Kiber-jismoniy tizimlarda tushunchalar, ilovalar va muammolar bo'yicha so'rov

Domen Turi

1. Smart Ishlab Chiqarish

2. Favqulodda Javob

3. Havo Transporti

4. Muhim Infratuzilma

5. Sog'liqni saqlash va tibbiyot

6. Intelligent Transport

7. Xizmat uchun robot

Scale/Funksiyalarini

1. O'rta shkala; tovarlar ishlab chiqarish yoki xizmatlar yetkazib berishda unumdorlikni optimallashtirish.

2. O'rta / keng ko'lamli; jamoat xavfsizligiga qarshi tahdidlarni tashish va tabiatni va qimmatli infratuzilmalarni himoya qilish.

3. Keng miqyosda; samolyot tizimlarining ishlashi va trafikni boshqarish.

4. Keng ko'lamda; suv, elektr energiyasi, gaz, neft kabi kundalik hayot ta'minotlarining taqsimlanishi.

5. O'rta ko'lamli; bemorlarning sog'liqni saqlash sharoitlarini monitoring va zarur harakatlarni olib.

6. O'rta / keng ko'lamli; Real vaqt info almashish bilan transport boshqarish xavfsizligini, muvofiqlashtirish va xizmatlarni takomillashtirish.

7. Kichik / O'rta miqyosli; insonlar farovonligi uchun xizmatlarni bajarish.

(SM 4.1 Aqlli ishlab Chiqarish )

Smart ishlab chiqarish tovarlar ishlab chiqarish yoki xizmatlar [53] yetkazib berish unumdorligini optimallashtirish ko'milgan dasturiy ta'minot va apparat texnologiyalaridan foydalanish anglatadi. Smart factory keyingi avlod aqlli ishlab chiqarish murojaat qilish yana bir tez-tez zikr tushuncha.

Smart manufacturing ommaviy ishlab chiqarish, ichki va xalqaro marketing, iqtisodiy o'sish va hokazo kabi haydovchilar tufayli etakchi CPS dastur domenlaridan biridir. Evropada va AQShda aqlli ishlab chiqarish uchun CPSNI tavsiflash bo'yicha katta harakat amalga oshirildi Industrie 4.0 loyihasi nemis strategik tashabbusi bo'lib, u kelajakni ishlab chiqarish uchun katta imkoniyatdir [54]. Industrie 4.0 kelajakni ishlab chiqarishda kashshof rol o'ynashga qaratilgan. SMLC ishlab chiqarish yetkazib beruvchi, amaliyotchi va konsortsiumlarni, texnologiya kompaniyalarini, universitetlarni va kelajakda aqlli ishlab chiqarishni amalga oshirishga qiziqish bildirgan hukumat laboratoriyalarini o'z ichiga oladi [55].

Yillar davomida, ishlab chiqarish yuqori moslashuvchan uchun talab poda bilan qarshi. Bugungi kunda xavfsizlik sabablari tufayli bu talablarni qondirish juda qiyin. Ushbu xavfsizlik sabablari mashinalar va inson mutaxassislari o'rtasida sodir bo'ladigan baxtsiz hodisalardan qochish uchun etarli sensorlar va aqlli qurilmalar bo'lmasa, yaqin o'zaro aloqalar va hamkorlik operatsiyalaridan kelib chiqadi [56]. Kelajakdagi sanoat inqilobi bo'yicha CPS istiqboli xavfsizlik, hosildorlik va samaradorlikni oshiradi, bu tizim ishlab chiqarish texnologiyalarini juda moslashuvchan ish oqimiga va hamkorlikning yangi shakllariga yo'l ochib beradi [57].

4.2 Favqulodda javob (ER)

Favqulodda javob jamoat xavfsizligi qarshi tahdidlarni tashish anglatadi, sog'liqni saqlash, va farovonlik va tabiat himoya, xususiyatlari, va qimmatli infrastructures. CPS tabiiy yoki sun'iy ofatlar taqdirda hududlarida sensor tugunlari katta soni orqali tez favqulodda javob mumkin. Biroq, bu tezkor javob tugunlarni vaziyatni birgalikda baholashni va tez-tez o'zgaruvchan muhitda ham Markaziy hokimiyatni xabardor qilishni talab qiladi. Shunday qilib, chidamlilik, samarali resurslardan foydalanish, moslashuvchanlik va o'z vaqtida bu favqulodda javobda o'ynaydi [58].

Favqulodda javob va ofat boshqarish har doim e'tibor, chunki ularning ijtimoiy oqibatlari jalb qilgan. Oq uyning prezidentlik innovatsion loyihasi, ya'ni SmartAmerica Challenge 2013 dekabr oyida AQShda boshlangan [59]. Loyiha sanoat, akademiya va hukumatni CPS kun tartibida birlashtirishga va turli domenlardan tadqiqot ishlarini, loyihalarni va faoliyatni birlashtirishga qaratilgan. Ofat javob domenlar biridir / SmartAmerica Challenge muammolar.

Strategik tushuncha tashabbusi (SFI) Federal Favqulodda vaziyatlarni boshqarish agentligi (FEMA) tomonidan AQSh ichki xavfsizlik departamentida (DHS) ishga tushirildi. SFI tomonidan olib borilgan dastlabki tadqiqot natijalariga ko'ra, qarish infratuzilmalari favqulodda vaziyatlarni boshqarish uchun potentsial xavf tug'diradi, chunki ular kamroq ishonchli va tabiiy ofatlarni tiklashga to'sqinlik qiladi [60].

Kelajakni favqulodda boshqarish rivojlanayotgan axborot texnologiyalari va ijtimoiy media foydalanishni qabul qilishi kerak. Favqulodda boshqaruv mutaxassislari, mahalliy va milliy hokimiyat organlari va jamoatchilik o'rtasida kuchli hamkorlik va hamkorlik zarur. Kelajakda favqulodda vaziyatlarni boshqarish tizimlarida samarali forewarning, javob va tiklash mexanizmlaridan foydalanish talab qilinadi [61]. Uchuvchisiz havo yoki zamin vositalari samarali qidiruv va qutqaruv sa'y-harakatlarini ta'minlash uchun tarqatilishi mumkin. Bundan tashqari, jismoniy xabardorlikka ega bo'lgan yangi ko'milgan texnologiyalar kelajakda favqulodda vaziyat va falokatlarni tiklash uchun infratuzilmalarga qo'shilishi kerak.

