Інтеграція інформаційних технологій та концепцій, що активно розвиваються у XXI столітті, створює передумови для формування локальних і навіть національних кіберфізичних систем. У матеріалі, який спеціально для TAdviser підготував журналіст Леонід Черняк, розповідається про сучасне розуміння суті таких систем та історію їх виникнення.
Зміст
Що таке кіберфізична система
Кіберфізичні системи (Cyber-Physical System, CPS) - це системи, що складаються з різних природних об'єктів, штучних підсистем і управляючих контролерів, що дозволяють уявити таку освіту як єдине ціле. У CPS забезпечується тісний зв'язок та координація між обчислювальними та фізичними ресурсами. Комп'ютери здійснюють моніторинг та управління фізичними процесами з використанням такої петлі зворотного зв'язку, де те, що відбувається у фізичних системах, впливає на обчислення і навпаки.
Складність такого роду завдань призводить до думки, що не йдеться про створення автоматизованих систем, більших, ніж існуючі, де комп'ютери інтегровані або вбудовані в ті чи інші фізичні пристрої або системи. Йдеться про гармонійне співіснування двох типів моделей. З одного боку - це традиційні інженерні моделі (механічні, будівельні, електричні, біологічні, хімічні, економічні та інші), з другого - моделі комп'ютерні.
Попередниками CPS можна вважати вбудовані системи реального часу, розподілені обчислювальні системи, автоматизовані системи керування технічними процесами та об'єктами, бездротові сенсорні мережі.
З технічного погляду CPSмають багато спільного зі структурами типу грід, що реалізуються за допомогою інтернету речей (Internet of Things, IoT), Індустрії 4.0, промислового інтернету речей (Industrial Internet), міжмашинної взаємодії (Machine-to-Machine, M2M), туманного та хмарного комп'ютера (fog і cloud computing). Але цими технічними засобами в жодному разі не можна обмежувати уявлення CPS. Для цих складних систем потрібні нові кібернетичні підходи до моделювання, оскільки моделі є центральним моментом у науці та інженерії.
Німецька академія Acatech вже говорить про перспективи національних кіберфізичних платформ, що складаються з трьох типів мереж:
На думку німецьких академіків, перспективи появи кіберфізичних систем та формування на їх основі Індустрії 4.0 торкаються інтересів суспільства в цілому, тому мають розглядатися не лише в технічному, а в ширшому соціокультурному аспекті, з урахуванням демографічних та інших змін, що відбуваються.
Область застосування CPS поширюється практично на всі види людської діяльності, включаючи все різноманіття промислових систем, транспортні, енергетичні та військові системи, всі види систем життєзабезпечення від медицини до розумних будинків та міст, а також багато економічних систем.
Створення повноцінних систем CPS у перспективі призведе приблизно до таких змін у взаємодії з фізичним світом, як ті, до яких привела свого часу Всесвітня мережа.
Передумови появи кіберфізичних систем
Можна говорити про кілька основних технічних передумов, які зробили CPS можливими:
Перша - зростання числа пристроїв із вбудованими процесорами та засобами зберігання даних: сенсорні мережі, що працюють у всіх протяжнихтехнічні інфраструктури; медичне обладнання; розумні будинки і т.д.
Друга — інтеграція, що дозволяє досягти найбільшого ефекту шляхом об'єднання окремих компонентів у великі системи: Інтернет речей (IoT), World Wide Sensor Net, розумні довкілля (Smart Building Environment), оборонні системи майбутнього.
Третя – обмеження когнітивних здібностей людини, які еволюціонують повільніше, ніж машини. У зв'язку з цим неодмінно настає момент, коли люди вже не в змозі впоратися з обсягом інформації, необхідної для прийняття рішень, і якусь частину дій необхідно передати CPS, вивівши людину з контуру управління (human out of loop).
Водночас у ряді випадків CPS можуть посилити аналітичні здібності людини, тому є потреба у створенні інтерактивних систем нового рівня, які зберігають людину в контурі управління (human in the loop).
Небезпечне спрощення у розумінні суті кіберфізичних систем
Існує очевидна небезпека спрощеного розуміння того, що таке кіберфізичні системи. Суть її в тому, що наголос робиться на другому корені, а перший сприймається на якомусь інтуїтивному загальноприйнятому рівні. Тому варто позбутися стереотипного сприйняття кореня «кібер», що укорінився в масовій свідомості.
На початку XXI століття ми всюди зустрічаємо такі слова як Cyberbullying (шкільне мережеве насильство), Cybercrime (Мережевий злочин), Cyberterrorism (мережевий тероризм), Cyberwarfare (мережева зброя) та багато інших. З'явилися й їхні українськомовні аналоги і навіть із героїчним відтінком «кібердружина» та піонерським «кіберятами». Все це наносні явища, жодним чином не пов'язані з кібернетикою.
Якщо не вийти за рамки цієї вульгарної парадигми, то не вдасться усвідомити примітивністьвизначення CPS з українськомовної Вікіпедії: «Кібер-фізична система (англ. cyber-physical system) — інформаційно-технологічна концепція, яка передбачає інтеграцію обчислювальних ресурсів у фізичні процеси. У такій системі датчики, обладнання та інформаційні системи з'єднані протягом усього ланцюжка створення вартості, що виходить за межі одного підприємства чи бізнесу. Ці системи взаємодіють одна з одною за допомогою стандартних інтернет-протоколів для прогнозування, самоналаштування та адаптації до змін».
