رویکرد جدید برای اینترنت اشیا

هدف اصلی سامانه‌های سایبر فیزیکی، کنترل و مدیریت رایانه‌ای پدیده‌های فیزیکی و بیولوژیکی با استفاده از سیستم‌های نهفته در مقیاس بسیار وسیع است. در حال حاضر حدود 20 میلیارد دستگاه رایانه‌ای در قالب سیستم‌های نهفته در کاربردهای مدیریت ترافیک، حمل‌ونقل، خودروی هوشمند، سلامت و تجهیزات پزشکی، اکتشافات، گوشی‌های هوشمند و... در حال استفاده است. برآوردها نشان می‌دهد تا سال 1404/ 2025 بیش از 15 هزار دستگاه در هر دقیقه به شبکه اینترنت افزوده خواهد شد. این عدد از گسترش چشمگیر اینترنت اشیا در ابعاد تجاری، اقتصادی و اجتماعی فناوری خبر می‌دهد.

برای آن که یک سامانه سایبر فیزیکی رفتار صحیح از خود بروز دهد، لازم است مجموعه‌های منظم و متنوع کنار یکدیگر قرار گیرند و به صورت یکپارچه مدیریت شوند. مرکز پژوهشی سامانه‌های سایبرفیزیکی دانشگاه تهران نیز به منظور ایجاد چتر فناوری برای ارتباط هدفمند در حوزه‌های میان رشته‌ای سامانه‌های سایبری در زمستان 1395 در دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه تهران آغاز به کار کرده است.

دکتر مهدی کارگهی، دبیر علمی دومین دوره سمپوزیوم بین‌المللی سیستم‌ها و فناوری‌های بی‌درنگ و نهفته که 19 و 20 اردیبهشت 97 در دانشکده برق و کامپیوتر دانشگاه تهران برگزار شد، درباره تفاوت طراحی و توسعه سیستم‌های نهفته و بی‌درنگ نسبت به سایر سیستم‌های حوزه فناوری اطلاعات و ارتباطات گفت: توجه به مسائلی همچون استفاده وسیع از حسگرها و عملگرها، استفاده بهینه از منابع سخت‌افزاری، شبکه و انرژی در دستگاه‌های نهفته، قابلیت مواجهه این دستگاه‌ها با شرایط سخت و پیش‌بینی‌نشده محیطی و تاب‌آوری سیستم‌ها، نگرش متفاوت در مقوله امنیت و حریم خصوصی، ابعاد حقوقی، تنوع گسترده مشتمل بر سیستم‌های نهفته مینیاتوری تا سیستم‌های نهفته مبتنی بر ابر و از همه مهم‌تر حساسیت این سیستم‌ها به زمان است که دانش و فناوری این حوزه را به یک فناوری کلیدی و پیشرو تبدیل کرده است. این سیستم‌ها معمولا در کاربردهای بسیار حساس از نظر حیاتی و اقتصادی مورد استفاده قرار می‌گیرند که روش‌های منحصر به فرد طراحی، توسعه، آزمون و نگهداری خاص خود را دارند و در کشور ما چند سالی است متخصصان توجه ویژه‌ای به این حوزه می‌کنند.

دکتر کارگهی درباره مقالات و سخنرانی‌های ارائه شده در این سمپوزیوم افزود: با همکاری محققان برجسته صنعت و دانشگاه در سطح گسترده بین‌المللی متشکل از آمریکا، اروپا، و آسیا، این سمپوزیوم در مقیاس کشورهای خاورمیانه از توجه ویژه برخوردار شده و مقالات متعددی از کشورهای اروپایی و آسیایی را نیز به خود جذب کرده است. این مقالات در یک استاندارد مناسب با نسبت پذیرش 40 درصد برگزیده شده‌اند که در سمپوزیوم پیش رو در قالب شش نشست تخصصی به زبان انگلیسی عرضه خواهند شد. گزیده‌ای از مقالات پس از گسترش و داوری مجدد در نشریات معتبر ISI منتشر و تعدادی در کارگاه آموزشی و غرفه‌های تخصصی نمایشگاهی نیز عرضه خواهند شد.