DA (4.3 Havo Transporti )

Havo transport har qanday fuqarolik yoki harbiy aviatsiya tizimlari va ularning transport boshqarish anglatadi.

Yaqin kelajakda, ayniqsa, harbiy xizmat uchun aqlli havo vositalari ustunlik qilishi kutilmoqda. Uchuvchisiz havo avtomobil (UAV), tez-tez uchuvchisiz sifatida tanilgan, faqat aqlli havo vositalari taniqli misollaridan biri hisoblanadi. Jismoniy-xabardorlik keyingi avlod havo vositalari uchun muhim masala bo'lgani uchun, CPSs kelajakda aviatsiya va havo transport boshqarish (ATM) chuqur ta'sir qilish kutilmoqda [1], [62].

Havo hududida tarqalgan nazorat keyingi avlod ATM tizimlarining muhim qismiga aylanishi kutilmoqda. Biroq, bu transport vositalari va infratuzilma o'rtasidagi o'zaro aloqalar yanada murakkablashib borayotganligi sababli yanada keng ko'lamli muammolarni keltirib chiqaradi. Ko'p aeroportli tizimda aeroportlar va havo transport vositalari o'rtasidagi yirik aeroportlar va havo hududlaridagi o'zaro ta'sirlarda joriy imkoniyatlar cheklovlari tizimning umumiy imkoniyatlarini cheklaydi [62], [63].

Havo kemalarining ishlashi yillar davomida 30 yil oldin ko'rsatilganlarga o'xshash tartiblar bilan tartibga solingan [64]. Bugungi kunda, havo transport nazorat radar minoralar orqali boshqariladi va hisoblash qo'llab-quvvatlash tizimlari jismoniy ongi cheklangan. Demak, hisoblash va jismoniy imkoniyatlarning qattiq integratsiyalashuvi keyingi avlod havo transporti tizimlari uchun muhim ahamiyat kasb etadi.

Kelajak havo transport amalga oshirish uchun mavjud harakat sifatida, keyingi avlod havo tashish bir ko'rish, ya'ni NextGen, Federal aviatsiya boshqarmasi tomonidan joriy etiladi ([object window]) U. S ichida.transport bo'limi. NextGen sun'iy yo'ldosh asoslangan texnologiya ustidan yo'l-yo'riq uchun radar minoralar ustidan yo'l-yo'riq havo transport nazorat o'zgarib yondashuv [65]. Sun'iy yo'ldosh navigatsiya atrofidagi samolyotlar aniq joylari bilan uchuvchilar bilan ta'minlash uchun ishlatiladi. Yangi tizim bosqichma-bosqich o'rnatilmoqda va yondashuv natijalarini ko'rish kutilmoqda (masalan, parvoz xarajatlari, rivojlangan xavfsizlik va boshqalar.) yil 2018 [65].tomonidan

(CI 4.4 Muhim Infratuzilma )

Muhim infratuzilma xalqlarning yashashi yoki farovonligi uchun zarur bo'lgan qimmatli xususiyatlar va davlat infratuzilmalarini anglatadi. Smart Grid muhim infratuzilma sohasidagi jozibador dasturlardan biridir. Smart Grid Markaziy/sanoat elektr stantsiyalarini, energiyani saqlash va uzatish ob'ektlarini, qayta tiklanadigan energiya resurslarini (shamol fermalari va quyosh hujayralari kabi) va aqlli uylarda/binolarda energiya tarqatish va boshqarish ob'ektlarini o'z ichiga oladi [66].

Smart Grid grid modernizatsiya qilish uchun birgalikda kelajakda axborot-kommunikatsiya texnologiyalari va elektr tizimi muhandislik olib, bir kam markazlashtirilgan, yanada tarqalgan, yanada kooperativ, yanada sezgir, va yana iste'mol-interaktiv biriga elektr panjara markazlashgan, ishlab chiqaruvchi-nazorat tarmog'i o'zgarishlarni ta'riflaydi [67].

Smart Grid Real vaqt yuk monitoring beradi, tarqatish, va kommunal darajada rejalashtirish; qurilma darajasida talab va taklif balansi; axborot ikki tomonlama oqimi (ya'ni. iste'molchi va kommunal o'rtasidagi Real vaqt aloqa); panjara mavjud energiya resurslari integratsiyasi; keng ko'lamli grid xabardorlik va qobiliyati yuqori darajada (masalan, davlat-keng) va past darajada (masalan, ko'cha-keng) razvedka; geografik ma'lumotlar bilan o'tish uchun Real vaqt sensori ma'lumotlar; va quvvat sifati va qoralash monitoringi, shuningdek, potentsial uzilishning oldini olish yoki minimallashtirish [68].

Smart Grid tashqari, suv tarqatish jamoalar uchun yana bir muhim xizmatdir. SmartAmerica Challenge loyihasi uyali asoslangan CPS tomonidan taqdim etilgan rivojlangan suv tarqatish infratuzilmasi muammosini taqdim etadi, bu oxir-oqibat suv sifati va oqim nazoratini real vaqtda kuzatishni ta'minlaydi; mumkin bo'lgan ifloslanishga tezroq javob; arzon narx va xavfsiz suv; va yaxshi qochqinlarni aniqlash [59].

4.5 Sog'liqni saqlash va tibbiyot (HC&M)

Sog'liqni saqlash va tibbiyot bemorning fiziologiyasi bir necha jihatlarini hal masalalar anglatadi. CPS tadqiqotlarida tibbiy dasturlarga alohida e'tibor qaratiladi, chunki ular CPS jamiyati uchun muhim tadqiqot imkoniyatlarini taqdim etadi. Bu imkoniyatlar o'z ichiga oladi, lekin cheklangan emas, uy parvarishlash bilan bog'liq texnologiyalar, yordam yashash, aqlli operatsion xona, aqlli tibbiy qurilmalar (masalan, pace maker, tibbiy ventilyator, infuzion nasos va hokazo.) va aqlli retsept [1], [69].

