sistemas ciberfísicos
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Material sobre Sistemas CiberfísicosTRANSCRIPT
Laboratório de Sistemas Inteligentes – Laboratório de Robótica
Centro de Engenharia Elétrica e Informática
Universidade Federal de Campina Grande
Sistemas Ciberfísicos& Robótica
Semana Acadêmica 2014
Marcos Morais – Professor DEE
Laboratório de Robótica / Laboratório de Sistemas Inteligentes - UFCG :: 2
Um sistema ciber-físico (CPS) integra capacidades de computação e comunicação com a monitoração e/ou controle de entidades no mundo físico• De forma confiável, segura, eficiente e em tempo real.
Meta de longo prazo: sistemas ciber-físicos transformam como interagimos com o mundo físico, assim como a internet transformou como interagimos uns com os outros.• Controlando o ambiente físico de qualquer lugar
Buscar fundamentos científicos e tecnologias para integrar conceitos cibernéticos com a dinâmica de sistemas físicos e de engenharia.
Sistemas Ciber-físicos (Cyber Physical)
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Transportes: Automóveis, Aeroespacial, Ferroviário, Marítimo • Redes veiculares
• Rodovias inteligentes, trens e barcos
Infraestrutura Civil: pontes, fornecimento de água, rede de esgoto, agricultura, plantas industriais, rede elétrica, estradas, ...
Cuidados com saúde: • Hospitais inteligentes, telemedicina, monitores pessoais
Fabricação: produção flexível e eficiente
Militar: O lado com os melhores robôs ganha
Em geral qualquer física que possa ser ligada com ou sem fio
Áreas de Aplicação
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Zero mortes no trânsito, ferimentos minimizados, atrasos e congestionamento de tráfego significativamente reduzidos
Geração e distribuição de eletricidade sem apagões (blackouts)
Edifícios cientes de consumo (Energy-aware)
Assistentes para toda a vida para idosos ou deficientes
Medicina de classe mundial independente do local de acesso
Agricultura de altíssimo rendimento (agricultura de precisão)
Redução de tempo e custo para teste e integração de sistemas CPS complexos (por exemplo, na aviação) por uma ou duas ordens de grandeza
Infra-estrutura crítica física que exija manutenção preventiva
Grandes Desafios
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A Ciência da Sistemas Ciber-físicos • Teoria da Incerteza • Modularidade (composição) de aspectos físicos e virtuais • Confiabilidade, Segurança e Privacidade em Tempo-Real• Física dos desgastes• Otimização automática em tempo de execução • Projeto baseado em modelo • Verificação e Validação
Engenharia de Sistemas Ciber-físicos • Componentização para Sistemas de Sistemas • Especialização para domínios • Bancada de testes para sistemas Cyber-físicas • Minimização de custos com operação confiável • Mecanismos e políticas de desligamento robustos
Desafios Técnicos
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Segurança muito importante
Sistema ciber-físico responsável e controlando infra-estrutura• Efeito devastador se comprometido
• Provisão de mecanismo para retorno ao controle manual / semi-automático em condições de falha
Exemplos na aviação – decisões erradas tomadas automaticamente• TAM: Alavanca em posição inadequada para pouso
• Air France: tubo de Pitot (sensor de velocidade)
Segurança
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Transcendência espacial• Agir em coisas mesmo que não estejam fisicamente próximas
• Mesmo que não seja você fazendo
Olhos e ouvidos em todo lugar• Monitoração de anomalias e respostas proativas
• Segurança, desastres, anjo pessoal
Altos padrões de vida• Maior conforto e conveniência
Futuro centrado em CPS
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Trascender Espaço e Controlar Seu Mundo
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Consumo de eletricidade
Refrigeração e aquecimento
Segurança
Uso de água
Consumo de gás
Pontos de controle
• Todos estes subsistemas são conectados/integrados
• Cada ponto de uso é monitorado e controlado
• Possibilidade de controle global• Informação detalhada para otimização
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Monitoramento e Controle de Energia
Sensoriamento• Potência real, aparente, fator de potência• Corrente RMS, tensão RMS• Monitora características de consumo para
predizer o futuro
Controle• Controle liga/desliga da tomada• Relê de estado sólido permite PWM
Comunicação• Nó 802.15.4 (p.ex. zigbee, z-world)
Baixo consumo• Roda diretamente da tomada• Consumo desligado menor que 0.2 W
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Visão: baixíssimo custo como habilitador• Toda tomada ou equipamento com medição e comunicação
Viável apenas em escala • Solução integrada dedicada
Projeto do Brazil-IP (Profs. Elmar e Joseana)• > 2 anos
• Modem banda estreita S-FSK
• Multidisciplinar
Projeto Tecnova• Prof. Andrey
Pesquisa em Privacidade• Prof. Andrey
Smart Grid no DSC
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• Algumas questões:• O que significa leituras
de sensores distribuídos• Como predizer a
dinâmica e (ex) fuga de calor?