ارتقای سیستم‌های هوشمند با هزینه کمتر

سامانه سایبر فیزیکی نگاهی کلان بر سیستم‌های مبتنی بر الگوریتم‌ها و هوش مصنوعی دارد و به کنترل هوشمند این سیستم‌ها می‌پردازد. این سامانه یک مفهوم میان رشته‌ای برق، علوم کامپیوتر، مخابرات و بسیاری رشته‌های دیگر است که در طیف وسیعی از سیستم‌های کوچک، بزرگ و کلان مهندسی کاربرد دارد. شبکه برق هوشمند، سیستم حمل‌ونقل هوشمند، شبکه توزیع آب هوشمند، سیستم ارزیابی پزشکی، سیستم‌های هوایی خودکار و خانه‌های هوشمند نمونه‌هایی از شبکه‌های سایبرفیزیکی هستند که در آینده چهره جدیدی از فناوری به نمایش می‌گذارند.

دکتر صحرا صدیق سروستانی، استاد دپارتمان برق و علوم کامپیوتر دانشگاه میسوری آمریکا و سخنران کلیدی روز نخست این سمپوزیوم، درباره تفاوت اینترنت اشیا و سیستم‌های سایبر فیزیکی (Cyber Physical System) به جام‌جم می‌گوید: این موضوع از جمله موضوعاتی است که افراد مختلف تعریف‌های مختلفی از آن دارند. نظر شخصی من این است بخش‌های جزئی‌تر اینترنت اشیا نقش مهم‌تری دارد. در اینترنت اشیا مرحله تماس شیء با کاربر یا گیرنده خدمات اهمیت دارد که اصطلاحا لبه این فناوری (Edge) نامیده می‌شود. این در حالی است که در سیستم‌های سایبر فیزیکی هسته اصلی اهمیت دارد.

هدف اصلی سیستم‌های سایبر فیزیکی، ارتقای سیستم‌های هوشمند مثل آب و برق با هزینه کمتر است. داشتن شبکه برق و آب مجهز به فناوری‌های روز، نیاز امروز همه کشورها است اما جایگزینی این سیستم‌ها هزینه بالایی دارد و کشورها نمی‌توانند همه بخش‌های یک سیستم را همزمان جایگزین کنند. بنابراین لازم است سیستم‌ها بخش به بخش تعمیر، بازیابی و تقویت شوند. استفاده از برنامه‌های کامپیوتری و مخابرات و کنترل به طراحان اجازه می‌دهد ابتدا نقطه‌ای پیدا کنند که نیاز به تقویت دارد. در مرحله بعد افراد زودتر از مشکلات به وجود آمده باخبر می‌شوند. برای مثال در بعضی کشورها یک خط انتقال برق به دلایلی مثل برخورد حیوانات یا یخ‌زدگی سیم قطع می‌شود و اگر سیستم سایبری وجود نداشته باشد، ممکن است خطوط دیگر ظرفیت تحمل بار افزوده شده از خط معیوب را نداشته باشند. اگر چنین شرایطی به وجود آید خطوط انتقال برق یکی بعد از دیگری از کار می‌افتد و یک مشکل بزرگ پدید می‌آید. یک سیستم غیرهوشمند فقط از ظرفیت یک خط باخبر است و از وضعیت خطوط منشعب اطلاعی ندارد.

یکی از مثال‌های اهمیت هوشمندی سیستم برای اطلاع از وضعیت دیگر بخش‌ها رودخانه‌های مشترک میان کشورهای قاره اروپاست. ممکن است یک کشور برای یک رودخانه تصمیمی بگیرد، بدون آن که از نتیجه این تصمیم روی دیگر بخش‌های رودخانه اطلاعی داشته باشد. سیستم‌های هوشمند در این زمینه راهگشا خواهند بود و باعث می‌شود تصمیم‌گیرندگان نسبت به شعاع بیشتری از اثرگذاری تصمیم‌ها اطلاع داشته باشند و با دوراندیشی بیشتر عمل کنند. در این شرایط است که هزینه‌ها کمتر و تاثیرگذاری بیشتر می‌شود. سیستم سایبر فیزیکی به طراحی و تقویت سیستم کمک می‌کند و علاوه بر این هنگام بروز مشکل بسرعت می‌توان نقطه‌ای که باعث بروز مشکل شده پیدا و مساله را برطرف کرد.