Kiber-jismoniy tibbiy tizimni (CPMS) loyihalashdagi hozirgi texnologik tendentsiyalar va muammolar [70] da istiqbolli tadqiqot yo'nalishlari bilan bir qatorda umumlashtiriladi. Ushbu tendentsiyalar yangi funktsiyalarni taqdim etish uchun ishonchli dasturiy ta'minotga asoslangan rivojlanishni, tarmoq interfeyslari bilan jihozlangan tibbiy asboblarning ulanishini va doimiy bemorni kuzatish (masalan, uyda parvarish qilish, yordam berish, telemeditsina va sport faoliyati monitoringi va boshqalar.). Modellashtirish va model-gijgijlash muhandislik kelajakda CPMS rivojlantirishda muhim rol o'ynaydi[70].

Tizim darajasidagi talab sifatida uzviylik KPMS rivojlanishida muhim ahamiyat kasb etadi. Bu talabni qondirish uchun qo'shma sa'y-harakatlar bor edi, misol uchun tibbiy qurilma Plug-and-Play (MD PnP) birgalikda ishlash dasturi [71] qaysi yilda tashkil etilgan 2004. Ushbu dastur tibbiy qurilma birgalikda uchun ochiq platforma va standart o'zgarishlarni olib keladi. Bu o'zgarishlar heterojen tizimlari plagini va-o'yin moda topgan bo'lishi uchun imkon beradi, sabr xavfsizligini oshirish, va yangi davolash imkoniyatlari va texnologiya tarqalishi imkon [72].

Bugungi kunda, tibbiy texnologiya faqat cheklangan kirish va tibbiy qurilmalar va ko'chadan qo'lda muvofiqlashtirish bilan birga ma'lumotlar integratsiya yopiq emas beradi [73]. Kelajakning kiber-jismoniy tibbiy tizimlari keng ma'lumot integratsiyasi va kirish, keng qamrovli ma'lumotlarni olish va tahlil qilish, yopiq loop nazorat qilish qobiliyatlari, energiya samaradorligi, real vaqtda vizualizatsiya va plug-and-play qobiliyatini interoperable tibbiy qurilmalar bilan ta'minlashi kerak.

(U 4.6 Aqlli Tashish )

Intelligent transport Real vaqtda axborot almashish bilan transport boshqaruvida xavfsizlik, muvofiqlashtirish va xizmatlarni yaxshilash uchun transport tizimlarida zondlash, aloqa, hisoblash va nazorat qilish mexanizmlarining ilg'or texnologiyalariga ishora qiladi. Intelligent transport sun'iy yo'ldoshlar orqali axborot almashish orqali zamin va dengiz tashishni osonlashtiradi va transport vositalari, infratuzilma va yo'lovchilarning ko'chma qurilmalari orasida aloqa muhitini ta'minlaydi [74].

Aqlli transport tizimlari (ITSs) piyodalar, transport vositalari, sensorlar, yo'l-yon infratuzilmalar, transport boshqaruv markazlari, sun'iy yo'ldoshlar va boshqa transport tizimi komponentlarini simsiz aloqa texnologiyalari va standartlarining turli xil turlarini qabul qilish orqali birlashtiradi [75]. Kelajak ITSs real vaqt transport monitoringini imkon; transport foydalanuvchilar orasida axborot almashish orqali transport xavfsizligi va farovonlik oshirish; optimal transport boshqarish; to'qnashuv oldini olish; va sun'iy yo'ldosh asoslangan texnologiya foydalanish silliq haydovchilar, yo'llar va transport vositalari ulanish uchun [76].

Infrastruktura ichiga CPS integratsiyasi bilan, transport vositalari, va yo'l, ITSS haydovchi yordam erishish mumkin, to'qnashuv qochishga yoki xabar, kutilmagan kechikishlar qo'rqmasdan sayohat vaqtida yaxshilash, tiqilishi kamaytirish, va energiya tejash uchun infratuzilma va transport vositalari ustidan ilg'or nazorat [64]. ITSs nafaqat rivojlangan sensor va ko'milgan kompyuter tizimlari texnologiyasiga, balki transport vositasiga (V2V), transport vositasiga (v2p) va transport vositasiga (V2I) aloqa uchun simsiz, uyali va sun'iy yo'ldosh texnologiyalariga ham tayanadi.

4.7 xizmat uchun robot (RfS)

Xizmat uchun robotik, inson farovonligi uchun xizmatlarni amalga oshirish uchun aqlli robotlarni va ishlab chiqarish operatsiyalaridan tashqari to'liq avtonom, yarim avtonom yoki masofadan boshqariladigan uskunani joylashtirishni anglatadi [77]. Xizmat ko'rsatish uchun robot 2025 [51] ga AQSh manfaatlariga ta'sir ko'rsatadigan oltita buzilgan fuqarolik texnologiyalaridan biri sifatida aniqlanadi.

Robotlar bir necha maqsadlar uchun joylashtirilishi mumkin, shu jumladan, lekin mudofaa bilan cheklanmaydi (masalan, portlovchi moddalarni yo'q qilish, taqiqlangan hududlarda kuzatuv va boshqalar.), atrof-muhit monitoring va nazorat qilish, yordam hayot, logistika, va hokazo. Keyingi avlod robotlari o'zlarining jismoniy muhitida insonlar bilan yaqin aloqada bo'lishlari ehtimoli bor ekan, robotlar tomonidan inson faoliyatini o'rganish va talqin qilish muhim omil sifatida o'ynaydi. CPS nuqtai nazaridan, odamlar va aqlli robotlar integratsiyasi Cpssning barcha aktyorlarini murakkab vazifalarni bartaraf etish uchun yaxshi hamkorlik, hamkorlik va tashkilotga erishish uchun juda muhimdir [78].

Keyingi avlod robotics, Milliy fan jamg'armasi (NSF), Milliy Sog'liqni saqlash institutlari (NIH), AQSh qishloq xo'jaligi departamenti (USDA) va milliy Aeronavtika va kosmik boshqaruvi (NASA) bilan hamkorlikda yangi tashabbusni, ya'ni Milliy robototexnika tashabbusini amalga oshirish va keyingi avlod robotlarining rivojlanishida taxminan $38 mln. Yana bir tashabbus, ya'ni Robotics Virtual tashkiloti (Robotics-VO), U. s yilda 2012 yilda ishga tushirildi. tashabbus moliyalashtirish imkoniyatlari haqida robotics hamjamiyat a'zolari uchun ma'lumot beradi, konferentsiyalar, asosiy tergovchi (PI) uchrashuvlar, robotics yangiliklar va seminarlar, va ta'lim resurslari [80].

