Киберфизические системы
Cyber-Physical System, CPS
К чему приведет слияние интернета людей, вещей и сервисов

Что такое киберфизическая система

Киберфизические системы (Cyber-Physical System, CPS) — это системы, состоящие из различных природных объектов, искусственных подсистем и управляющих контроллеров, позволяющих представить такое образование как единое целое. В CPS обеспечивается тесная связь и координация между вычислительными и физическими ресурсами. Компьютеры осуществляют мониторинг и управление физическими процессами с использованием такой петли обратной связи, где происходящее в физических системах оказывает влияние на вычисления и наоборот.

Сложность такого рода задач приводит к мысли о том, что речь не идет о создании автоматизированных систем, более крупных, чем существующие, где компьютеры интегрированы или встроены в те или иные физические устройства или системы. Речь о гармоничном сосуществовании двух типов моделей. С одной стороны - это традиционные инженерные модели (механические, строительные, электрические, биологические, химические, экономические и другие), а с другой - модели компьютерные.

Предшественниками CPS можно считать встроенные системы реального времени, распределенные вычислительные системы, автоматизированные системы управления техническими процессами и объектами, беспроводные сенсорные сети.

С технической точки зрения CPS имеют много общего со структурами типа грид, реализуемыми посредством интернета вещей (Internet of Things, IoT), Индустрии 4.0, промышленного интернета вещей (Industrial Internet), межмашинного взаимодействия (Machine-to-Machine, M2M), туманного и облачного компьютинга (fog и cloud computing). Но этими техническими средствами ни в коем случае нельзя ограничивать представление CPS. Для этих сложных систем требуются новые кибернетические подходы к моделированию, поскольку именно модели являются центральным моментом в науке и инженерии.

Немецкая академия Acatech уже говорит о перспективах национальных киберфизических платформ, которые складываются из трех типов сетей:

• Интернет людей
• Интернет вещей
• Интернет сервисов

Киберфизические системы возникают на стыке интернета людей, вещей и сервисов

По мнению немецких академиков, перспективы появления киберфизических систем и формирования на их основе Индустрии 4.0 затрагивают интересы общества в целом, поэтому должны рассматриваться не только в техническом, а в более широком социокультурном аспекте, с учетом демографических и других происходящих изменений.

Область применения CPS распространяется практически на все виды человеческой деятельности, включая все многообразие промышленных систем, транспортные, энергетические и военные системы, все виды систем жизнеобеспечения от медицины до умных домов и городов, а также многие экономические системы. Бизнес уходит в облако: стратегии и подходы

Создание полноценных систем CPS в перспективе приведет примерно к таким же изменениям во взаимодействии с физическим миром, как те, к которым привела в свое время Всемирная сеть.

Предпосылки появления киберфизических систем

Можно говорить о нескольких основных технических предпосылках, сделавших CPS возможными:

Первая — рост числа устройств со встроенными процессорами и средствами хранения данных: сенсорные сети, работающие во всех протяженных технических инфраструктурах; медицинское оборудование; умные дома и т.д.

Вторая — интеграция, позволяющая достигнуть наибольшего эффекта путем объединения отдельных компонентов в большие системы: Интернет вещей (IoT), World Wide Sensor Net, умные среды обитания (Smart Building Environment), оборонные системы будущего.

Третья — ограничение когнитивных способностей человека, которые эволюционируют медленнее, чем машины. В этой связи непременно наступает момент, когда люди уже не в состоянии справиться с объемом информации, требуемой для принятия решений, и какую-то часть действий нужно передать CPS, выведя человека из контура управления (human out of loop).

В то же время в ряде случаев CPS могут усилить аналитические способности человека, поэтому есть потребность в создании интерактивных систем нового уровня, сохраняющих человека в контуре управления (human in the loop).

Опасное упрощение в понимании сути киберфизических систем

Есть очевидная опасность упрощенного понимания того, что такое киберфизические системы. Суть ее в том, что ударение делается на втором корне, а первый воспринимается на каком-то интуитивном, общепринятом уровне. Поэтому стоит избавиться от укоренившегося в массовом сознании стереотипного восприятия корня «кибер».

В начале XXI века мы повсюду встречам такие слова как Cyberbullying (школьное сетевое насилие), Cybercrime (Сетевое преступление), Cyberterrorism (сетевой терроризм), Cyberwarfare (сетевое оружие) и многие другие. Появились и их русскоязычные аналоги и даже с героическим оттенком «кибердружина» и пионерским «киберята». Все это наносные явления, не коим образом не связанные с кибернетикой.

Если не выйти за рамки этой вульгарной парадигмы, то не удастся осознать примитивность определения CPS из русскоязычной Википедии: «Кибер-физическая система (англ. cyber-physical system) — информационно-технологическая концепция, подразумевающая интеграцию вычислительных ресурсов в физические процессы. В такой системе датчики, оборудование и информационные системы соединены на протяжении всей цепочки создания стоимости, выходящей за рамки одного предприятия или бизнеса. Эти системы взаимодействуют друг с другом с помощью стандартных интернет-протоколов для прогнозирования, самонастройки и адаптации к изменениям».

По мнению авторов этой статьи, CPS объединяют буквально все: большие данные и аналитику, роботов, компьютерное зрение, облака, интернет вещей и даже дополненную реальность и 3D-печать. Но где в такой трактовке кибернетика? Что, корень кибер взят просто для красного словца?

Увы, так уж сложилось, что по недостатку эрудиции как в общих, так и специальных изданиях «кибер» используют в качестве синонима слову «сетевой» для эмоционального усиления, причем в контексте, не имеющем никакого отношения к кибернетике. Примерно то же самое происходит со словами «центр» и «эпицентр». Вспомните пафосный штамп «мы в эпицентре событий». Звучит! Хотя «эпи» означает проекцию центра землетрясения на поверхность.

