan una función lógica esencialmente a la
perfección, a tiempo, y miles de millones de veces
El impacto económico de cualquiera de estas por segundo, durante años. Todo esto se
aplicaciones sería enorme, sin embargo, la construye sobre un fundamento altamente
informática y las tecnologías de red actuales, aleatorio. ¿Deberían los diseñadores de sistemas
pueden obstaculizar innecesariamente el progreso confiar en esta previsibilidad y fiabilidad?
hacia estas aplicaciones. Por ejemplo, la falta de
semántica temporal y de adecuados modelos de De hecho, todos los sistemas digitales actuales
concurrencia en la informática, y las tecnologías dependen hasta cierto punto de esto. Existe un
de red actuales dificultan el previsible y exacto inmenso debate acerca de si esta dependencia
rendimiento de tiempo real. Las tecnologías de los impide de cierta forma el progreso de la tecnología
componentes de software, incluyendo el diseño de los circuitos. Los circuitos extremadamente
orientado a objetos y las arquitecturas orientadas pequeños son más vulnerables a la aleatoriedad
a servicios, son construidas sobre abstracciones del fundamento subyacente, y si los diseñadores
que coinciden mejor con el software que con los de sistemas dependieran menos de la
sistemas físicos. Muchas aplicaciones no se previsibilidad y la fiabilidad de los circuitos
pueden lograr sin cambios sustanciales en las digitales, podríamos avanzar más rápidamente a
abstracciones fundamentales. características de tamaño más pequeño.

2. REQUISITOS PARA LOS CPS El mayor fabricante de semiconductores no ha
Los sistemas embebidos siempre han tenido seguido el paso y diseñó un proceso de
mayor fiabilidad y estándares de previsibilidad que fabricación de circuitos que ofrece puertas lógicas
los de computación de propósito general. Los que funcionan el 80% del tiempo especificado.
consumidores no esperan que su televisor se Estas puertas se consideran un completo
bloquee y reiniciar el sistema; ellos cuentan con fracasado, y un proceso que las produzca
que los autos sean de alta fiabilidad, donde, de habitualmente tendrá un rendimiento muy pobre.
hecho, se utiliza un controlador computarizado
para mejorar la confiabilidad y la eficiencia de los Pero los diseñadores de sistemas diseñan
mismos. En la transición a los CPS, esa sistemas resistentes a esos fracasos. El propósito
expectativa de fiabilidad se incrementará. De es mejorar el rendimiento, no mejorar la fiabilidad
hecho, sin una mayor fiabilidad y previsibilidad, los del producto final. Una puerta que falle el 20% de
CPS no se podrán utilizar en aplicaciones como el las veces es una compuerta fracasada, y un
control de tráfico, la seguridad automovilística y el sistema exitoso ha de evitarla. Las puertas deben