4.8 Qurilish Avtomatlashtirish (BA)

Binolarni avtomatlashtirish binolarda isitish, shamollatish, konditsioner (HVAC), yoritish, yong'inni oldini olish va xavfsizlik tizimlarini optimal nazorat qilish va avtomatlashtirishni ta'minlash uchun turli sensorlar, aktuatorlar va taqsimlangan boshqaruv tizimlarini joylashtirishni anglatadi. Smart / intelligent bino keyingi avlod binolar hal qilish uchun tez-tez zikr tushuncha.

Smart binolar Smart Grid va aqlli shahar tushunchalar vahiy bajarish uchun zarur bo'lgan. O'sib borayotgan mashhurlik bilan, suruv / CPS o'yin-kulgi ommaviy axborot vositalari, shu jumladan, aqlli qurilish texnika katta qator orqali keyingi avlod qurilish avtomatlashtirish tushunchasi yangi ilovalar uchun katta imkoniyatlar beradi, evaziga bunday tizimlar [81] amalga oshirish uchun turli talablar va o'zaro naqsh olib keladi. Uylar va ofislarda qo'llanishdan tashqari, CPS nuqtai nazaridan qurilishni avtomatlashtirish laboratoriyalarga qo'llanilishi mumkin. Laboratoriyalarda amalga oshirilgan tadbirlar texnologik yutuqlar, atrof-muhitga sezgir uskunalar tufayli ekologik sharoitlarni tartibga solish, hodisalar yoki anormalliklarga kirish, xavfli materiallarni kuzatish, energiya yig'ish kabi yangi tadbirlar va xizmatlar tufayli murakkablashib bormoqda., kelajakda laboratoriyalarni boshqarish uchun kerak [82].

Kelajakda, aqlli binolar aqlli yashash muhitlar bilan aqlli panjara ulash va qulay yashash muhitini ta'minlash uchun ularning turmush naqsh o'rganish ehtiyojlarini bajarish uchun sust ko'tarib kutilmoqda. Smart house case modellari AQShda bir qator universitetlar tomonidan ishlab chiqilgan prototiplar [83] da ko'rib chiqilgan. Topilmalar shundaki, aqlli binolarning ilovalari bugungi kunda aqlli texnologiyalarni joylashtirish bilan chambarchas bog'liq. Biroq, aqlli binolar nafaqat qisqa muddatga, balki texnologik va ijtimoiy o'zgarishlarni hisobga olgan foydalanuvchilarning uzoq muddatli ehtiyojlariga ham moslashadi va javob beradi [83].

Bunday uy maydoni tarmoqlari (HANs), mahalla maydoni tarmoqlari (NANs), keng maydoni tarmoqlari (WANs), va hokazo aqlli kommunal tarmoqlari, elektr va axborot ikki yo'l oqimlarini ta'minlash uchun kelajakda aqlli elektr tarqatish tarmog'ida tarqatilishi mumkin. HAN aloqa aqlli kommunal (masalan, aqlli metr) va aholisi aqlli qurilmalar o'rtasida, balki aholisi aqlli qurilmalar o'zlari o'rtasida nafaqat ma'lumotlar trafikni va nazorat ko'rsatmalarni yetkazib berish uchun avtomatlashtirish qurish uchun foydalanish mumkin [84].

Anjoman.an 3. CPS Muammolar

5. CPS Muammolar

Kiber-jismoniy tizimlar jismoniy dunyo bilan o'zaro munosabatlarimizni inqilob qiladi. Albatta, bu inqilob bepul kelmaydi. Hatto meros ko'milgan tizimlari umumiy-maqsadi hisoblash nisbatan yuqori standartlar talab beri, biz, albatta, ularga bizning to'liq ishonch qo'yish bo'lsangiz, bu keyingi avlod jismoniy-xabardor muhandislik tizimi talablariga alohida e'tibor berish kerak. Shuning uchun biz ba'zi umumiy CPS tizimi darajasidagi talablar /muammolarning ta'riflarini aniqlashtirmoqchimiz. Biz Fig ularning sifatlari bilan asosiy CPS muammolarni sherik. 3. Muammolar uchun qisqacha ta'riflar quyidagi va umumiy ko'rinishda berilgan bo'lib, muammolarni ilovalarga bog'lab, ushbu bo'limga yakun yasaydi.

Dependability tizimning ishlashi va natijalarida sezilarli darajada buzilmasdan ishlashi paytida kerakli funktsiyalarni bajarish xususiyatiga ishora qiladi. Dependability butun tizimiga qo'yish ishonch darajasini aks ettiradi. Yuqori ishonchli tizim intrusion holda to'g'ri ishlashi kerak, talab qilingan xizmatlarni ko'rsatilganidek etkazib berishi va uning ishlashi davomida muvaffaqiyatsiz bo'lishi kerak. Dependability va trustworthiness so'zlari ko'pincha bir-birining o'rnida ishlatiladi [85]. Haqiqiy tizim operatsiyasidan oldin ishonchlilikni ta'minlash juda qiyin vazifa. Misol uchun, sensor o'qish va tezkor harakat bilan bog'liq vaqt noaniqliklar dependability degrade va unanticipated oqibatlarga olib kelishi mumkin. Tizimning kiber va jismoniy komponentlari tabiatan o'zaro bog'liq bo'lib, asosiy tarkibiy qismlar tizim ishlashi paytida dinamik ravishda o'zaro bog'langan bo'lishi mumkin, bu esa, ishonchli tahlilni juda qiyinlashtiradi. Tarkibiy tizimlar/asosiy komponentlar bo'yicha ishonchli ma'lumotni ifodalash uchun umumiy til [86], [87] dizayn bosqichida kiritilishi kerak.

