izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУizvestswsu-666Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentОбобщенные теоретические модели киберфизических системGeneralized Theoretical Models of Cyberphysical SystemsВатаманюкИ. В.VatamaniukI. V.

Ватаманюк Ирина Валерьевна, младший научный сотрудник лаборатории  автономных робототехнических систем

 

Irina V. Vatamaniuk, Junior Researcher, Laboratory of Autonomous Robotic Systems

St. Petersburg

vatamaniuk.i.v@gmail.comЯковлевР. Н.IakovlevR. N.

Яковлев Роман Никитич, младший научный сотрудник лаборатории автономных  робототехнических систем

14 линия В.О., д. 39, Санкт-Петербург, 199178

Roman N. Iakovlev, Junior Researcher,  Laboratory of Autonomous Robotic Systems

St. Petersburg

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наукSt. Petersburg Institute for Informatics and Automation of the Russian Academy of Sciences201923022020236161175Copyright © Ватаманюк И.В., Яковлев Р.Н., 20202020Ватаманюк И.В., Яковлев Р.Н.Vatamaniuk I.V., Iakovlev R.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/666Цель исследования

Цель исследования. Целью данной статьи является попытка унифицировать существующие видения киберфизических систем, ввести формальные модели киберфизических систем, рассмотреть сходства и отличия этого понятия со смежными информационно-технологическими концепциями.

Методы

Методы. В работе рассмотрены существующие видения киберфизических систем, их взаимосвязь со смежными информационно-технологическими концепциями, в частности, с «Интернетом вещей». Для решения поставленной задачи декомпозиции видений данных систем были использованы средства системного анализа и аппарат теории множеств.

Результаты

Результаты. В работе описаны высокоуровневая и теоретико-множественная модели киберфизических систем. Высокоуровневая модель системы описывает взаимосвязь между пользователями, преобразователями, логическим и физическим уровнями. Центральное место в киберфизических системах занимают преобразователи, которые предназначены для взаимодействия между логическими и физическими компонентами и представляют собой датчики и исполнительные механизмы. Множественная модель киберфизических систем учитывает возможность обмена энергией и информацией между компонентами. Кроме того, в работе предложена обобщенная динамическая модель функционирования киберфизической системы, отражающая процессы изменения состояния ее компонентов под воздействием влияния внешней среды и внутренних факторов.

Заключение

Заключение. Предложенная теоретико-множественная модель представляет собой основу для разработки и описания поведения киберфизических систем. Данная модель описывает взаимосвязь компонентов киберфизических систем и показывает влияние одного из параметра на все функциональные компоненты, с которыми данный параметр ассоциирован. Таким образом, для «интеллектуализации» окружения необходимо разработать ряд технических требований, учитывающий специфику функциональных компонент и роль пользователей, что позволит реализовать информационно-управляющие сервисы на основе данных об окружающей среде, поведении пользователя, его интересах и предпочтениях. 

Purpose of research

Purpose of research. The purpose of this article is to attempt to unify the existing views of cyberphysical systems, introduce formal models of cyberphysical systems, and consider similarities and differences between this concept and related information technology concepts. 

Methods

Methods. The paper considers the existing views of cyber-physical systems, their relationship with related information technology concepts, in particular, with the "Internet of things". To solve the problem of decomposition of the visions of these systems, we used the tools of system analysis and the set theory framework. 

Results

Results. The paper describes high-level and set-theoretic models of cyberphysical systems. The high-level system model describes the relationship between users, converters, and the logical and physical levels. Converters are the centerpiece of cyberphysical systems; they are designed to interact between logical and physical components and are sensors and agents. The set model of cyberphysical systems takes into account the possibility of exchanging energy and information between components. Besides, the paper offers a generalized dynamic model of the cyberphysical system functioning that reflects the processes of changing the state of its components under the influence of the environment and internal factors. 

Conclusion

Conclusion. The proposed set-theoretic model is the basis for developing and describing the behavior of cyberphysical systems. This model describes the relationship of components of cyberphysical systems and shows the impact of one of the parameters on all functional components with which this parameter is associated. Thus, in order to "intellectualize" the environment, it is necessary to develop a number of requirements that take into account the specifics of functional components and the role of users, which will allow implementing data management services based on data about the environment, user behavior, interests and preferences. 

