Cyber physical systems (CPS), cosa sono, come stanno rivoluzionando il mondo industriale

Il concetto di sistemi cyber-fisici (o cyber physical systems – CPS) emerge per la prima volta nel 2006^[1], introdotto da Helen Gill della National Science Foundation, negli Stati Uniti, per indicare un piano di “sensazione e manipolazione locale del mondo fisico” correlato a un piano virtuale di “controllo e osservabilità in tempo reale”. Il concetto viene presentato come un’evoluzione dei sistemi embedded in cui la capacità computazionale e i suoi effetti scendono in profondità in ogni componente fisica del sistema e persino all’interno dei materiali.

A partire da questa visione iniziale, il concetto di CPS ha assunto nel tempo un’ampiezza che non ne facilita una sua concettualizzazione o una sua rappresentazione univoca e definitiva. La più comune definizione di CPS, come di un’integrazione di risorse computazionali e di processi fisici, appare ormai troppo semplificatoria poichè altri elementi, in particolare la connessione di rete su larga scala, sono entrati di diritto nel perimetro dei CPS.

Cyber physical systems, definizione

Possiamo allora parlare di CPS come di un’integrazione di sistemi di diversa natura il cui scopo principale è il controllo di un processo fisico e, attraverso il feedback, il suo adattamento in tempo reale a nuove condizioni operative. Questo risultato si ottiene dalla fusione di oggetti e processi fisici, piattaforme computazionali e reti di telecomunicazioni.

Il termine physical si riferisce a oggetti reali in quanto “percepibili” dai sensi umani, mentre il termine cyber si riferisce all’immagine virtuale in cui gli oggetti reali sono rappresentati e arricchiti di un livello aggiuntivo di informazioni. La relazione tra gli oggetti fisici e la loro “interpretazione” virtuale è stata da alcuni autori indicata con l’efficace definizione di “social network degli oggetti”^[2].

I CPS, dunque, si fondano su oggetti correlati che, attraverso sensori, attuatori e connessioni in rete, generano e acquisiscono dati di varia natura, riducendo così le distanze e le asimmetrie informative tra tutti gli elementi del sistema. Con l’aiuto di sensori diffusi, il CPS può determinare autonomamente il suo stato operativo corrente, all’interno dell’ambiente in cui si trova e qualunque sia la distanza tra gli oggetti che lo compongono. Gli attuatori svolgono le azioni pianificate e eseguono decisioni correttive, ottimizzando un processo o risolvendo un problema. Le decisioni sono assunte da un’intelligenza che valuta le informazioni interne al CPS e, in alcuni scenari, anche le informazioni provenienti da altri CPS. Quest’ultimo è il caso, ad esempio, di un aeroporto, dove molteplici CPS interagiscono per un obiettivo di operatività comune. Questo scenario è indicato come “cyber-physical systems of systems” o CPSoS.

Le caratteristiche dei CPS

Ma qual è il livello di automazione e indipendenza decisionale che permette di classificare un sistema come CPS? Per rispondere a questa domanda, alcuni autori introducono il concetto di “soglia di automazione”^[3] ponendola in corrispondenza di quei sistemi automatici dove i computer non solo raccolgono input dai sensori e inviano comandi conseguenti agli attuatori, ma hanno anche la responsabilità di “chiudere il loop” di controllo di alto livello senza l’elemento umano come intermediario. Attribuire questa soglia di automazione non è un compito banale poiché apre la discussione sul ruolo umano nei CPS.

È utile chiarire che i CPS non eliminano affatto la funzione dell’uomo ma piuttosto ne elevano i compiti a nuovi livelli di complessità. Gli esseri umani assumono il ruolo di istanza di controllo di più alto livello, supervisionando le operazioni di processi per lo più automatizzati e auto-organizzati. L’enfasi sull’elemento umano è importante per evitare di ridurre il CPS a un insieme di sole componenti tecnologiche orchestrate da funzioni automatizzate, arrivando a facili suggestioni fantascientifiche.