Maintainability bir qobiliyatsiz sodir holda ta'mirlash kerak, bir tizim mulkni anglatadi. Yuqori erishib bo'lmaydigan tizim resurslarni qo'llab-quvvatlash minimal xarajatlar da oddiy va tez tarzda ta'mirlash kerak,va texnik xizmat ko'rsatish jarayonida qo'shimcha xatolarimizni sabab ozod. Tizim tarkibiy qismlari (masalan, sensorlar, aktüatörler, kiber komponentlar va jismoniy komponentlar) cps infratuzilmasi, avtonom prognozli /tuzatuvchi diagnostika mexanizmlarini taklif qilish mumkin. Infratuzilmani doimiy monitoring qilish va sinovdan o'tkazish ushbu mexanizmlar orqali amalga oshirilishi mumkin. Monitoring va sinov inshootlarining natijalari qaysi birliklarni ta'mirlash kerakligini aniqlashga yordam beradi. Qaytalanuvchi uzilishlar manbai bo'ladigan ayrim komponentlar qayta ishlab yoki tashlab yuborilishi va yaxshi sifatga ega bo'lganlari bilan almashtirilishi mumkin [88], [57].

Mavjudligi xatolarimizni sodir bo'lsa ham kirish uchun tayyor bo'lishi uchun bir tizim xususiyatiga anglatadi. Yuqori darajada mavjud bo'lgan tizim o'zidan nosozlik qismini ajratishi va u holda ishlashni davom ettirishi kerak. Zararli kiber-hujumlar (masalan, xizmat hujumlarini rad etish) tizim xizmatlarining mavjudligiga sezilarli darajada to'sqinlik qiladi. Masalan, kiber-jismoniy tibbiy tizimlarda tibbiy ma'lumotlar bemor hayotini saqlab qolish uchun o'z vaqtida qilinadigan zarur harakatlarni yoritib beradi. Zararli hujumlar yoki tizim / komponentlarning etishmovchiligi bunday ma'lumotlarni taqdim etadigan xizmatlarga olib kelishi mumkin, shuning uchun bemorning hayotiga xavf tug'diradi [89].

Xavfsizlik tizimning ishlashi paytida uning ichida yoki tashqarisida hech qanday zarar, xavf yoki xavf tug'dirmaslik xususiyatiga ishora qiladi. Juda xavfsiz tizim katta darajada umumiy va dastur-maxsus xavfsizlik qoidalariga rioya va bir narsa noto'g'ri ketdi holda xavfsizlik kafolati mexanizmlarini safarbar kerak. Misol uchun, aqlli ishlab chiqarish (SM) uchun maqsadlar orasida barqaror ishlab chiqarishni kuzatish va zavod mahsuloti bo'ylab jarayonlarni real vaqtda boshqarish xavfsizligini yaxshilash. Ishlab chiqarish zavodlarining xavfsizligi ishlab chiqarish korxonasi bo'ylab o'rnatilgan boshqaruv tizimlari va ma'lumotlar yig'ish ramkalari (shu jumladan sensorlar) yordamida avtomatlashtirilgan jarayonlarni boshqarish orqali yuqori darajada optimallashtirilishi mumkin. Smart tarmoq sensorlari operatsion xatolarni/anomaliyalarni aniqlashi va ushbu muvaffaqiyatsizliklar/anomaliyalar tufayli halokatli hodisalarning oldini olishga yordam berishi mumkin [55].

Ishonchlilik tizimning o'z vazifasini bajarishni ta'minlaydigan to'g'rilik darajasini anglatadi. Ishlarni to'g'ri bajarish haqidagi tizim imkoniyatlarini sertifikatlash ularning to'g'ri bajarilganligini anglatmaydi. Shunday qilib, juda ishonchli tizim narsalarni to'g'ri bajarishiga ishonch hosil qiladi. CPSs ochiq ishonchli faoliyat kutilmoqda hisobga olib, rivojlanayotgan, va noaniq muhitlar, bilim noaniqlik, xususiyati (masalan,. vaqt), yoki CPS infratuzilmasi bir jarayon natija zarur CPS dizayn bosqichida noaniqliklar o'lchash uchun qiladi. Ushbu noaniqlik tahlili samarali CPS ishonchliligi tavsifiga ega bo'ladi. Bundan tashqari, jismoniy va kiber komponentlar aniqligi, dizayn/nazorat oqimi salohiyati xatolar, xok tarzda ko'ndalang domen tarmoq ulanishlar CPS ishonchliligini cheklash [90], [76].

Chidamlilik tizimning barqaror konfiguratsiyasini saqlab qolish va har qanday muvaffaqiyatsizlikka bardosh berish qobiliyatini anglatadi. Yuqori mustahkam tizim asl konfiguratsiyasiga asosiy o'zgarishlarsiz har qanday muvaffaqiyatsizliklar mavjud bo'lganda ishlashni davom ettirishi va bu muvaffaqiyatsizliklarga to'sqinlik qilishi yoki uning ishlashini to'xtatishi kerak. Muvaffaqiyatsizliklarga qo'shimcha ravishda, sensor shovqinlardan, aktuator noto'g'ri, noto'g'ri aloqa kanallaridan, potentsial apparat xatolaridan yoki dasturiy xatolardan kelib chiqadigan buzilishlar mavjudligi CPS ning umumiy mustahkamligini kamaytirishi mumkin. Modellashtirish kompleks tizimi dinamikasi yo'qligi (masalan,. CPSs faoliyat bo'lgan dolzarb atrof-muhit sharoitlari), evolved tezkor atrof-muhit, yoki kutilmagan voqealar boshqa alohida nodavlat ahamiyatsiz omillar, qaysi run-vaqtida muqarrar bo'lishi mumkin, mustahkam CPS dizayn shuning ehtiyoj [91].

Predikativlik tizimning holatini/xulq-atvorini/funksiyalarini sifat yoki miqdor jihatdan oldindan ko'ra bilish darajasini anglatadi. Yuqori prognozli tizim tizimning xatti-harakatlari/funksiyalarining belgilangan natijasini barcha tizim talablariga javob berayotganda faoliyat ko'rsatayotgan har bir vaqtning o'zida katta darajada kafolatlashi kerak. Kiber-jismoniy tibbiy tizimlarda (CPMS) aqlli tibbiy asboblar murakkab nazorat texnologiyalari bilan birga bemorning sharoitlariga yaxshi moslashishi, bemorning harakatlarini bashorat qilishi va atrof-muhitdagi kontekstga asoslangan xususiyatlarini o'zgartirishi kerak [92]. Ko'pgina tibbiy qurilmalar real vaqtda operatsiyalarni amalga oshiradi, turli vaqt cheklovlarini qondiradi va vaqt noaniqliklariga (masalan, kechikishlar, jitters va hokazo.). Biroq, CPMSNING barcha tarkibiy qismlari vaqtni oldindan aytib bo'lmaydi. Shuning uchun, yangi dasturlash va tarmoq abstraktsiyalaridan tashqari, oldindan oxirigacha vaqt cheklovlarini ta'minlash uchun resurslarni taqsimlash va rejalashtirishning yangi siyosati ishlab chiqilishi kerak [93].