киберфизическая системаинтернет вещейраспределенные системыкорпоративная информационная системадинамические модели программного управленияcyberphysical systemInternet of thingsdistributed systemsenterprise information systemdynamic program control modelsИсследование выполнено при поддержке РНФ (№16-19-00044П)The research was performed with the support of RSF (№16-19-00044П)ReferencesLee E.A., Seshia S.A. Introduction to embedded systems: A cyber-physical systems approach. Londоn: MIT Press, 2016.Lee E.A., Seshia S.A. Introduction to embedded systems: A cyber-physical systems approach. London, MIT Press Publ., 2016.Park K.-J., Zheng R., Liu X. Cyber-physical Systems: Milestones and Research Challenges // Editorial Computer Communications. 2012. № 36(1). P. 1-7. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2012.09.006Park K.-J., Zheng R., Liu X. Cyber-physical Systems: Milestones and Research Challenges. Editorial Computer Communications, 2012, no. 36(1), pp. 1-7. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2012.09.006Khaitan S.K., McCalley J.D. Design techniques and applications of cyberphysical systems: A survey // IEEE Systems Journal. 2014. № 9(2). P. 350-365. https://doi.org/10.1109/JSYST.2014.2322503Khaitan S.K., McCalley J.D. Design techniques and applications of cyberphysical systems: A survey. IEEE Systems Journal, 2014, no. 9(2), pp. 350-365. https://doi.org/10.1109/JSYST.2014.2322503Lu Y. Industry 4.0: A survey on technologies, applications and open research issues // Journal of Industrial Information Integration. 2017. № 6. P. 1-10. https://doi.org/10.1016/j.jii.2017.04.005Lu Y. Industry 4.0: A survey on technologies, applications and open research issues. Journal of Industrial Information Integration, 2017, no. 6, pp. 1-10. https://doi.org/10.1016/j.jii.2017.04.005Cyber-physical systems and Internet of Things / C. Greer, M. Burns, D. Wollman, E. Griffor // NST Special Publication. 1900. № 202. P.52. https:// doi.org/10.6028/NIST.SP.1900-202Greer C., Burns M., Wollman D., Griffor E. Cyber-physical systems and Internet of Things. NST Special Publication. 1900; 202: 52. https://doi.org/10.6028/NIST.SP.1900-202.Ma H. Internet of Things: Objectives and Scientific Challenges // Journal of Computer Science and Technology. 2011. № 26(6). P. 919-924. https://doi.org/10.1007/s11390-011-1189-5.Ma H. Internet of Things: Objectives and Scientific Challenges. Journal of Computer Science and Technology. 2011; 26(6): 919-924. https://doi.org/10.1007/s11390-011-1189-5.Minerva R., Biru A., Rotondi D. Towards a definition of the Internet of Things (IoT) // IEEE Internet Initiative. 2015. №1. P. 1-86. https://iot.ieee.org/images/files/pdf/IEEE_IoT_Towards_Definition_Internet_of_Things_Issue1_14MAY15.pdfMinerva R., Biru A., Rotondi D. Towards a definition of the Internet of Things (IoT). IEEE Internet Initiative, 2015, no. 1, pp. 1-86. https://iot.ieee.org/ images/files/ pdf/IEEE_IoT_Towards_Definition_Internet_of_Things_Issue1_14MAY15.pdfPICASSO Opportunity Report. Towards Enhanced EU-US ICT Pre-Competitive Collaboration. PICASSO Project; 2017 [процитировано 5 ноября 2019]. URL: http://www.picasso-project.eu/wp-content/uploads/2017/03/PICASSO-OpportunityReport_March-2017_revMar19.pdf)PICASSO Opportunity Report. Towards Enhanced EU-US ICT Pre-Competitive Collaboration. PICASSO Project; 2017 [Quoted November 5, 2019]. Available: http://www.picasso-project.eu/wp-content/uploads/2017/03/PICASSO-OpportunityReport_March-2017_revMar19.pdfYeboah-ofori A., Abdulai J., Katsriku F. Cybercrime and Risks for Cyber Physical Systems: A Review. Preprints 2018. 2018. https://doi.org/10.20944/preprints201804.0066.v1Yeboah-ofori A., Abdulai J., Katsriku F. Cybercrime and Risks for Cyber Physical Systems: A Review. Preprints 2018. 2018. https://doi.org/10.20944/preprints201804.0066.v1Ibarra-Esquer J.E., González-Navarro F.F., Flores-Rios B.L., Burtseva L., AstorgaVargas M.A. Tracking the evolution of the internet of things concept across different application domains // Sensors. 2017. №17(6). P. 1379. http://www.doi.org/10.3390/s17061379Ibarra-Esquer J.E., González-Navarro F.F., Flores-Rios B.L., Burtseva L., AstorgaVargas M.A. Tracking the evolution of the internet of things concept across different application domains. Sensors, 2017, no. 17(6), 1379 p. http://www.doi.org/10.3390/s17061379Ватаманюк И.В., Савельев А.И. Мобильная робототехническая платформа как компонент киберфизического интеллектуального пространства // Экстремальная робототехника. 