虛實整合系統(CPS)永續性的整體評估

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科技產業資訊室(iKnow) - 洪長春發表於 2022年5月10日

圖、虛實整合系統(CPS)永續性的整體評估

許多國家為全球市場爭取領導地位，嘗試實施新的生產組織方法，這些方法都包含在工業 4.0 的概念中。第四次工業革命框架下現代製造業的資訊和技術基礎包括虛實整合系統，廣泛應用於各個領域，在數位經濟發展中發揮著重要角色。創新型企業，如智慧工廠，是一個數位化生態系統，其中實體過程都被整合到一個共同的統一資訊空間中，即自動化的產品生命週期管理；確保有效利用大數據；優化建構生產流程；計算系統集成到生產過程中；實施物聯網技術，確保自動化設備和軟件的兼容性[2]。集成技術解決方案體系的實際應用，可以在最短的時間內生產出具有全球競爭力的新一代產品，從工件到成品，其顯著特點是自動化程度高、機器人化程度高，消除了人為因素以及導致品質損害的相關錯誤（無人生產）[3,4]。

CPS 永續性的重要性
虛實整合系統(Cyber-Physical System，CPS)可用於創建諸如智慧城市、智慧電網、自動汽車系統、醫療監控、農業過程控制系統等複雜物件。在管理情況和系統越來越複雜的情況下，有必要使用基於CPS的分佈式智慧網絡管理。網絡物理系統的廣泛引入為社會經濟發展提供了新的機會，但同時也增加了有關風險。

根據專家簡介，在資訊、能源、工業、經濟和全球安全方面存在高風險的情況下，虛實整合系統可能容易受到攻擊[5,6]。據此，考慮到隨著時間的推移，越來越多的設施將基於該技術，確保 CPS 的永續性變得非常重要，尤其是在外部環境高度不確定和動蕩的環境下，如何評估CPS永續性的科學重點，以確保其要素的可靠性和壽命、它們的相互關係和相互作用，以及該系統在外部環境充滿動態和不確定性的條件下如何有效運行和發展。

CPS的定義
2006 年美國NSF之Helen Gill引入了“虛實整合系統”一詞，指的是由自然物件、人工子系統和控制器組成的複合體(complexes)。現代化的生產和經濟最重要問題與這些系統密切相關。CPS有許多不同的定義，例如CPS由多個完整子(holons)的 holarchy 表示[7]，或者 CPS是一個複雜的分佈式系統，由電腦演算法進行管理、控制，並與網路(Internet)及其用戶緊密集成在一起[8]，物聯網 (IoT)構成了CPS重要的技術基礎。

CPS可以視為運算和實體的複雜系統，不斷從環境中接收數據並使用這些數據進一步優化管理流程。工業 4.0的特點是將 CPS實施到生產過程中，假設這些系統將組合成一個共同的網絡，相互即時通訊，自我調適和自我學習新的行為模型，這樣的網絡將能夠以最少的錯誤執行一個流程，與所生產的商品進行互動，並在必要時適應消費者新的要求。

CPS的基本要素
根據文獻[8-14]的分析確定 CPS 的主要基本要素有：

支援技術，包括：提供“人-機”、“機-機”、通信、無所不在的計算、嵌入式系統、雲技術、特殊網絡交換技術和模糊邏輯的物聯網。
物理環境的組成部分，特別是識別、測量、數據傳輸、數據處理工具、不同的接口、伺服器設備、診斷設備、生產設備，包括自動化元件：感測器、控制設備、執行器、機器人、機床和智慧系統。
資訊環境的組件，例如產品生命週期管理系統 (PLM)、產品數據管理系統 (PDM)、企業資源規劃系統 (ERP)、製造執行系統 (MES)、監督控制和數據採集 (SCADA)、可編程邏輯控制器(PLC)和OpenStack(實現雲平台功能的軟件包)。

由於使用不同的支援技術，CPS 實體組成部分和資訊組件可以密切相關聯。每個組件在不同的空間和時間尺度上運行，展示出許多不同的行為模型，並以多種方式與其他組件互動。總體而言，上述元素構成了構建多個 CPS 概念和組件模型的基礎。

CPS的主要屬性
在設計CPS的功能時應考慮有永續性、自編程、適應性、自主性、效率、功能性、無縫性、可靠性、自學能力、可用性、透明度、對人類環境的友善性、快速運行和適應環境變化、複雜性(進入組件的數量)、高功耗、創造產品價值和經濟附加價值。

從安全的角度來看，CPS 的具體特性是：模組化(modularity)、異質性(heterogeneity)、去中心化(decentralization)和互操作性(interoperability) [15]。最重要的是，永續性是CPS的主要屬性，它決定了在市場上的競爭力和需求。

CPS 的永續性
CPS 的功能經常或週期性地受到各種影響，例如在控制子系統、人機界面、部分組件設備、互動之協議、網絡設備和標準等。CPS的永續性視為 CPS 在不穩定影響條件下維持管理流程連續性的能力，透過協調其組成部分保持內部狀態的恆定性，以維持動態平衡，恢復失去的平衡，並克服外部和內部環境因素的影響。

