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Direttore responsabile Alessandro Longo

Cyber-Physical Systems

Creare sistemi “ciberfisici” affidabili: il Progetto DEIS

di Federica Villa e Marco Marcon, Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano

10 Mar 2017

10 marzo 2017

Molti settori – automotive, ferroviario, sanità, domotica – dipendono sempre di più dai sistemi CPS (Cyber-Physical-Systems) la cui affidabilità diventa fondamentale per evitare danni alle persone e blocchi temporanei di infrastrutture importanti. La sfida è stata accolta dal Progetto DEIS

Nella vita di tutti i giorni siamo circondati da computer che gestiscono il funzionamento di accessori, elettrodomestici, apparati di regolazione o comunicazione. Tali dispositivi giocano un ruolo fondamentale nella società, migliorando i servizi esistenti o fornendo nuove soluzioni in tutti i settori delle nostre industrie. Oggi questi dispositivi sono sempre più integrati tra loro in una rete che interagisce direttamente e dinamicamente con l’ambiente fisico, dando vita ai cosiddetti sistemi ciberfisici.

Negli ultimi anni si nota un evidente spostamento dei costi di produzione dai sistemi puramente meccanici verso i sistemi integrati (embedded systems). Ad esempio nel settore automobilistico i sistemi integrati sono responsabili del 25% del costo dei veicoli, inoltre il valore aggiunto dai componenti elettronici varia dal 40% per i veicoli tradizionali al 70% per i veicoli elettrici o ibridi. Questa complessità dei sistemi ciberfisici integrati è già molto alta ed è tutt’ora in crescita con tassi molto elevati. Si stima che nel 2020 esisteranno all’incirca 100 processori per persona!

Poiché i sistemi CPS (Cyber-Physical-Systems) hanno un notevole impatto in moltissimi ambiti, dalla mobilità, alla domotica alla salute, la loro affidabilità è fondamentale. Se non fossero affidabili, infatti, potrebbero arrecare danni alle persone e blocchi temporanei di infrastrutture importanti, con ricadute anche gravi su industrie e società. Per esempio è stato stimato da esperti di sistemi integrati che, in un’automobile, l’inversione di un singolo bit su bilioni di bit può causare la perdita del controllo del veicolo, o ancora che un errore software nel blocco radio centrale di una ferrovia può causare il deragliamento di un treno.

Ma come assicurare questa affidabilità? E’ questa una sfida molto complessa che richiede una stretta interazione tra tutti componenti di un sistema e, ad un livello più alto, tra tutti i sistemi che compongono un complesso sistema di sistemi (i cosiddetti system of systems).  Si dovranno affrontare tre sfide fondamentali. La prima consiste nel garantire uno scambio universale di informazioni sull’affidabilità di un sottosistema in sistemi complessi e eterogenei, spesso forniti da differenti produttori. Questo può avvenire attraverso lo sviluppo di meta-modelli disponibili su piattaforme ICT (Information and Communications Technology) open, che fornisco le basi per esprimere una sorta di identità digitale per l’affidabilità (Digital Dependability Identity, DDI). Questo approccio universale, open e di natura distribuita permetterà la collaborazione trasversale dei diversi partners commerciali nell’ingegnerizzazione dei CPS lungo la loro catena di produzione. La seconda è di semplificare lo sviluppo delle DDI, per non aggiungere oneri al produttore. In particolare si dovranno fornire ai produttori supporti per generare le DDI in modo semi-automatico, incrementale e indipendente dalla piattaforma di sviluppo, utilizzando le informazioni che forniscono le DDI dei sotto-componenti. Ciò è molto importante anche per facilitare l’integrazione di sistemi complessi ed eterogenei. La terza sfida è assicurare la flessibilità delle DDI, che siano quindi in grado di adattarsi in modo dinamico a scenari di utilizzo variegati e di interfacciarsi con diversi dispositivi. Infatti non è sempre possibile prevedere in fase di produzione in che modo un sistema dovrà interfacciarsi con l’ambiente circostante.

Se questi tre obbiettivi verranno effettivamente raggiunti si avrà un nuovo standard, che potrà essere utilizzato nello sviluppo di tutti i futuri CPS. Il livello di affidabilità e sicurezza raggiunto con un uso diffuso delle DDI permetterà quindi alle industrie europee e più in generale all’intera società di beneficiare di sistemi complessi di controllo e automazione.

La sfida di creare sistemi ciberfisici affidabili è stata recentemente accolta dal progetto DEIS, che si propone di sviluppare tecnologie microelettroniche e software in grado di integrare in modo affidabile molteplici soluzioni sensoristiche. DEIS (Dependability Engineering Innovation for Cyber-Physical Systems, ovvero Innovazioni Ingegnerizzate per l’Affidabilità dei Sistemi Ciberfisici) è un progetto finanziato dalla Commissione Europea, all’interno del programma Horizon 2020, che è da poco iniziato ed avrà durata triennale. Il progetto è coordinato da AVL, leader mondiale nello sviluppo motopropulsori a combustione interna, ed è composto da dieci partner, di cui quattro aziende (Siemens, General Motors, Ideas & Motion, Portable Medical Technology), tre università (Politecnico di Milano, University of Hull, University of York) e due centri di ricerca (Fraunhofer-Gesellschaft, Dundalk Institute of Technology), distribuiti in varie nazioni europee (Italia, Austria, Germania, Regno Unito e Irlanda). All’interno del progetto, i partner svilupperanno dei nuovi paradigmi, come ad esempio le DDI, e ne valideranno l’utilità in casi pratici di impiego nell’ambito automotive, ferroviario e della salute.

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