Os sistemas ciberfísicos (Cyber Physical Systems – CPS) são um tema de elevado interesse nos últimos anos (Sharma, Singh & Rana, 2020). Nas últimas décadas, as técnicas relacionadas ao CPS foram bem desenvolvidas, sendo aplicadas de forma ampla em setores como automação industrial, transporte inteligente, aeroespacial, monitoramento ambiental e redes inteligentes (Lyu, Ding & Yang, 2019).
Segundo Lee (2008), os CPS são a integração de computação com processos físicos. Ao combinar computação e comunicação com processos físicos, os CPS permitem que sistemas computacionais monitorem e interajam com o mundo físico (Wan, Man & Hughes, 2010). Por outro lado, para Mo, Wagle e Zuba (2014), os CPS são sistemas eletromecânicos que diferem de seus predecessores pela necessidade e capacidade de interagir de forma inteligente com ambientes do mundo real, apresentando desafios diversos e complexos.
Ao lidar com essas situações, os CPS aproveitam o poder da computação, comunicação, controle e coordenação para realizar suas tarefas atribuídas com eficiência (Mo, Wagle & Zuba, 2014). Os CPS possuem raízes nos primórdios da era digital, com o surgimento de sistemas embarcados individuais que foram conectados em sistemas embarcados em rede (Esterle & Grosu, 2016). Um exemplo na atualidade pode ser o dos transportes, em que o sistema embarcado aciona um único componente, como o airbag, no que o sistema em rede representa o veículo. Nessa simples analogia, importa destacar que os CPS não se tratam de um único veículo automotor, mas da interação do conjunto no mundo real. Desse modo, os CPS são sistemas embarcados em rede, distribuídos espacialmente, sensíveis ao tempo e multiescala, que conectam o mundo físico ao cibernético por meio de sensores (Esterle & Grosu, 2016). Nesse sentido, cabe entender que os sistemas computacionais que interagem com o mundo físico não são uma novidade e foram projetados há um bom tempo para auxiliar a humanidade em tarefas variadas.
A composição dos CPS envolve a integração de computação e redes, assim como processos físicos. Os processos físicos são monitorados e controlados por subsistemas cibernéticos embarcados por meio de sistemas em rede (Ashibani & Mahmoud, 2017). Esses processos físicos são realizados por diversos dispositivos minúsculos com capacidade de sensoriamento, computação e comunicação (muitas vezes sem fio). Para Bordel, Alcarria, Robles e Martín (2017), uma visão holística dos CPS considera a maioria dos seus componentes e integrações (Figura 1).
Figura 1 – Visão holística dos CPS
Fonte: Bordel, Alcarria, Robles & Martín (2017).
Na atual conjuntura, com crescente foco na capacidade de processamento de dados, comunicação de dados, integração de sistemas com dispositivos físicos, a demanda pela integração de CPS, em diversas áreas, tem crescido significativamente, capturando a atenção não somente de universidades, mas também da indústria e agências governamentais. De acordo com Ashibani e Mahmoud (2017), os CPS são utilizados em diversas áreas, tais como: energia, petróleo, indústria hídrica, engenharia química, saúde, manufatura, transporte, sistemas automotivos, entretenimento, eletrodomésticos, etc.
Os CPS para aviônica, energia elétrica, controle de recursos hídricos e sistemas de defesa requerem precisão e confiabilidade (Wan, Man & Hughes, 2010). Veículos autônomos conectados em rede, por exemplo, podem aumentar drasticamente a eficácia das Forças Armadas, além de oferecer uma recuperação de desastres substancialmente mais eficaz (Lee, 2008). Entretanto, em setores como aviação e defesa, os CPS possuem desafios no desenvolvimento de novos protocolos de segurança (Bordel, Alcarria, Robles & Martín, 2017).
Além disso, em aviação e defesa, componentes de controle extremamente precisos são necessários, bem como o desenvolvimento de uma tecnologia para alta potência (Bordel, Alcarria, Robles & Martín, 2017). De fato, cumpre assinalar, todos os sistemas de defesa modernos, como aeronaves, espaçonaves, navios de guerra, veículos terrestres, entre outros, e subsistemas nesses sistemas são todos CPS (Liu, Peng, Wang, Yao & Liu, 2017). E, ainda, circuitos integrados, sistemas microeletromecânicos e nanoeletromecânicos também pertencem aos CPS.
Entretanto, redes de sensores sem fio (WSN), internet das coisas (internet of things - IoT) e sistemas ciberfísicos (CPS) são tecnologias diferentes dos CPS (Liu et al., 2017). Em vez de enfatizar a identificação do objeto, a WSN apenas detecta o sinal, mas não necessariamente identifica um objeto específico dentre vários outros detectados, ao passo que a IoT interconecta dispositivos de sensoriamento de informações, como sensores sem fio e identificação por radiofrequência (RFID), por meio de redes sem fio e tecnologia da Internet.
