サイバーフィジカルシステム

サイバーフィジカルシステム（CPS）は、コンピュータアルゴリズムによって制御・監視され、インターネットとそのユーザーと緊密に統合されたメカニズムです。サイバーフィジカルシステムでは、物理コンポーネントとソフトウェアコンポーネントが深く絡み合い、異なる空間的・時間的スケールで動作し、複数の異なる動作様式を示し、状況に応じて変化する形で相互作用します。[ 1 ] [ 2 ]

CPSは、サイバネティクス、メカトロニクス、デザイン、プロセス科学の理論を融合した学際的なアプローチを採用しています。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]プロセス制御はしばしば組み込みシステムと呼ばれます。組み込みシステムでは、計算要素に重点が置かれ、計算要素と物理要素の密接な連携は重視されません。CPSはモノのインターネット（IoT）とも似ており、基本的なアーキテクチャは同じですが、物理要素と計算要素の高度な組み合わせと連携が図られています。[ 3 ] [ 7 ]

CPSの例としては、スマートグリッド、自律自動車システム、医療モニタリング、産業用制御システム、ロボットシステム、リサイクル[ 3 ] 、自動操縦航空電子工学[ 2]などがあげられる。[8 ]サイバーフィジカルシステムの先駆者は、航空宇宙、自動車、化学プロセス、土木インフラ、エネルギー、ヘルスケア、製造、輸送、エンターテインメント、民生用家電など、多様な分野で見ることができる。[ 3 ] [ 8 ]

概要

従来の組み込みシステムとは異なり、本格的な CPS は通常、スタンドアロン デバイスとしてではなく、物理的な入出力を持つ相互作用する要素のネットワークとして設計されます。 [ 4 ]この概念は、ロボット工学やセンサー ネットワークの概念と密接に結びついており、計算知能固有の知能メカニズムがその道を先導しています。科学と工学の継続的な進歩により、知能メカニズムによって計算要素と物理要素のリンクが改善され、サイバーフィジカル システムの適応性、自律性、効率性、機能性、信頼性、安全性、使いやすさ が向上しています。 [ 9 ]これにより、サイバーフィジカル システムの可能性は、介入 (例:衝突回避)、精度 (例:ロボット手術、ナノレベルの製造)、危険な環境やアクセスできない環境での操作 (例: 捜索救助、消防、深海探査)、調整 (例:航空管制、戦闘)、効率 (例:ゼロネット エネルギー ビル)、人間の能力の拡張(例: ヘルスケアの監視と提供) など、さまざまな方向に広がります。[ 10 ]

モバイルサイバーフィジカルシステム

モバイルサイバーフィジカルシステムは、研究対象となる物理システムが本質的に移動性を持つシステムであり、サイバーフィジカルシステムの重要なサブカテゴリです。モバイルフィジカルシステムの例としては、移動ロボットや、人間や動物によって運搬される電子機器などが挙げられます。スマートフォンの普及に伴い、モバイルサイバーフィジカルシステムへの関心が高まっています。スマートフォンプラットフォームは、以下のような理由から、理想的なモバイルサイバーフィジカルシステムです。

ローカルで利用可能なリソースよりも多くのリソースを必要とするタスクの場合、スマートフォンベースのモバイルサイバーフィジカルシステムノードを迅速に実装するための一般的なメカニズムの1つは、ネットワーク接続を利用してモバイルシステムをサーバーまたはクラウド環境にリンクし、ローカルリソースの制約下では不可能な複雑な処理タスクを可能にすることです。[ 12 ]モバイルサイバーフィジカルシステムの例としては、CO2排出量の追跡と分析、 [ 13 ]交通事故の検出、保険テレマティクス[ 14 ]緊急対応者への状況認識サービスの提供、[ 15 ]交通量の測定[ 17 ]心臓病患者の監視[ 18 ]などのアプリケーションがあります。

例

CPSの一般的な応用分野は、典型的にはセンサーベースの通信を可能にする自律システムに分類されます。例えば、多くの無線センサーネットワークは、環境の何らかの側面を監視し、処理された情報を中央ノードに中継します。その他のCPSの種類としては、スマートグリッド[ 19 ]、自律自動車システム、医療監視、プロセス制御システム、分散ロボット工学、リサイクル[ 3 ]、自動操縦航空電子機器などがあります。

こうしたシステムの実例として、MITの分散ロボットガーデンが挙げられます。このシステムでは、ロボットチームがトマト畑の手入れを行います。このシステムは、分散センシング（各植物には状態を監視するセンサーノードが装備されています）、ナビゲーション、マニピュレーション、そして無線ネットワークを組み合わせています。[ 20 ]

重要インフラに広く浸透しているCPSの制御システムの側面に焦点を当てた研究は、アイダホ国立研究所とレジリエントな制御システムの研究協力者による取り組みに見ることができます。この取り組みは、次世代の設計に総合的なアプローチを採用し、サイバーセキュリティ、 [ 21 ]、人間の相互作用、複雑な相互依存性など、十分に定量化されていないレジリエンスの側面を考慮しています。

もう一つの例は、MITが現在進めているCarTelプロジェクトです。このプロジェクトでは、タクシー車両がボストン地域のリアルタイムの交通情報を収集し、過去のデータと組み合わせることで、特定の時間帯における最速ルートを計算します。[ 22 ]

CPSは電力網においても高度な制御を行うために利用されており、特にスマートグリッドにおいては分散型再生可能エネルギー発電の統合を強化するために利用されています。風力発電所の発電量が過剰になった場合、電力網への電流の流れを制限するための特別な是正措置が必要です。分散型CPSは、このような問題に対する重要な解決策です[ 23 ]。

産業界では、クラウド技術を活用したサイバーフィジカルシステムが、革新的なアプローチ[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]を生み出し、シュナイダーエレクトリック、SAP、ハネウェル、マイクロソフトなどのパートナーと共同で実施された欧州委員会IMC-AESOP [ 27 ]プロジェクトが実証したように、インダストリー4.0への道を切り開きました。デジタル農業（あるいは精密農業）の分野では、CPS技術は土壌の質や水分量の測定、灌漑や肥料、農薬の適切な使用量の決定に利用されています。

デザイン

組み込みシステムおよびサイバーフィジカルシステムの開発における課題は、ソフトウェア工学や機械工学など、関連する様々な工学分野における設計手法の大きな違いです。さらに、現時点では、CPSに関わるすべての分野に共通する設計手法に関する「言語」は存在しません。急速なイノベーションが不可欠とされる今日の市場では、あらゆる分野のエンジニアが協力してシス​​テム設計を検討し、ソフトウェアと物理要素に責任を割り当て、それらの間のトレードオフを分析する必要があります。近年の進歩は、協調シミュレーションを用いて分野を連携させることで、新しいツールや設計手法を導入することなく、分野間の連携が可能になることを示しています。[ 28 ] MODELISARプロジェクトの結果は、機能モックアップインターフェースという形で協調シミュレーションの新しい標準を提案することで、このアプローチが実現可能であることを示しています。

重要性

米国国立科学財団（NSF）は、サイバーフィジカルシステムを重要な研究分野として特定しています。[ 29 ] CPSプログラムを通じて、NSFはCPS技術を大幅に前進させることを目的とした大規模プロジェクト（各500万～700万ドル）である「フロンティア」プロジェクトに助成金を提供しています。[ 30 ] 2006年後半から、NSFと他の米国連邦政府機関は、サイバーフィジカルシステムに関するワークショップを数回主催しました。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]

参照

参考文献

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さらに読む

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