Aniqlik tizimning o'lchangan/kuzatilgan natijasining haqiqiy/hisoblangan darajasiga yaqinligini anglatadi. Juda aniq tizim haqiqiy natijaga iloji boricha yaqinlashishi kerak. Oliy aniqligi, ayniqsa, hatto kichik imprecisions tizimi muvaffaqiyatsizliklar sabab ehtimoli bor cps ilovalar uchun oraga kiradi. Misol uchun, nomukammal sensor sharoitida huzurida bir harakat asoslangan ob'ekt kuzatish tizimi noto'g'ri ob'ekt joy baholash asosida bevaqt nazorat chora olishi mumkin, evaziga tizimi qobiliyatsiz olib keladi [94].

Kompozitsionalizm tizimning har bir qismini o'rganib, butunlay tushunish mumkinligi xususiyatiga ishora qiladi. Yuqori kompozitsion tizim uning tarkibiy qismlari / tarkibiy qismlarining olingan xatti-harakatlaridan butun haqida katta tushuncha berishi kerak. CPS dizaynida yuqori kompozitsionalikka erishish, ayniqsa, tarkibiy jismoniy quyi tizimlarning xaotik xatti-harakatlari tufayli juda qiyin. Yuqori kompozitsion CPS dizayni barcha tarkibiy kiber va jismoniy quyi tizimlar/komponentlarning xatti-harakati haqida kuchli mulohazalarni o'z ichiga oladi va individual kiber va jismoniy komponentlardan Cpsni yig'ish uchun kiber-jismoniy uslubiyotlarni ishlab chiqadi, aniq mulk taksonomiyasini, rasmiy metrikalarni va standart testlarni baholash uchun talab qiladi va umumiy tizim va uning tarkibiy qismlarining yaxshi belgilangan matematik modellari [95].

Barqarorlik-tizim resurslarini yangilash va ulardan samarali foydalanish bilan birga, tizim talablarini buzmasdan bardoshli bo'lish demakdir. Yuqori barqaror tizim-rivojlanayotgan sharoitlarda o'z-o'zini davolash va dinamik sozlash qobiliyatiga ega bo'lgan uzoq muddatli tizim. Energiya nuqtai nazaridan barqarorlik energiya ta'minoti va boshqaruv siyosatining muhim qismidir. Misol uchun, Smart Grid energiya tarqatish osonlashtiradi, boshqarish, va jismoniy atrof-muhit olingan energiya yashil manbalarini o'z ichiga tomonidan mijozlar yoki xizmat ko'rsatuvchi provayderlar nuqtai nazaridan xususiylashtirish. Biroq, davriy energiya ta'minoti va noma'lum / aniq yuk tavsiflari Smart Gridning uzoq muddatli ishlashini ta'minlashga to'sqinlik qiladi. Barqarorlikni saqlab qolish uchun Smart Grid noaniqliklar ostida rejalashtirish va ishlashni, Real vaqtda ishlash o'lchovlarini, energiyadan foydalanish uchun dinamik optimallashtirish usullarini, hisoblash qurilmalarini atrof-muhitga mos keladigan vazifa velosipedini va o'z-o'zidan energiya tarqatish vositalarini (masalan, avtonom micro grid) [96], [66].

Moslashuvchanlik tizimning atrof-muhitdagi turli holatlarga javoban o'z konfiguratsiyasini sozlash orqali omon qolish uchun holatini o'zgartirish qobiliyatini anglatadi. Yuqori odatiga tizimi tez rivojlanayotgan ehtiyojlari uchun odatiga bo'lishi kerak / holatlar. Moslashuvchanlik keyingi avlod havo tashish tizimlarida (masalan, NextGen) asosiy xususiyatlardan biridir. Nextgenning qobiliyatlari havo transportining kompyuterlashtirilgan havo tashish tarmog'i bilan ishlashni yaxshilaydi, bu havo transport vositalariga ob-havo sharoitlari, havo transporti marshrutlari va boshqa sun'iy yo'ldoshlar, havo transport tiqilishi va xavfsizlik bilan bog'liq muammolar kabi tezkor muhitga mos keladi [97].

Chidamlilik tizimning har qanday ichki yoki tashqi qiyinchiliklarga duch kelganda (masalan, to'satdan nuqson, noto'g'ri ishlaydigan komponentlar, ko'tarilgan ish yuki va hokazo) tizimning ishlashi va xizmatlarni maqbul sifatda etkazib berishga qodirligini anglatadi.) deb uning chidamlilik chegarasi oshmaydi. A juda egiluvchan tizimi o'z-o'zini shifo bo'lishi va xizmatlar uchun talablarini qondirish uchun davom etish muvaffaqiyatsizliklar qarshi erta aniqlash va tez tiklash mexanizmlarini o'z ichiga olishi kerak. Mission-tanqidiy xizmatlarni (masalan,) etkazib berishda yuqori turg'unlik paydo bo'ladi. avtomobil CPS avtomatlashtirilgan tormoz nazorat, avtomatlashtirilgan tibbiy ventilator va hokazo ustidan havo va kislorod oqimi nazorat). Mission-tanqidiy CPS ilovalar ko'pincha hatto tizimining har qanday darajasida uzilishlar taqdirda faoliyat uchun zarur bo'lgan (masalan,. apparat, dasturiy ta'minot, tarmoq ulanishlar, yoki asosiy infratuzilma). Shuning uchun, juda egiluvchan CPS loyihalashtirish tufayli operatsion atrof-muhit jadal o'zgaruvchan tabiati salohiyati muvaffaqiyatsizliklar va uzilishlar, tegishli qo'llash taranglik xususiyatlari va tizim evolyutsiyasi puxta tushunish talab [86].