2017. №1. C. 37-42.Vatamanyuk I.V., Saveliev A.I. Mobil'naya robototekhnicheskaya platforma kak komponent kiberfizicheskogo intellektual'nogo prostranstva [Mobile robotic platform as a component of cyber-physical intellectual space]. Ekstremal'naya robototekhnika = Extreme Robotics, 2017, no. 1, pp. 37-42 (In Russ.)Vatamaniuk I.V., Malov D.A., Levonevskii D.K. Modeling the QoE Estimation for Services of the Cyberphysical Intelligent Space // Proceedings of the 2018 IEEE Northwest Russia Conference on Mathematical Methods in Engineering and Technology (MMET NW). 2018. P. 436-439.Vatamaniuk I.V., Malov D.A., Levonevskii D.K. Modeling the QoE Estimation for Services of the Cyberphysical Intelligent Space. Proceedings of the 2018 IEEE Northwest Russia Conference on Mathematical Methods in Engineering and Technology (MMET NW). 2018, pp. 436-439.Левоневский Д.К., Ватаманюк И.В., Малов Д.А. Обеспечение доступности сервисов корпоративного интеллектуального пространства посредством управления потоком входных данных // Программная иженерия. 2019. № 10(1). C. 20-29. http://www.doi.org/10.17587/prin.10.20-29Levonevskiy D. K., Vatamaniuk I. V., Malov D. A. Obespechenie dostupnosti servisov korporativnogo intellektual'nogo prostranstva posredstvom upravleniya potokom vkhodnykh dannykh [Ensuring the Availability of Services of the Corporate Intellectual Space by Controlling the Flow of Input Data]. Programmnaya Ingeneria = Software Engineering, 2019, 10(1), pp. 20-29. (In Russ.). http://www.doi.org10.17587/prin.10.20-29.Иконникова А.В., Петрова И.А., Потрясаев С.А., Соколов Б.В. Динамическая модель комплексного планирования модернизации и функционирования информационной системы // Изв. высш. учебн. заведений: Приборостроение. 2008. № 11. C. 62-69.Ikonnikova A.V., Petrova I.A., Potryasaev S.A., Sokolov B.V. Dinamicheskaya model' kompleksnogo planirovaniya modernizatsii i funktsionirovaniya informatsionnoi sistemy [A dynamic model of integrated planning for the modernization and functioning of the information system]. Izv. vyssh. uchebn. zavedenij: Priborostroenie = Proceedings of Higher Educational institutions: Instrumentation, 2008, no. 11, pp. 62-69. (In Russ.).Соловьева И.В., Соколов Б.В. Алгоритм коррекции планов работы корпоративной информационной системы на основе метода позиционной оптимизации // Труды СПИИРАН. 2012. №1(20). C. 153-164. https://doi.org/10.15622/sp.20.8Solovyeva I.V., Sokolov B.V. Algoritm korrektsii planov raboty korporativnoi informatsionnoi sistemy na osnove metoda pozitsionnoi optimizatsii [Algorithm of plan operation correction of corporate information system based on the position optimization method]. Trudy SPIIRAN = SPIIRAS Proceedings, 2012, no. 1(20), pp. 153-164. (In Russ.). https://doi.org/10.15622/sp.20.8.U.S. Access Board (2010) Draft Information and Communication Technology (ICT) Standards and Guidelines (U.S. Access Board, Washington, DC); 2010 [процитировано 5 ноября 2019]. URL: https://www.accessboard.gov/attachments/article/560/draft-rule2010.pdfU.S. Access Board (2010) Draft Information and Communication Technology (ICT) Standards and Guidelines (U.S. Access Board, Washington, DC); 2010 [Quoted November 5, 2019]. Available at: https://www.accessboard.gov/attachments/article/560/draft-rule2010.pdfPallás-Areny R., Webster J. Sensors and Signal Conditioning. 2nd Edition. New York: John Wiley & Sons, 2012.Pallás-Areny R, Webster J. Sensors and Signal Conditioning. New York, John Wiley & Sons Publ., 2012.Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006. 410 с.Ohtilev M.Yu., Sokolov B.V., Yusupov R.M. Intellektual'nye tekhnologii monitoringa i upravleniya strukturnoi dinamikoi slozhnykh tekhnicheskikh ob"ektov [Intelligent technologies for monitoring and controlling the structural dynamics of complex technical objects]. Moscow, Nauka Publ., 2006, 410 p. (In Russ.).Dolgui A., Ivanov D., Sethi S. P., Sokolov B. Scheduling in production, supply chain and Industry 4.0 systems by optimal control: fundamentals, state-of-the-art and applications // International Journal of Production Research. 2019. №57(2). P. 411-432. https://doi.org/10.1080/00207543.2018.1442948Dolgui A., Ivanov D., Sethi S. P., Sokolov B. Scheduling in production, supply chain and Industry 4.0 systems by optimal control: fundamentals, state-of-the-art and applications. International Journal of Production Research, 2019, no. 57(2), pp. 411-432. https://doi.org/10.1080/00207543.2018.1442948.Микони С.В., Соколов Б.В. Юсупов Р.М. Квалиметрия моделей и полимодельных комплексов. М.: РАН, 2018. https://doi.org/10.31857/S9785907036321000001Mikoni S.V., Sokolov B.V., Yusupov R.M. Kvalimetriya modelei i polimodel'nykh komplekso [Qualimetry of Models and Polimodel Complexes]. Moscow, Russian Academy of Sciences Publ., 2018. (In Russ.). https://doi. org/10.31857/S9785907036321000001.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.