• Como/quando controlar? Podemos limitar o orçamento?
• Que propriedades globais podem ser provadas?
• Podemos reduzir o pico de consumo?
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Maximizar o tempo do processador dormindo• Dado os modos de operação {Sleep, Idle, Active}
Escalonamento – redução de consumo
Estado consumo Consumo(mW) Tempo para subir
Active 30 mW n/a
Idle 6 mW 6 µs
Sleep 5 µW 10 ms
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Subconjunto e elemento essencial de Sistemas Ciber-físicos
Automação residencial
Propostas de soluções• Thread
• Samsung, ARM, Nest da Google
• Apple
• Qualcomm
• OpenIoT (Hypercat)
OpenIoT• Solução open-source
• Descrição das capacidades de fornecer e processar sinais de cada nó
• openiot.org, > 40 empresas, a maioria inglesas
Busca por interoperabilidade
Internet das Coisas
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Muitas visões diferentes
Smart Grid
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1. Mecanização da produçãodevido a máquina a vapor
2. Produção em massa com ajuda da energia elétrica
3. Revolução digital, uso de eletrônica e TI paraautomatizar a produção
4. Uso de sistemas ciber-físicos
Industry 4.0 – 4ª revolução industrial
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Olhos e ouvidos inteligentes em todo lugar
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Monitoração de transito
Prevenção de roubo
Operadores humanos fazem o reconhecimento de objetos na tela
Busca possível apenas pela marca de tempo (timespamp)
Sistema projetado para armazenamento e busca manual
Informação visual
Olhos em Todo Lugar: Vídeo Vigilância
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Microsoft Projeto Adam• Apresentado esta semana• Neural Network - Aprendizagem profunda
Google busca por imagens
etc
Processamento nos nós sensores (realmente) possível hoje em dia
Quad-Core > 2GHz com 2W
GPU embarcado programável para processamento de propósito geral
OpenCL para GPU embarcada
Hoje em Dia
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Uso de Veículos Aéreos não Tripulados (VANT) - UAV
Vigilância/Filmagem de locais de difícil acesso
Controle de fronteiras
Robôs de filmagem seguidores para uso em esportes, cinema, etc
Usos militares
Agricultura de Precisão• Uso otimizado de adubos/defensores/pesticidas/herbicidas de acordo
com a necessidade específica da planta/área• Câmeras multi-espectrais para detecção visual de informações sobre a
atividade das plantas• Nós sensores no solo e nas plantas • Substituição da tradicional monitoração via satélite / aviões• Projeto: UAV com câmera RGB e câmera IR (Infravermelho) para análise
de nível de atividade das plantas.
Aplicação com Robótica Móvel
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Melhora nos padrões de vida:
Veículos que não batem
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Milhões de pessoas mortas por ano globalmente• Maior assassino de jovens
• Muitos mais feridos
• Custo com cuidados médicos, incapacitação e dano material de centenas de bilhões de dólares
Perda de independência e alta-estima para cidadãos idosos e desabilitados
Atraso no transito custa caro• Bilhões perdidos esperando nos engarrafamentos
Sociedade e Automóveis
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Desafio DARPA 2007
Campeão CMU
Sensores:• Lidar
• Câmeras
• GPS/IMU
• Radar
Proposta CPS: Veículos Autônomos
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Habilidades do Motorista Urbano
Direção segura e defensiva
Negociação• Veículos estacionários e se movendo
• Rodovias bloqueadas
• Interseções e desvios
Capacidade de voltas, paradas, ultrapassagem, reentradas, seguir vias
Entendimento de trânsito
Estradas incluem curvas, estradas pavimentadas e não pav.
Estacionar (em ambientes estruturados)
Progredir com segurança frente a adversidades
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Diversos estados americanos permitem testes de carros sem motoristas
Também Alemanha, Holanda e Espanha
Mais de 1 milhão de quilômetros percorridos por carros da Google
Novo protótipo Google 100% autônomo - sem direção, acelerador nem freios.
Pesquisa em estradas inteligentes
Redes de comunicação entrecarros e entre carro e estrada.
Atualmente...
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Melhora nos padrões de vida:
Saúde (eHealth)
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Redes nacionais com informação de saúde, iniciativas de Registro Eletrônicos de (dados) Pacientes• Registros médicos disponíveis em qualquer local de serviço• Em hospital, ambulatório, CTI, ..., emergência?