La comunicazione di rete è fondamentale nei CPS per consentire a oggetti diversi ed eterogenei di scambiare dati tra loro e con l’uomo, in qualsiasi momento e in qualsiasi condizione. Le prestazioni di comunicazione, in termini di latenza, larghezza di banda e affidabilità, incidono in larga misura sulle interazioni dinamiche tra sottosistemi nei CPS poichè i processi fisici sono la composizione dinamica di eventi che si svolgono in parallelo. Tuttavia, ogni CPS ha un’architettura specifica che richiede una piattaforma di rete in grado di soddisfare requisiti specifici. Ad esempio, la latenza è un elemento critico per tutti i casi in cui un controllore o un sistema avanzato di intelligenza artificiale devono prendere decisioni e azioni in tempo reale. Il supporto di una elevata densità di dispositivi connessi diviene, al tempo stesso, cruciale nei casi in cui il CPS si basi su una raccolta massiva di dati da sensori. In questo contesto, l’utilizzo di tecnologie 5G permette di rispondere a requisiti diversi con una stessa rete cellulare facendo leva sulle potenzialità del cosiddetto “network slicing”.

Per meglio comprendere il concetto di CPS è utile ricorrere a due esempi concreti.

Esempio n.1: le automobili smart

Le automobili di più recente produzione sono a tutti gli effetti identificabili come CPS. Esse hanno un computer di bordo in grado di controllare un numero sempre crescente di elementi e situazioni. Il sensore di prossimità, che rivela un rischio di collisione frontale, determina la decisione autonoma del computer di bordo di agire sugli attuatori-freni “chiudendo il loop” in un’azione di frenata automatica della quale il guidatore riceve solo l’informazione. La futura interazione tra automobili (abilitata da comunicazioni vehicle-to-vehicle), costituirà a tutti gli effetti uno scenario di CPSoS dove informazioni catturate da un sensore di un’automobile “A” potranno influire sulle azioni intraprese dall’automobile “B”, per lo scopo comune di evitare una collisione. L’ulteriore interazione con il sistema “infrastruttura stradale” arricchirà ulteriormente le potenzialità del CPSoS a condizione che la rete di telecomunicazioni sia in grado di connettere con efficacia tutti gli oggetti coinvolti.

Esempio n. 2: la fabbrica del futuro

Un secondo esempio è quello della fabbrica del futuro, largamente delineata nel paradigma dell’Industria 4.0. Questa sarà a tutti gli effetti un CPS dove, a tecnici altamente qualificati verranno fornite informazioni operative direttamente da macchine intelligenti controllate e coordinate da un’entità centrale. Ogni aspetto funzionale della fabbrica sarà coinvolto: dalla progettazione, alla produzione e alla catena di fornitura, per arrivare fino al servizio clienti.

È interessante notare, in questo contesto, il crescente interesse per le tecnologie di digital twin. Esse rappresentano il modo il cui l’enorme quantità di informazioni costruite al livello “cyber” del CPS tornano ad assumere un aspetto realistico e vengono presentate, tramite la realtà virtuale, ai tecnici che possono così associarle con semplicità al livello “physical”. Ericsson e Comau hanno presentato il digital twin in realtà virtuale di una linea di assemblaggio di portiere di un impianto automobilistico alla fiera di Hannover Messe^[4] 2019 e al Mobile World Congress Shanghai 2019. I CPS sono stati identificati proprio dal CTO^[5] di Ericsson come uno dei trend tecnologici in grado di influenzare lo sviluppo delle future piattaforme di rete.

Si può infine concludere che, per comprendere i CPS, occorre porsi nell’intersezione^[6], non nell’unione, tra il mondo fisico e il mondo cyber. Non è infatti sufficiente comprendere separatemente le componenti fisiche e quelle computazionali. È necessario, invece, capirne l’interazione e come questa è abilitata da reti sempre più orientate ad una comunicazione tra oggetti stabile, sicura e semplice.

1. NSF Workshop on Cyber-Physical Systems, October 16-17, 2006 | Austin, Texas ↑
2. https://www.causeit.org/the-social-network-of-things ↑
3. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sys.21509 ↑
4. https://www.industry4business.it/smart-manufacturing/ericsson-e-comau-realta-virtuale-e-5g-per-abilitare-lo-smart-manufacturing/ ↑
5. ↑
6. Lee EA, Seshia SA (2014) Introduction to embedded systems – a cyber-physical approach, LeeSeshia.org., Edition 1.5. http://LeeSeshia.org ↑