總體而言，永續性反映了系統內部CPS元件的強度和可靠性, 垂直、水平和其他連接，承受內外載荷的能力，以及在任何外部或內部因素突然破壞後恢復已建立的正常狀態之能力，此處強調 CPS 永續性的動態重要性。

維持CPS發展的重要性是保持效率上不降低增長率，不僅是現在，而且在未來，這種動態發展的特點是變化前後的 CPS 結構具有一定的比例。不同 CPS 組件之間比例和連接的紊亂會導致不穩定，並且是從安全狀態過渡到危險狀態的信號。CPS 發展越可持續，其用戶活動受到威脅和損害的可能性就越小。

CPS 漏洞的主要原因是使用過時的硬體和軟體、不可靠的演算法、弱授權和驗證工具、工業傳輸協議中缺乏加密、未開發的稽核和事件登錄工具、人為因素以及必須對系統進行操作上的重大更改遇到重大困難的案例，更新操作系統、應用程式、實施安全工具和其他技術時系統自動阻塞的高風險。

CPS 永續性的關鍵績效指標
根據CPS的定義，文獻回顧[4-8]提到確定一組具有代表性的指標，從確保其目標功能的角度來表徵CPS的各種屬性。在設計CPS的指標性框架時，考慮所提到CPS永續性的主要問題。因此，提供了一組指標能夠估計CPS永續性的每個重要屬性[16]（如表 1所示）。

表 1. 評估虛實整合系統( CPS) 永續性的一組指標

就內容而言，上述指標反映了在制定管理決策過程中確定CPS實施的行動。任何新做出的管理決策，以及相應的一組已實施行動的變化，都會反映在 CPS 狀態的動態中，並決定其永續性的程度。另外有必要為CPS 動態發展需要實現的每個 CPS 永續性估計指標確定目標值。指標清單可以根據策略目標的調整和實現方式的不同而周期性變化。(2271字；圖1)

參考資料：
1. Elena Schislyaeva,, Elena Balashova , Inna Krasovskaya, Olga Saychenko and Elena Palkina, Integrated Estimation of a Cyber-Physical System’s Sustainability Energies. 2022, 15, 563.
2. Industry 4.0: What Prevents Russian Enterprises from Introducing New Technologies. Available online: https://news.rambler.ru/other/41215460-industriya-4-0-chto-meshaet-rossiyskim-predpriyatiyam-vnedryat-novye-tehnologii/
3. Smart Factories_Industry 4.0. Available online: https://consot.ru/post_smart-factory/
4. The Digital Economy and Society Index (DESI) 2020. Available online: https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/digitaleconomy-and-society-index-desi
5. Balashova, E.; Palkina, E.; Schislyaeva, E. Methodological Aspects of Strategic Controlling of Digital Transformation of Transport and Logistics System. Atlantis Highlights Comput. Sci. 2019, 1, 80–85.
6. Tarasov, I.V.; Popov, N.A. Industry 4.0: Transformation of Production Factories. Strateg. Decis. Risk Manag. 2018, 3, 38–53.
7. Wang, L.; Haghighi, A. Combined Strength of Holons, Agents and Function Blocks in Cyber-Physical Systems. J. Manuf. Syst. 2016, 40, 25–34.
8. Tsvetkov, V.Y. Cyber-Physical Systems. Int. J. Appl. Fundam. Res. 2017, 6, 64–65.
9. Zaborovsky, V.; Lukashin, A.; Muliukha, V. Cyber-physical Object Management Platform. Osp.ru 2014, 9. Available online: https://www.osp.ru/os/2014/09/13043846
10. Kupriyanovsky, V.P.; Namnot, E.D.; Sinyakov, S.A. Cyber-Physical Systems as the Basis of the Digital Economy. Int. J. Open Inf. Technol. 2016, 4, 18–25.
11. Palkina, E.S.; Zhuravleva, N.A.; Panychev, A.Y. New Approach to Transportation Service Pricing Based on the Stakeholder Model of Corporate Governance. Mediterr. J. Soc. Sci. 2015, 6, 299–308.
12. Kluczek, A.; Zegle ´n, P.; Matuš ˙íková, D. The Use of Prospect Theory for Energy Sustainable Industry 4.0. Energies 2021, 14, 7694.
13. Rehman, A.; Saba, T.; Haseeb, K.; Larabi Marie-Sainte, S.; Lloret, J. Energy-Efficient IoT e-Health Using Artificial Intelligence Model with Homomorphic Secret Sharing. Energies 2021, 14, 6414.
14. Zhilenkov, A.; Chernyi, S.; Emelianov, V. Application of Artificial Intelligence Technologies to Assess the Quality of Structures. Energies 2021, 14, 8040.
15. Zegzhda, P.D. Approaches to Estimation of the Security of Cyber-Physical Systems. Ruskripto 2017. Ruscrypto.ru. Available online: https://www.ruscrypto.ru/resource/archive/rc2017/files/09_zagzhda.pdf
16. Elena Schislyaeva,, Elena Balashova , Inna Krasovskaya, Olga Saychenko and Elena Palkina(2022). Integrated Estimation of a Cyber-Physical System’s Sustainability. Energies, 15, 563.

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