Установившейся нелепицей в использовании слова «кибер» мы обязаны американско-канадскому писателю Уильяму Гибсону, точнее его фантастической трилогии «Киберпространство» (Sprawl trilogy), и еще в немалой степени тем пишущим, кто любит неуместно использовать красивые слова. И, конечно же, особой благодарности за дискредитацию идеи кибернетического подхода в представлении публики заслуживают многие маститые ученые, считающие себя кибернетиками. Они изрядно постарались, чтобы деформировать в свою пользу наследие великих, сделавших первые шаги в кибернетике.

Сравним с англоязычной Википедией. Там говориться, что в CPS используют междисциплинарные подходы, в CPS объединяются кибернетика, мехнотроника, теория и практика управления конкретными процессами. От привычных встроенных систем CPS отличается более развитыми связями между вычислительными и физическими элементами, поэтому используется архитектура, аналогичная интернету вещей (IoT).

Тернистый путь кибернетики как науки

В формировании кибернетики как науки были и остались свои особенности. В силу объективных причин в ней не был заложен прочный фундамент. Хотя, впрочем, не исключено, что в классическом науковедческом понимании его и невозможно создать. Великие основоположники – Норберт Винер, Людвиг фон Берталанффи, Уильям Эшби, Грегори Бейтсон, Умберто Матурана и другие не оставили после себя трудов, которые можно признать основополагающими.

Даже значение знаменитой «красной книги» Винера не стоит преувеличивать. «Кибернетика» - это документ своего времени. В XXI веке, к сожалению, книга интересна исключительно с исторической точки зрения. С тех пор кибернетика и родственная ей общая теория систем были и остаются своеобразной академической провинцией, не имеющей строгих определений. Контуры этой провинции были намечены на междисциплинарных семинарах, известных как Macy conferences, проходивших ежегодно с 1940 по 1960 год. Скромный центр конгрессов Macy - бывшая женская лесная школа, расположенная неподалеку от Нью-Йорка.

Об уровне дискуссий и их разнообразии можно судить хотя бы по приведенной ниже фотографии. В современных условиях трудно представить себе собранными под одной крышей звезд такой величины.

Участники семинаров Macy

На конференциях «Мэйси» сложился своего рода «народный эпос»: два научных подхода - «кибернетический» и «системный», существенно отличающиеся от более распространенного и общепринятого аналитического подхода. Общим для обоих является то, что они отделяют такие вещи как логика, способ мышления, аргументация от конкретной области, к которой может быть применен этот подход. Скажем, кибернетический подход в равной степени может быть применен к психотерапии, биологии и автоматическому управлению летательными аппаратами.

Различие между двумя подходами состоит в том, что системный подход ориентирован на структуру и модель системы, а кибернетический ориентирован на функции системы, на то, как осуществляется управление отдельными действиями и как отдельные узлы взаимодействуют между собой. Но поскольку структура системы и ее функции неразделимы между собой, то о теории систем и кибернетике можно говорить как о двух сторонах одной медали.

Отсутствие выраженных постулатов привело к многообразию трактовок кибернетики. У нас со времен СССР утвердилось технократическое представление о кибернетике как о науке об общих закономерностях получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах, будь то машины, живые организмы или общество. Ему можно противопоставить определение Стаффорда Бира более всего известного провальным проектом «Киберсин» для Чили в период правления Сальвадора Альенде: «Кибернетика – это искусство организации».

По Бейтсону кибернетика это «область математики, имеющая дело с проблемами управления, рекурсивности и информации, сосредоточенная на связанных формах и образах». Матурана предложил: «Искусство и наука понимания» (The science and art of understanding). Его определение немного расширил Родни Дональдсон: «Искусство и наука понимания того, как следует понимать» (The science and art of the understanding of understanding).

Как ни странно, но наиболее подходящее к киберфизическим системам определение кибернетики дал Рой Эскотт, художник, исследователь, теоретик искусства, один из пионеров кибернетического и телематического направлений в современном искусстве. Оно звучит так: «Искусство взаимодействия в динамических сетях». Последнее определение кибернетики прекрасно соответствует представлениям о CPS.

После грандиозных успехов пятидесятых-семидесятых годов XX века в кибернетике началась полоса упадка. Правда в СССР появлялись такие странные самобытные новообразования как техническая, сельскохозяйственная, юридическая кибернетики, но это не в счет. Некоторое время назад возникла «кибернетика второго порядка». Возникновение второго поколения кибернетики связывают с американским ученым Грегори Бэйтсоном, известным своим системным подходом к психологии, и чилийскими биологами Умберто Матураной и Франсиско Варелой, авторами теории автопоэзиса (autopoiesis)^[1].

Полномасштабно кибернетический подход так и не был реализован, скорее всего, из-за недостаточности технических возможностей, которых теперь в CPS в избытке.

Предпосылки к теории киберфизических систем изложены в статье "The Past, Present and Future of Cyber-Physical Systems: A Focus on Model" профессора Эдварда Ли из Калифорнийского университета в Беркли^[2].

Читайте также

• Четвертая промышленная революция. Популярно о главном технологическом тренде XXI века
• Как данные стали сырьем XXI века
• Самая многообещающая технология. Чем вызвано всеобщее помешательство на машинном обучении?
• Разум вместо программирования. Наступает эра компьютеров, способных к мышлению
• Как создать цифровое предприятие. 6 этапов на пути к Индустрии 4.0

Примечания