Μοντελοποίηση, Σχεδιασμός και Ανάλυση Κυβερνοφυσικών Συστημάτων

Abstract

Το Κυβερνοφυσικό Σύστημα (Cyber-Physical System – CPS) αποτελείται από πολλαπλές υπολογιστικές συσκευές οι οποίες επικοινωνούν μεταξύ τους και με τον φυσικό κόσμο μέσω αισθητήρων και ενεργοποιητών σε μια μορφή κλειστού βρόχου. Σκοπός του συγγράμματος είναι να περιγράψει την έννοια του κυβερνοφυσικού συστήματος εστιάζοντας στη μοντελοποίηση, στον σχεδιασμό και στην ανάλυση σύγχρονων συστημάτων ως κυβερνοφυσικών συστημάτων. Περιλαμβάνει αρκετά παραδείγματα τέτοιων συστημάτων από τις περιοχές της ρομποτικής, των δικτύων αισθητήρων και των έξυπνων δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας για την κατανόηση της έννοιας του κυβερνοφυσικού συστήματος. Αρχικά, αναλύονται τα δυναμικά συστήματα συνεχούς χρόνου, ο σχεδιασμός ελέγχου και οι μέθοδοι ανάλυσης ευστάθειας για τη μοντελοποίηση του φυσικού επιπέδου και την αλληλεπίδρασή του με το cyber επίπεδο. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η έννοια των δικτυωμένων συστημάτων και γίνεται η ανάλυσή τους με χρήση θεωρίας πινάκων και αλγεβρικής θεωρίας γράφων. Έπειτα, ακολουθεί η περιγραφή των διακριτών συστημάτων με χρήση μηχανών κατάστασης (μηχανές πεπερασμένης κατάστασης, εκτεταμένης κατάστασης, μη ντετερμινιστικές μηχανές), τα οποία συνδυάζονται με τα δυναμικά συστήματα συνεχούς χρόνου για τον σχεδιασμό υβριδικών συστημάτων που αποτελούνται από μια σύνθεση συνεχών και διακριτών δυναμικών, όπως εμφανίζονται στα κυβερνοφυσικά συστήματα. Τέλος, καθώς για τον σχεδιασμό των κυβερνοφυσικών συστημάτων απαιτείται η κατάλληλη επιλογή των συσκευών που είναι απαραίτητες για την αλληλεπίδραση του φυσικού και του cyber επιπέδου, το σύγγραμμα περιλαμβάνει επίσης με συντομία τις βασικές επιμέρους δομικές μονάδες που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό ενός κυβερνοφυσικού συστήματος (αισθητήρες, ενεργοποιητές, ενσωματωμένοι μικροεπεξεργαστές, αρχιτεκτονική μνήμης και μονάδες εισόδου/εξόδου).

A Cyber-Physical System (CPS) consists of multiple computing devices which communicate between them as well as with the physical world through sensor and actuators in a closed-loop form. The aim of this book is to describe the concept of cyber-physical systems with emphasis on the modelling, design and analysis of modern systems given in the form of a cyber-physical system. The book contains multiple examples of cyber-physical systems from the areas of robotics, sensor networks and smart grids to assist in the understanding of the cyber-physical systems concept. First, continuous-time dynamic systems are analysed, including methods for control design and stability analysis, which are used to model the physical layer as well as its interaction with the cyber layer. Then, the concept of networked systems is presented, which are analysed through matrix and algebraic graph theory. Discrete systems are consequently presented using state machines (finite state machines, extended state machines, non-deterministic machines); these systems are then combined with the continuous-time dynamic systems to form the hybrid systems, which consist of a composition of continuous and discrete dynamics, as commonly found in cyber-physical systems. Finally, since the design of cyber-physical systems requires suitable selection of the components that are necessary for the interaction between the physical and the cyber layers, this book briefly presents the main individual components that are used to design a cyber-physical system (sensors, actuators, embedded microprocessors, memory architecture and input/output units).