Qayta moslashuvchanlik tizimning konfiguratsiyalarini noto'g'ri yoki ichki yoki tashqi so'rovlarda o'zgartirish xususiyatiga ishora qiladi. A juda qayta konfiguratsiya tizimi o'z-o'zini moslanadigan bo'lishi kerak, dinamik o'zini nozik-tune ega ma'no va nozik granulyarities da uning komponentlarini ishlashini muvofiqlashtirish. CPSs autonomously reconfigurable muhandislik tizimlari sifatida qaralishi mumkin. Masofadan monitoring va nazorat qilish mexanizmlari xalqaro chegara monitoringi, wildfire favqulodda boshqaruv, gaz quvurlari monitoringi kabi ba'zi CPS dastur stsenariylarida zarur bo'lishi mumkin. Operativ ehtiyojlar (mas. xavfsizlik tahdid darajasi yangilanishlar, muntazam kodi yangilanishlar, samarali energiya boshqarish va hokazo.) sensor/Aktüatör tugunlari yoki butun tarmoqni eng yaxshi xizmat ko'rsatish va resurslardan foydalanishni ta'minlash uchun muhim qayta konfiguratsiyani chaqiradigan bunday stsenariylar uchun o'zgarishi mumkin [98].

Samaradorlik resurslar miqdorini anglatadi (masalan, energiya, xarajat, vaqt va hokazo.) tizim belgilangan funktsiyalarni etkazib berishni talab qiladi. Yuqori samarali tizim tizim resurslarining optimal miqdori ostida to'g'ri ishlashi kerak. Samaradorligi CPS ilovalar energiya boshqarish uchun, ayniqsa, muhim ahamiyatga ega. Misol uchun, aqlli binolar yo'lovchilarning yo'qligini aniqlashi va energiyani tejash uchun HVAC (isitish, shamollatish va konditsioner) qurilmalarini o'chirishi mumkin. Bundan tashqari, ular ish bashorat texnikasi asosida avtomatlashtirilgan oldindan isitish yoki oldindan sovutish xizmatlarini taqdim etishi mumkin [99].

Xavfsizlik tizim resurslariga kirishni nazorat qilish va nozik ma'lumotlarni ruxsatsiz tushuntirishlardan himoya qilish uchun tizimning xususiyatiga ishora qiladi. Yuqori darajada xavfsiz tizim axborotni ruxsatsiz o'zgartirish va resurslarni ruxsatsiz ushlab turishdan himoya mexanizmlarini ta'minlashi kerak va sezgir axborotni katta darajada oshkor qilishdan ozod bo'lishi kerak. CPSs tufayli ularning ölçeklenebilirliği, murakkabligi va dinamik tabiati, jismoniy va kiber tomondan ham muvaffaqiyatsizliklar va hujumlar uchun zaif bo'ladi. Zararli hujumlar (masalan,. quloq, odam-in-o'rta, rad-of-xizmat, soxta sensor o'lchovlari yoki aktüasyon so'rovlar va hokazo in'ektsion.) kiber infratuzilmaga yo'naltirilishi mumkin (masalan, ma'lumotlarni boshqarish qatlami, aloqa infratuzilmasi, qaror qabul qilish mexanizmlari va boshqalar.) yoki operatsion tizimni buzish yoki nozik ma'lumotlarni o'g'irlash niyatida bo'lgan jismoniy komponentlar. Keng ko'lamli tarmoq foydalanish (Internet kabi), qabul xavfli aloqa protokollari, meros tizimlari og'ir foydalanish yoki tijorat off-raf (COTS) texnologiyalari tez qabul qilish cpss osonlik xavfsizlik tahdidlarga duchor qilish boshqa omillar [100], [101].

Butunlik tizimning o'zini yoki ma'lumotni ma'lumotlarning to'g'riligini saqlab qolish uchun ruxsatsiz manipulyatsiya yoki modifikatsiyadan himoya qilish xususiyatiga ishora qiladi. A yuqori yaxlitligi tizimi keng avtorizatsiya va mustahkamlik tekshirish mexanizmlarini ta'minlash kerak. Oliy yaxlitlik bir CPS muhim xususiyatlaridan biri hisoblanadi. CPSs bir necha marta yaxlitlikni tekshirish mexanizmlarini taqdim etish orqali katta ishonch bilan ishlab chiqilishi kerak (masalan, tarmoq paketlarining ma'lumotlar yaxlitligi, atrof-muhit shovqinidan zararli xatti-harakatlarni farqlash, noto'g'ri ma'lumotlar in'ektsiyasi va buzilgan sensor/aktuator komponentlarini aniqlash va hokazo.). Jismoniy va kiber jarayonlarning xususiyatlari yaxshi tushunilishi kerak va shuning uchun kerakli yaxlitlikni ta'minlash uchun foydalanish mumkin [100], [102].

Maxfiylik faqat vakolatli tomonlarning tizim ichida yaratilgan nozik ma'lumotlarga kirishga ruxsat berish xususiyatiga ishora qiladi. Juda maxfiy tizimi ruxsatsiz kirish dan himoya qilish eng xavfsiz usullari ish kerak, oshkor, yoki tampering. Ma'lumotlar maxfiyligini eng CPS dasturlar mamnun bo'lishi kerak, deb muhim masala. Misol uchun, favqulodda boshqaruv sensor tarmog'ida uzatiladigan ma'lumotlarning maxfiyligini aniqlaydigan hujumlar favqulodda boshqaruv tizimining samaradorligini pasaytirishi mumkin. Hujum sensor tugunlari orqali uzatiladigan ma'lumotlarning maxfiyligi buzilishi mumkin va bu tarmoqdagi ma'lumotlar oqimini buzilgan sensorlarga yo'naltirishga olib kelishi mumkin; tanqidiy ma'lumotlar tinglanadi; yoki tarmoqda soxta tugun identifikatorlari hosil qilinadi. Bundan tashqari, soxta / zararli ma'lumotlar soxta tugunlar orqali tarmoqqa kiritilishi mumkin. Shuning uchun ma'lumotlar aylanishining maxfiyligi maílum darajada saqlanishi kerak [103].

