فضای مجازی و دنیای واقعی با اینترنت اشیا

در عصر کنونی فناوری اینترنت اشیا و سیستم های سایبری-فیزیکی (Cyber-physical systems) که به اختصار CPS نامیده می شود ، واسطه میان دنیای واقعی و فضای مجازی هستند. CPS زمانی استفاده می شود که سیستم های پیچیده فیزیکی نیاز به برقراری ارتباط با دنیای مجازی یا همان دیجیتالی داشته باشند که در این صورت موجب بهینه شدن عملکرد و همینطور افزایش کارایی آنها می شود. در ادامه در خصوص رابطه فضای مجازی و دنیای واقعی با اینترنت اشیا بیشتر توضیح خواهیم داد.

در عصر کنونی فناوری اینترنت اشیا و سیستم های سایبری-فیزیکی (Cyber-physical systems) که به اختصار CPS نامیده می شود ، واسطه میان دنیای واقعی و فضای مجازی هستند. CPS زمانی استفاده می شود که سیستم های پیچیده فیزیکی نیاز به برقراری ارتباط با دنیای مجازی یا همان دیجیتالی داشته باشند که در این صورت موجب بهینه شدن عملکرد و همینطور افزایش کارایی آنها می شود. در ادامه در خصوص رابطه فضای مجازی و دنیای واقعی با اینترنت اشیا بیشتر توضیح خواهیم داد.

ارتباط فضای مجازی و دنیای واقعی با اینترنت اشیا

اخیراً ، سیستم های فیزیکی-سایبری (CPS) به عنوان الگوی تحقیقاتی امیدوار کننده ای ظهور کرده اند. این پیشرفت همگرایی کنترل ، ارتباطات و محاسبات است. از آنجا که قابلیت های رایانشی و ارتباطی هم سریع تر و هم ارزان تر شده اند ، می توان انتظار داشت که آنها را در اشیا و ساختارهای متنوعی در محیط فیزیکی جاسازی شده پیدا کنیم. این زمینه را برای برنامه هایی فراهم می کند که “دنیای مجازی” رایانش و ارتباطات را با دنیای فیزیکی پیوند می دهند.  در نتیجه از پتانسیل زیادی برای تأثیر قابل توجه  بر روی حوزه های اجتماعی و اقتصادی برخوردارند.

برخلاف سیستم های سنتی تعبیه شده که عمدتا بر روی عناصر محاسباتی تمرکز دارند ، CPS همچنین اجزای فیزیکی و واقعی را که با عناصر محاسباتی در فضای سایبر تعامل دارند در نظر می گیرد. نمونه هایی از CPS طیف گسترده ای از سیستم های پیچیده ساخت بشر مانند هواپیمایی ، وسایل نقلیه و حمل و نقل هوشمند را شامل می شود.

بدیهی است که شبکه سازی یا (رایانه های متحرک) نقشی اساسی در هماهنگی بین فضای مجازی و عناصر فیزیکی دارد. در حقیقت ، برنامه های CPS لزوماً توسط معماری و پروتکل های “اینترنت اشیا” (IoT) ارتقا می یابند. این ترکیب اینترنت اشیا و CPS جمع آوری ، مدیریت و پردازش مجموعه های بیگ دیتا را تسهیل می کند.

علت ادغام فضای مجازی و دنیای واقعی با اینترنت اشیا

سیستم های سایبری-فیزیکی به طور فزاینده ای در فرآیندهای صنعتی و کنترل تولید (کارخانه و صنایع هوشمند) ، به ویژه در زمینه ی IIoT یا همان اینترنت اشیا صنعتی ، نقش مهمی دارند. این سیستم ها همچنین در تأمین انرژی  ، کنترل ترافیک و بسیاری از حوزه های دیگر استفاده می شوند.

در واقع سیستم های سایبری-فیزیکی شامل اشیایی هستند که در آنها نرم افزارها و وسایل الکترونیکی جاسازی شده که با یکدیگر یا از طریق اینترنت برای ایجاد یک سیستم شبکه‌ای واحد مرتبط هستند. آن ‌ها شامل حسگرها و اجزایی برای حرکت یا کنترل یک مکانیزم یا سیستم هستند. این تجهیزات به اصطلاح محرک ها یا عملگرهایی نام دارند که CPS را به دنیای خارج متصل می کند.

