Sistemas Ciberfísicos

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)


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


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


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


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


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


Trascender Espaço e Controlar Seu Mundo


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


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


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


• 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?


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


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


Muitas visões diferentes

Smart Grid


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


Olhos e ouvidos inteligentes em todo lugar


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


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


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


Melhora nos padrões de vida:

Veículos que não batem


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


Desafio DARPA 2007

Campeão CMU

Sensores:• Lidar

• Câmeras

• GPS/IMU

• Radar

Proposta CPS: Veículos Autônomos


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


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...


Melhora nos padrões de vida:

Saúde (eHealth)


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


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


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


Modelagem


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.


Visões Divergentes


Ex. Sistema de Energia Elétrica de uma Aeronave

Fisicamente:• Geradores

• Contactores

• Barramentos

• Cargas

Modelos e Modelos


Como podemos definir interfaces entre os componentes de forma a convergir as disciplinas de engenharia e esclareça requsititos e expectativas

Desafio: Como Unir?


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


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


Self Localization and Mapping

SLAM


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)


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]

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