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.Industry 4.0

I CPS (Cyber-Physical System) e i loro “gemelli digitali”

I sistemi cyberfisici e l’Internet of things svolgono un ruolo sempre più importante nelle infrastrutture critiche e nella nostra vita quotidiana: automobili, dispositivi medici, controlli di costruzione, reti intelligenti ne sono un chiaro esempio

Un sistema CPS (dall’inglese Cyber-Physical System) è un dispositivo in grado di interagire in modo continuo con il mondo fisico in cui opera. Il sistema è composto da elementi fisici dotati delle cosiddette “tre C”: capacità computazionale, comunicazione e capacità di controllo. In ogni sistema CPS, il singolo elemento è il cosiddetto dispositivo “embedded”, ovvero un generico apparato di elaborazione elettronica; esempi di dispositivi embedded sono gli smartphone, le Ecu (Electronic Control Unit dei veicoli), i vari sensori IoT, qualunque scheda di controllo domotica e più in generale dispositivi general-purpose con un hardware e un firmware a bordo di caratteristiche predefinite.

Le applicazioni possibili dei sistemi CPS

Tra le possibili applicazioni dei sistemi CPS possiamo elencare: smart grid nel settore energy, controllo intelligente del traffico (ITS- Intelligent Transportation Systems), domotica, robotica, telecomunicazioni, fabbriche “smart” (Industry 4.0). Come disciplina, CPS rappresenta una branca del vasto campo dell’ingegneria, con focus sulla tecnologia e con forti fondamenta nell’astrazione matematica.

Data la varietà e complessità di questi sistemi e soprattutto dell’ambiente in cui operano con una connettività in continua espansione, si rende sempre più necessario simulare questo mondo per poter interagire con lo stato dei componenti CPS in maniera più facile e veloce.

Nasce così in parallelo il concetto di Digital twin, ovvero il “gemello virtuale” una rappresentazione virtuale dell’oggetto CPS, in cui questa immagine digitale deve essere connessa a quella fisica fino a diventare una vera e propria replica del mondo reale.

L’Enisa definisce l’Internet of Things (IoT) come un ecosistema cyber-fisico di sensori e attuatori interconnessi che consentono il processo decisionale (ENISA, 2018). Le informazioni sono al centro dei dispositivi IoT, alimentando un ciclo continuo di rilevamento, processo decisionale e azioni. L’IoT è strettamente legato ai sistemi cyber-fisici e, a questo proposito, è percepito come un fattore abilitante delle infrastrutture intelligenti (ad esempio Industria 4.0, rete intelligente, trasporto intelligente) facilitando servizi di alta qualità e supportando la fornitura di funzionalità avanzate.

Sistemi CPS in ambiente IoT

CPS e IoT svolgono un ruolo sempre più importante nelle infrastrutture critiche, nel governo e nella vita di tutti i giorni. Le automobili, i dispositivi medici, i controlli di costruzione e la rete intelligente sono esempi di CPS. Ciascuno include sistemi di rete intelligenti con sensori, processori e attuatori integrati che rilevano e interagiscono con il mondo fisico e supportano prestazioni garantite in tempo reale in applicazioni critiche per la sicurezza. L’area strettamente correlata dell’IoT continua ad emergere e a espandersi man mano che i costi diminuiscono e aumenta l’integrazione di sensori, piattaforme e reti

Il DHS (Department of Homeland Security) ha avviato in proposito un progetto chiamato CPSSEC per analizzare in dettaglio l’aspetto di cybersecurity.

Digital twin, definizione e caratteristiche

Nominato come uno dei 10 principali trend tecnologici strategici di Gartner nel 2019, Digital Twin è un modello simulato basato su cloud di un CPS, un oggetto o un servizio. Nonostante esista da oltre un decennio, la tecnologia ha appena iniziato a guadagnare slancio, grazie ai progressi nei campi di big data, IoT, machine learning, AR (Realtà Aumentata) e AI (Intelligenza Artificiale). Entro il 2020, Gartner stima che ci saranno più di 20 miliardi di sensori ed endpoint collegati e che i gemelli digitali esisteranno potenzialmente per miliardi di cose.

Il digital twin potrà scambiare dati, ricreare algoritmi, mostrare lo stato del funzionamento dei vari componenti coinvolti, rappresentando così un modello utilizzabile in ambienti di difficile interazione per l’essere umano come quello Industriale in generale.

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Questo modello digitale ben si presta anche ad attività nel campo cybersecurity, avendo in pratica a disposizione un vero e proprio laboratorio virtuale dove poter testare attacchi di tipo cyber senza nessuna conseguenza negativa (tipo messa fuori servizio dei veri sistemi di produzione) sui sistemi reali. Infatti questi sistemi embedded spesso hanno implicazioni sulla safety delle persone, a differenza della IT Security tradizionale, pertanto la relazione tra Security e Safety è molto più stretta.