حسگرها سیستم ها را قادر می سازند تا داده ها را به دست آورند و پردازش کنند. این داده‌ ها متعاقباً در دسترس سرویس های مبتنی بر شبکه قرار می‌گیرند که از عملگرها استفاده می‌کنند تا به طور مستقیم بر روی اقدامات در حال انجام در دنیای واقعی اثر بگذارند. این امر منجر به ادغام فضای مجازی و دنیای واقعی با فناوری اینترنت اشیا می شود.

از سیستم های سایبر- فیزیکی در تولیدات صنعتی به منظور ایجاد معماری مبتنی بر اینترنت استفاده می شود که کنترل از راه دور سیستم های تولید مستقل را تسهیل می کند. علاوه بر این CPS در بسیاری از زمینه های کاربردی دیگر نیز ابزار ارزشمندی است.

آشنایی بیشتر با سیستم های سایبری-فیزیکی (CPS)

سیستم های سایبری-فیزیکی (CPS) ماهیتی محاسباتی و مشارکتی دارند و از قابلیت اتصال قوی با دنیای فیزیکی اطراف برخوردار هستند. این دستگاه های فیزیکی با سنسورهای تعبیه شده ، نرم افزار ، اتصال شبکه و همچنین قابلیت های محاسباتی ساخته شده اند و می توانند در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و تجاری از دستگاه ها و وسایل نقلیه گرفته تا لوازم خانگی و پوشیدنی ها استفاده شوند.

چنین قابلیت هایی از طریق اینترنت اشیا (IoT) و اینترنت سرویس (IoS) فراهم می شوند ، که امکان دسترسی از راه دور ، سرویس های هوشمند و تجزیه و تحلیل داده های بزرگ را به صورت آنلاین و در زمان واقعی فراهم می کنند.

چالش های موجود در ساخت و اجرای CPS

در مورد طراحی ، ساخت و اجرای CPS ، چالش های اساسی به شرح زیر است:

• ایجاد قابلیت همکاری تاثیرگذار
• استاندارد سازی روش های عملیاتی و ساخت
• مدل سازی و پیکربندی در زمان واقعی
• ایجاد سطح امنیتی سایبری بالا

البته سیستم های سایبری-فیزیکی و اینترنت اشیا با چالش های مختلفی روبرو است که بیشتر مربوط به حجم گسترده ای از داده های موجود و پردازش شده با استفاده از این فناوری می شود. مانند: مدیریت کارآمد داده ، داده کاوی ، رعایت سطح حریم خصوصی ، افزایش امنیت سایبری و همینطور مسئله چرخه نوآوری و تکامل بیش از حد شتاب زده فناوری های مرتبط با اینترنت اشیا.

موبایل و سیستم های سایبری- فیزیکی

دستگاه های اینترنت همراه مانند تلفن های آیفون و آندروید ، با افزایش قدرت پردازش ، دامنه حسگرها و اتصالات سلولی فراگیر ، در حال حاضر بسترهای گسترده ای را برای ساخت برنامه های IoT / CPS قوی ، قابل اعتماد و ایمن فراهم می کنند.

برای روشن تر شدن موضوع به یک مثال از الگوریتم مسیریابی پویا برای وسایل نقلیه در موبایل اشاره می کنیم. این الگوریتم با پیش بینی وضعیت ترافیک به بهبود عملکرد شما در مسیریابی کمک می کند. ایده اصلی الگوریتم پیشنهادی استفاده از اطلاعات مربوط به ترافیک در زمان واقعی و پیش بینی شده است که توسط یک کنترل کننده مسیریابی مرکزی ارائه می شود.

برای ارزیابی عملکرد ، برنامه نویسان یک شبیه ساز میکروترافیک ایجاد کرده اند که شبکه های جاده ای ایجاد شده از نقشه های واقعی ، الگوریتم های مسیریابی و وسایل نقلیه را فراهم می کند که بسته به شرایط ترافیک از مبدا به مقصد می روند. عملکرد توسط یک معیار تازه تعریف شده ارزیابی می شود که توزیع های زمان سفر را با دقت بیشتری نسبت به متریک متداول زمان سفر نشان می دهد.

سناریوهای ترافیکی در مواردی گنجانده شده اند که همه وسایل نقلیه با استراتژی پیش بینی با مسیریابی پویا پیشنهادی مطابقت ندارند. حتی در این شرایط ، نتایج حاکی از آن است که بیش از نیمی از الگوریتم مسیریابی جدید حتی در صورت رعایت ۳۰٪ از وسایل نقلیه نیز تحقق می یابند.