Um CPS é um sistema de equipamentos físicos em rede controlável, confiável e escalável, que integra profundamente as capacidades de computação, comunicação e controle com base na aquisição de informações na IoT (Liu et al., 2017). A IoT geralmente se limita à percepção, sem controle ou com controle limitado do mundo físico, enquanto o CPS não só possui a capacidade de sensorear o mundo físico, como também uma forte capacidade de controle.
A exigência de capacidade computacional para equipamentos dos CPS supera em muito a da IoT e das Redes de Sensores Sem Fio (WSN). Em resumo, os Sistemas Ciberfísicos (CPS) são caracterizados por uma combinação estreita e coordenação entre sistemas de rede e sistemas físicos. Pela integração orgânica e da colaboração profunda das tecnologias de computação, comunicação e controle (3C), eles podem realizar o sensoriamento em tempo real, o controle dinâmico e os serviços de informação de grandes sistemas de engenharia (Liu et al., 2017).
Nessa linha de raciocínio, comandantes e oficiais de inteligência rapidamente estão considerando que a análise avançada de dados é fundamental para a consciência situacional e o sucesso das operações (Trevino, 2019). Essa constatação se torna cada vez mais evidente com o amadurecimento dos CPS e da IoT. A análise de dados da próxima geração proporcionará vantagens estratégicas em todos os níveis, sobretudo com a integração dos CPS com a IoT.
Os CPS estão se disseminando rapidamente e, eventualmente, permearão todos os setores militares e de infraestrutura crítica de todos os países (Trevino, 2019). Desse modo, a análise avançada proporciona vantagens estratégicas difíceis de neutralizar, tanto no domínio militar quanto em inteligência. No cenário de intensa competição entre as potências, a pesquisa sobre a integração dos CPS com a IoT é crescente e incorpora outras tecnologias da Indústria 4.0, como: Inteligência Artificial (IA), big data analytics, blockchain, computação em nuvem, computação quântica, defesa e segurança cibernéticas, drones, metaverso, realidade aumentada etc.
Referências
Ashibani, Y., & Mahmoud, Q. H. (2017). Cyber physical systems security: Analysis, challenges and solutions. Computers & Security, 68, 81-97. https://doi.org/10.1016/j.cose.2017.04.005
Bordel, B., Alcarria, R., Robles, T., & Martín, D. (2017). Cyber–physical systems: Extending pervasive sensing from control theory to the Internet of Things. Pervasive and mobile computing, 40, 156-184. https://doi.org/10.1016/j.pmcj.2017.06.011
Esterle, L., & Grosu, R. (2016). Cyber-physical systems: challenge of the 21st century. e & i Elektrotechnik und Informationstechnik, 133(7), 299-303. https://doi.org/10.1007/s00502-016-0426-6
Lee, E. A. (2008, May). Cyber physical systems: Design challenges. In 2008 11th IEEE international symposium on object and component-oriented real-time distributed computing (ISORC) (pp. 363-369). IEEE. https://ieeexplore.ieee.org/document/4519604
Liu, Y., Peng, Y., Wang, B., Yao, S., & Liu, Z. (2017). Review on cyber-physical systems. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, 4(1), 27-40. https://ieeexplore.ieee.org/document/7815549
Lyu, X., Ding, Y., & Yang, S. H. (2019). Safety and security risk assessment in cyber‐physical systems. IET Cyber‐Physical Systems: Theory & Applications, 4(3), 221-232. https://doi.org/10.1049/iet-cps.2018.5068
Mo, H., Wagle, N. S., & Zuba, M. (2014). Cyber-physical systems. XRDS: Crossroads, The ACM Magazine for Students, 20(3), 8-9. https://xrds.acm.org/article.cfm?aid=2590778
Sharma, V., Singh, A. V., & Rana, A. (2020). Cyber Physical Systems-Implications and Challenges. In 2020 8th International Conference on Reliability, Infocom Technologies and Optimization (Trends and Future Directions)(ICRITO) (pp. 859-863). IEEE. https://ieeexplore.ieee.org/document/9197809
Trevino, M. (2019). Cyber physical systems. Prism, 8(3), 2-13. https://ndupress.ndu.edu/Portals/68/Documents/prism/prism_8-3/prism_8-3_Trevino_2-13.pdf
Wan, K., Man, K. L., & Hughes, D. (2010). Towards a unified framework for cyber-physical systems (cps). In 2010 first ACIS international symposium on cryptography, and network security, data mining and knowledge discovery, E-commerce and its applications, and embedded systems (pp. 292-295). IEEE. https://doi.org/10.1109/CDEE.2010.63
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