На жаль, так вже склалося, що за нестачею ерудиції як у загальних, так і спеціальних виданнях «кібер» використовують як синонім слово «мережевий» для емоційного посилення, причому в контексті, що не має жодного відношення до кібернетики. Приблизно те саме відбувається зі словами «центр» та «епіцентр». Згадайте пафосний штамп "ми в епіцентрі подій". Звучить! Хоча "епі" означає проекцію центру землетрусу на поверхню.
Встановилася безглуздя у використанні слова «кібер» ми зобов'язані американсько-канадському письменнику Вільяму Гібсону, точніше його фантастичної трилогії «Кіберпростір» (Sprawl trilogy), і ще чималою мірою тим, хто любить недоречно використовувати гарні слова. І, звичайно ж, на особливу подяку за дискредитацію ідеї кібернетичного підходу в поданні публіки заслуговують багато маститі вчені, які вважають себе кібернетиками. Вони неабияк постаралися, щоб деформувати на свою користь спадщину великих, які зробили перші кроки в кібернетиці.
Порівняємо з англомовною Вікіпедією. Там говориться, що у CPS використовують міждисциплінарні підходи, у CPS поєднуються кібернетика, мехнотроніка, теорія та практика управління конкретними процесами. Від звичних вбудованих систем CPS відрізняється більшерозвиненими зв'язками між обчислювальними та фізичними елементами, тому використовується архітектура, аналогічна інтернету речей (IoT).
Тернистий шлях кібернетики як науки
У формуванні кібернетики як науки були і залишилися свої особливості. В силу об'єктивних причин у ній не було закладено міцного фундаменту. Хоча, втім, не виключено, що в класичному розумінні його і неможливо створити. Великі основоположники – Норберт Вінер, Людвіг фон Берталанффі, Вільям Ешбі, Грегорі Бейтсон, Умберто Матурана та інші не залишили по собі праць, які можна визнати основними.
Навіть значення знаменитої «червоної книги» Вінера не варто перебільшувати. «Кібернетика» – це документ свого часу. У XXI столітті, на жаль, книга цікава винятково з історичної точки зору. З того часу кібернетика та споріднена їй загальна теорія систем були і залишаються своєрідною академічною провінцією, яка не має суворих визначень. Контури цієї провінції були заплановані на міждисциплінарних семінарах, відомих як Macy conferences, що відбувалися щорічно з 1940 по 1960 рік. Скромний центр конгресів Macy - колишня жіноча лісова школа, розташована неподалік Нью-Йорка.
Про рівень дискусій та їхню різноманітність можна судити хоча б за наведеною нижче фотографією. У сучасних умовах важко уявити зібраними під одним дахом зірок такої величини.
На конференціях «Мейсі» склався свого роду «народний епос»: два наукові підходи – «кібернетичний» і «системний», які істотно відрізняються від більш поширеного та загальноприйнятого аналітичного підходу. Спільним для обох є те, що вони відокремлюють такі речі як логіка, спосіб мислення, аргументація від конкретної сфери, до якої може бути застосований цейпідхід. Скажімо, кібернетичний підхід однаковою мірою може бути застосований до психотерапії, біології та автоматичного управління літальними апаратами.
Відмінність між двома підходами полягає в тому, що системний підхід орієнтований на структуру та модель системи, а кібернетичний орієнтований на функції системи, на те, як здійснюється керування окремими діями та як окремі вузли взаємодіють між собою. Але оскільки структура системи та її функції нероздільні між собою, то про теорію систем та кібернетику можна говорити як про дві сторони однієї медалі.
Відсутність виражених постулатів призвела до різноманіття трактувань кібернетики. У нас з часів СРСР утвердилося технократичне уявлення про кібернетику як науку про загальні закономірності отримання, зберігання, передачі та перетворення інформації в складних керуючих системах, чи то машини, живі організми чи суспільство. Йому можна протиставити визначення Стаффорда Біра найбільш відомого провальним проектом «Кіберсин» для Чилі під час правління Сальвадора Альєнде: «Кібернетика – це мистецтво організації».
За Бейтсоном кібернетика це «область математики, що має справу з проблемами управління, рекурсивності та інформації, зосереджена на пов'язаних формах та образах». Матурана запропонував: «Мистецтво та наука розуміння» (The science and art of understanding). Його визначення трохи розширив Родні Дональдсон: «Мистецтво та наука розуміння того, як слід розуміти» (The science and art of the understanding of understanding).
Як не дивно, але найбільш відповідне до кіберфізичних систем визначення кібернетики дав Рой Ескотт, художник, дослідник, теоретик мистецтва, один із піонерів кібернетичного та телематичного напрямів у сучасному мистецтві.Воно звучить так: «Мистецтво взаємодії динамічних мережах». Останнє визначення кібернетики чудово відповідає уявленням про CPS.
Повномасштабно кібернетичний підхід так і не був реалізований, швидше за все, через недостатність технічних можливостей, яких тепер у CPS надміру.
Передумови до теорії кіберфізичних систем викладені у статті "The Past, Present and Future of Cyber-Physical Systems: Focus on Model" професора Едварда Лі з Каліфорнійського університету в Берклі [2] .