Birgalikda ishlash, ma'lumot almashish va ushbu ma'lumotni belgilangan xizmatlarni taqdim etish uchun ishlatish uchun tizimlar/komponentlarning qobiliyatini anglatadi. Yuqori interoperabl tizim tizim komponentlari orasida samarali aloqa va interoperatsiya uchun qulay xizmatlarni taqdim etishi yoki qabul qilishi kerak. Jang maydoni operatsiyalarini amalga oshirish va yana bir-biriga bog'liq va potentsial qo'shma-xizmat jangovar tizimlari ega, uchuvchisiz havo vositalari (UAVs) ishga bir-biriga va ko'p zamin vositalari o'rtasida uzluksiz aloqa uchun qo'ng'iroq. Uzviylik me'yorlarining yo'qligi ko'pincha murakkab va kritik missiyalar samaradorligining kamayishiga sabab bo'ladi [104]. Shunga o'xshab, o'zgaruvchan ehtiyojlarga ko'ra, dinamik standartlar ishlab chiqilishi va aqlli tarmoqda ishlatiladigan qurilmalar, tizimlar va jarayonlar uchun sinovdan o'tkazilishi kerak.

Kompozitorlik bir necha komponentlarning bir tizim ichida birikish xususiyatiga va ularning o'zaro munosabatlariga tegishlidir. Yuqori kompozitsion tizim tizim komponentlarini qayta-qayta rekombinatsiya qilish muayyan tizim talablarini qondirishga imkon berishi kerak. Kompozisiya turli darajalarda (masalan, qurilma kompozisiyasi, kod kompozisiyasi, xizmat kompozisiyasi, tizim kompozisiyasi) tekshirilishi lozim. Albatta, tizim kompozisyonu yanada qiyin bo'ladi, shuning uchun pastdan yuqoriga tarkibi xususiyatlarini amal yaxshi belgilangan tarkibi uslubiyati uchun ehtiyoj. Bundan tashqari, talablar va baholash mos ravishda kompozitsion bo'lishi kerak. Kelajakda, ehtimol, rivojlanayotgan tizimlarni tizim tizimiga (masalan, CPS) kiritish uchun juda muhim ahamiyatga ega bo'ladi.

Heterojenlik murakkab bir butunni tashkil etuvchi turli xil o'zaro ta'sir va o'zaro bog'langan tarkibiy qismlarni o'z ichiga olish xususiyatiga ega. CPSs ta'sis jismoniy dinamikasi tufayli tabiatan heterojen bor, hisoblash elementlari, nazorat mantiq, va turli aloqa texnologiyalari tarqatish. Shuning uchun, CPSs barcha tizim komponentlarining heterojen tarkibini talab qiladi. Misol uchun, heterojen hisoblash va aloqa imkoniyatlarini o'z ichiga olgan, kelajakda tibbiy qurilmalar bir heterojen nazorat tarmog'i va muhim bir-biriga bog'liq qurilmalar yopiq halqa nazorat qiladi, bir plagini va-o'yin moda bilan tobora murakkab ochiq tizimlarida bir-biriga bog'liq bo'lishi ehtimoldan yiroq. Bunday qurilmalarning konfiguratsiyasi bemorga xos tibbiy holatlarga qarab juda dinamik bo'lishi mumkin. Ilm-fan va rivojlanayotgan texnologiyalar tomonidan yoqilgan, kelajak tibbiy tizimlari vaziyat-xabardor butlovchi muxtoriyat ta'minlash kutilmoqda, kooperatsiya muvofiqlashtirish, Real vaqt kafolati, va heterojen moslashtirilgan konfiguratsiyalar ancha qodir va bugungi [93] dan murakkab.

Ölçeklenebilirlik hatto uning hajmi/oshdi ish yukini o'zgarishi taqdirda yaxshi faoliyat tutish, va undan to'liq foyda olish uchun bir tizim qobiliyatini anglatadi. Tizimning ko'payishi tizim resurslarining o'sishiga mutanosib bo'lishi kerak. Yuqori darajada ölçeklenebilir tizim ish yukini muvozanatlash va ishlashni yaxshilash uchun samarali aloqa protokollari uchun tarqalish va mexanizmlarni to'plashi kerak. Ularning ko'lamiga qarab, CPSs minglab ko'milgan kompyuterlar, sensorlar va birgalikda samarali ishlashi kerak bo'lgan aktuatorlardan iborat bo'lishi mumkin. A programlanabilir o'zaro aloqa tarmog'i bilan ölçeklenebilir ko'milgan ko'p yadroli mimarileri CPS [107] ortib hisoblash talabni yetkazib berish uchun tarqatilishi mumkin. Bundan tashqari, CPS sub'ektlari ishtirok etish va jadal mavjud tarmoq tark ruxsat berish uchun yuqori ishlashi va juda ölçeklenebilir infratuzilma zarur. Ushbu shaxslar orasida tez-tez ma'lumot tarqatish mavjud bo'lganda dinamik dasturiy yangilanishlar (ya'ni kompyuter dasturini ishga tushirish vaqtida o'zgartirish) cps ilovalarini dinamik ravishda yangilashga va CPS resurslaridan unumli foydalanishga yordam beradi [108].

Aslida, barcha tizim talablari / sifatlari umumiy talablar va ularning to'g'ridan-to'g'ri/bevosita sifatlari biz ishora bo'lsa-da, bir-biriga bog'liq. Biz shakl CPS ilovalar uchun tizim talablari yaxlit ko'rinishini ta'kidlash uchun maqsad. 3. CPS juda keng tadqiqot maydoni va shuning uchun turli xil tarozi yoyilgan turli dasturlar bor. Barcha CPS ilovalari haqiqiy dunyoga va zarur tizim darajasidagi talablarga ta'sirini hisobga olgan holda ishlab chiqilishi kerak.

2-jadvalda dastur domenlari uchun o'sha talablarning ahamiyatiga to'xtaladigan mavjud tadqiqotlar keltirilgan. Umumiy CPS tadqiqotlarini aks ettira olmasa-da, bizga CPS tadqiqotlarining tendentsiyasi muhim infratuzilmalar, xususan, Smart Grid va ularning xavfsizlik jihatlari haqida tushuncha beradi.

Jadval 2. Cps dastur domenlari uchun mavzu muammolar ahamiyati tegadi manbalar " jadval