Combinando i due mondi, quello fisico o reale e quello digitale o virtuale si può definire la nuova infrastruttura che stà nascendo come “infrastruttura globale per la società dell’informazione, che consente servizi avanzati di interconnessione per cose (fisiche e virtuali) basate su informazioni e comunicazioni interoperabili esistenti e in evoluzione”.

Come funziona un digital twin

Ci sono due principali modalità di funzionamento dell’ambiente virtuale: quella di “simulazione”, dove operando indipendentemente dall’ambiente fisico, si offre la possibilità di monitorare e esplorare un gemello virtuale senza rischi e la modalità di “replica”, e quella di riproduzione degli eventi a partire dall’ambiente fisico per visualizzazione e analisi. In ognuna di queste rappresentazioni virtuali, tante funzionalità possono essere studiate come la cybersecurity. Inoltre, i nuovi dispositivi fisici possono essere connessi e testati nell’ambiente virtuale, senza influenzare i sistemi di produzione. Anche i tester di sicurezza hanno la possibilità di esplorare liberamente e attaccare una replica virtuale del sistema reale.

Le applicazioni del digital twin

Le possibili applicazioni di questi concetti sono innumerevoli, dal settore delle fabbriche a quello dell’energia in primis, in pratica ovunque esista un settore che necessiti di innovazione per operare cambiamenti nei processi di business.

Ad esempio nel campo delle energie rinnovabili può sorgere l’esigenza di avere aggiornamenti in tempo reale sulle condizioni meteorologiche esterne e gli avvisi di guasto nel sistema, generati digitalmente, per aiutare gli operatori a prendere decisioni. Ecco che nascono sistemi digitali di analisi dei dati gemellati per le risorse di energia da fonti pulite. La loro soluzione integra il controllo di supervisione e l’acquisizione dei dati e i sistemi di monitoraggio remoto per fornire funzionalità come benchmarking, analisi delle cause alla radice per guasti, previsione delle prestazioni

Un altro esempio riguarda la possibilità di utilizzare l’analisi predittiva per prevedere guasti, malfunzionamenti o danni alle risorse energetiche. Ciò consente di ottimizzare il processo di manutenzione, passando da un modello di manutenzione reattivo a un modello predittivo, al fine di ridurre i tempi di fermo macchina non pianificati e specialmente quando le cause alla radice sono difficili da identificare.

Infine l’esempio classico di applicazione può essere quello della VR (Realtà Virtuale) che consente a progettisti, esperti e team operativi distribuiti di collaborare a potenziali modifiche o problemi basati su rappresentazioni 3D e utilizzando dati in tempo reale di sistemi esistenti senza essere fisicamente presenti in un luogo, consentendo loro di risparmiare sui costi di viaggio senza perdere tempo a prendere decisioni. Si sfrutta la realtà virtuale per creare uno spazio collaborativo per gli utenti in cui possono immergersi nei vari aspetti delle risorse energetiche, monitorare il loro stato online e rilevare aree per la risoluzione dei problemi o il miglioramento.

Gli standard di riferimento per i sistemi CPS

L’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 1451 definisce una serie di interfacce di comunicazione aperte, comuni e indipendenti dalla rete per trasduttori intelligenti (sensori o attuatori) per ottenere l’interoperabilità dei dati dei sensori tra componenti informatici e fisici del mondo CPS. L’architettura di alto livello IEEE 1516 (HLA) è uno standard per la modellazione e la simulazione di processi distribuiti ed eterogenei. La sperimentazione CPS richiede spesso l’integrazione di diversi strumenti di simulazione specifici del dominio in una piattaforma comune utilizzando un metodo chiamato co-simulazione.

L’HLA definisce i simulatori che partecipano a una co-simulazione come “federati” e l’insieme di questi che comprende la simulazione congiunta come ”federazione”. I federati comunicano e coordinano utilizzando un software chiamato Runtime Infrastructure (RTI) che implementa il set comune di servizi descritto nella specifica dell’interfaccia HLA federate.

Al fine di facilitare una vasta gamma di simulazioni ed esperimenti CPS, anche il National Institute of Standards and Technology (NIST) ha sviluppato un ambiente CPS universale per la federazione (UCEF – Universal CPS Environment for Federation), che è un set di strumenti open source (basato su macchina virtuale Linux) per la progettazione e l’implementazione di esperimenti per CPS usando i protocolli definiti nel IEEE 1516- HLA. Il gemello digitale è un simulatore digitale o una replica digitale di un vero sensore intelligente IEEE 1451. Il gemello digitale emula comportamenti desiderati, non lineari e modalità di errore per simulare un sensore reale sul campo.

Conclusioni

Poiché scienziati e ingegneri devono condurre esperimenti sofisticati che coinvolgono sistemi e “sistemi di sistemi” di complessità sempre crescente, sarà molto utile disporre di un banco di prova CPS multi dominio in ambiente federato, come quello messo a disposizione dal NIST. Tale banco di prova dovrebbe essere:

– riconfigurabile

– riproducibile

– scalabile

Il lavoro degli enti di standardizzazione consentirà di raggiungere a breve questi obiettivi.

 

 

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