سیستم‌های نیرو، آغازگر توسعه سیستم‌های هوشمند

سیستم‌های فیزیکی که با یکدیگر و با اینترنت یا شبکه داخلی دیگری در بالادست خود در ارتباط (شبکه) هستند، با کمک مفهوم سیستم‌های سایبر فیزیکی هوشمندتر و دقیق‌تر از قبل مدیریت می‌شوند. همچنین تشخیص خطا و جلوگیری از بحران در سیستم‌های بزرگ نیروگاهی با کمک این سیستم‌ها دقیق‌تر و ساده‌تر خواهد بود. این سیستم‌ها از اجزای ریز گوناگونی تشکیل شده‌اند که مثل همه اعضای تولید و توزیع شبکه برق، با یکدیگر شبکه و مجموعه‌ای در راستای یک هدف هستند. این پژوهشگر سیستم‌های سایبر فیزیکی می‌افزاید: به نظر من تقویت اینترنت اشیا و سیستم‌های سایبر فیزیکی از شبکه‌های برق آغاز می‌شود و گسترش پیدا می‌کند. رشته من برق است و به همین دلیل، هم با فیزیک مساله سیستم نیرو و هم سیستم‌های سایبری آشنایی دارم و حدود 12 سال است روی این سیستم کار می‌کنم. اما برای مثال در مورد سیستم آب یک مهندس برق چندان با معادلات عمران و هیدرولیک آشنا نیست و زمان زیادی می‌برد تا با معادلات این سیستم آشنا شود. به همین دلیل است که فکر می‌کنم چون متخصصان برق به هر دو زمینه تسلط دارند، هوشمندسازی از سیستم نیرو آغاز می‌شود و در رشته‌های دیگر گسترش پیدا می‌کند. با این حال، این رشته بسیار جوان و البته دشوار است، چرا که هنوز متخصصان به آن اعتماد نکرده‌اند؛ برای مثال مهندسان عمران روی استانداردهای یک پل تاکید زیادی دارند و براحتی حاضر نیستند محاسبات کامپیوتری را وارد کار خود کنند.

این محقق می‌افزاید: البته شبکه‌هایی مثل شبکه نیرو و آب شباهت‌های بسیاری با یکدیگر دارند. برای مثال می‌توان هر دو شبکه را به تعدادی لوله با ظرفیت محدود تشبیه کرد که موادی جاری را در خود حمل می‌کنند. حتی می‌توان یک جاده یا اتوبان را با خودروهایی در نظر گرفت که در آن حرکت می‌کنند. بنابراین اگر بتوان این شباهت‌ها را مدل‌سازی و به یکدیگر تبدیل کرد، نیاز نیست برای هر سیستم سال‌ها وقت صرف شود. یکی از زمینه‌هایی که در حال حاضر یکی از دانشجویان من روی آن کار می‌کند، چگونگی تبدیل مدل شبکه نیرو به شبکه آب است و به این ترتیب می‌توان از داده‌ها بیشتر استفاده کرد.

چالش‌های گسترش سیستم سایبر فیزیکی

یکی از چالش‌های سیستم این است که بندرت جایی پیدا می‌شود که هوشمندی سیستم برای مثال در همه مناطق یک شهر به یک اندازه باشد. در نتیجه یک سیستم ناهموار وجود دارد که بخشی هوشمند و بخشی غیرهوشمند است و این دشوارترین ترکیب برای یک سیستم است. دکتر سروستانی درباره اهمیت توجه به این چالش ادامه می‌دهد: در خطوط مترویی که همه واگن‌ها راننده داشته باشند، می‌توان خطوط را بهینه‌سازی کرد و خطوط مترو بدون راننده را نیز می‌توان بخوبی بهینه‌سازی کرد. اما وقتی در خطوط مترو یک شهر تعدادی از قطارها راننده داشته باشد و تعدادی بدون راننده باشد، بهینه‌سازی سیستم بسیار مشکل خواهد بود؛ این را می‌توان در مورد خودروهای بدون راننده که کنار خودروهای با راننده در خیابان تردد می‌کنند نیز مثال زد. در بسیاری از موارد به دلیل قابل پیش‌بینی نبودن رفتار انسان خودروهای خودران دچار مشکل می‌شوند.

با این حال هیچ کشوری نمی‌تواند همه سیستم یک شبکه بزرگ را ریشه‌کن و یک سیستم هوشمند از نو بنا کند. به همین دلیل سیستم به مرور جایگزین می‌شود. کاری که ما می‌کنیم این است که نقاط خطیرتر سیستم را ارزیابی می‌کنیم و مشخص می‌کند تقویت کدام خط تاثیر بیشتری دارد.