Cuidados em casa: monitoração e controle
Oxímetros de pulso (saturação de oxigênio), monitores de glicose no sangue, bombas de infusão (insulina), accelerômetros (quedas, imobilidades), redes de sensores (roupas, jóias, equipamentos), pulseiras monitoras, smart-watches, óculos, …
Biosensores
Monitoração e controle em malha fechada; múltiplas estações de tratamento; micro-cirurgia robótica (guiada remotamente?)
Melhor uso de recursos escassos, i.e. especialistas, equipamentos
Progressos in bioinformática: genômica, proteômica; biologia se sistemas; simulações de sistemas biológicos; dinâmica, mecanismos de controles de doenças
EX: Samsung SIMBAND e SAMI
Saúde Conectada
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computer science • Foco em matemática discreta
• Pouca ênfase em métodos numéricos
• Limitações no entendimento de sistemas físicos
Especialistas nos domínios (engenheiros)• Foco na matemática para análise e projeto
• Pouca exposição a computação embarcada e em tempo-real
• Limitações no entendimento de implementações para tempo-real
Questões na Educação
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Interpretação de sistemas ciber físicos• 3 C’s : Computação, Comunicação e Controle
Computadores são atualmente (e no futuro próximo) equipamentos eletrônicos
Comunicação com ou sem fio
Controle = Sensores, atuadores e processamento• Precisam passar para o domínio elétrico para processar
Visão EE-CS nas universidades brasileiras diferente da visão no resto do mundo
O mesmo com Engenharia da computação
EE & CS
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Modelagem
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Abstrações de engenharia eMetodologias de engenharia
Modelos de Engenharia
Componentes em um sistema assim provêm de muitosfornecedores em diversas disciplinas de engenharia e com domínios de expertise distintos.
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Visões Divergentes
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Ex. Sistema de Energia Elétrica de uma Aeronave
Fisicamente:• Geradores
• Contactores
• Barramentos
• Cargas
Modelos e Modelos
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Como podemos definir interfaces entre os componentes de forma a convergir as disciplinas de engenharia e esclareça requsititos e expectativas
Desafio: Como Unir?
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Sistemas ciber-físicos por excelência
Dificuldades devido a multidisciplinaridade
Dificuldades de encontrar formação adequada: nem em EE e nem em CS
Robô:• Conjunto de atuadores: rodas, braço, patas,...
• Conjunto de sensores: lidar, ângulo das rodas, ultrassom,...
• Comunicação: rede sem fio, ...
• Computação: sistema computacional e algoritmos
Robótica Autônoma
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Pesquisa atual no grupo eRobótica, incluindo robótica aérea autônoma
Cumprir tarefas (Ex. localização de vítimas em resgate)• Consciência (estado)
• auto-localização• nível de combustível / bateria• Através do histórico dos valores dos sensores• Outros agentes do sistema (robôs, estações)
• Comportamento (planejamento, próximos estados)• Geração de metas (milestones)• Caminho a ser percorrido, evitando obstáculos• Através de Mapa e sensores• Exploração: não necessariamente reduzindo a distância até a meta
• Cooperação • Geração de dados para parceiros• Uso de dados de parceiros• Inteligência distribuída com objetivo único
• Fatores complicadores• Vida útil da bateria• Comunicação móvel não confiável• Indeterminações nos valores dos sensores
Equipe de Robôs Móveis Autônomos
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Self Localization and Mapping
SLAM
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ROS (Robot Operating System)
Não é um sistema operacional, roda sobre Linux
Baseado em produção e consumo de dados
Informa-se que algum dado está disponível, identificando-o
Registra-se para adquirir os dados
Tal como um S.O., ROS fornece:• Abstração de hardware• Controle de dispositivos em baixo nível• Implementação de funcionalidades comumente usadas• Passagem de mensagens entre processos• Gerenciamento de pacotes
Usado em muitos robôs reais
Facilita enormemente o desenvolvimento de soluções bastante complexas, através dos seus milhares de pacotes
Robótica e CS (ROS)
Laboratório de Robótica / Laboratório de Sistemas Inteligentes - UFCG :: 40
Grandes desenvolvimentos nas áreas individuais,
Bem menor nos temas centralizadores:• Definição• Taxonomia• Composição de Modelos• Metodologias
Muitos reinícios
Pesquisa considerada prioritária pelo NSF, com
Principais centros envolvidos em pesquisas – promessas muito significativas para serem ignoradas
Mundo atual diferente da época destas pesquisas• Big data, Android (smartphone para todos), Arduino• Grandes empresas apostando em CPS (IoT, eHealth,Smart Grid)
Ainda insipiente no Brasil
Após uma década, como anda CPS
Marcos Morais, D.Sc.Professor, Coordenador [email protected]
Antônio Marcus, D.Sc.Professor, Coordenador e-Robó[email protected]
Contato