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25/06/2018

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di Giancarlo Magnaghi

I sistemi cyberfisici: quando gli atomi incontrano i bit

Ecco come funzionano e quali benefici possono portare nei processi aziendali i CPS, ossia quei sistemi composti da elementi fisici dotati di capacità definite dalle cosiddette ‘tre C’: capacità Computazionale, Comunicazione e Controllo.



A causa dell’elevato livello di virtualizzazione delle nostre esperienze, diventa sempre più difficile separare il mondo materiale, mondo degli atomi, dal mondo virtuale digitale, mondo dei bit, sia nella vita privata che negli ambienti produttivi. Nella definizione di Industria/Impresa 4.0, sono di basilare importanza i cosiddetti Sistemi Cyberfisici: sistemi tecnologici intelligenti composti da vari sottosistemi che interagiscono fra loro e con l’ambiente fisico e che fanno da ponte tra il mondo reale e mondo virtuale.

Evoluzione dei sistemi embedded
Negli ultimi anni si è verificata una notevole evoluzione dai sistemi puramente meccanici verso prodotti dotati di sistemi elettronici digitali integrati, embedded system, che ne gestiscono il funzionamento: macchine, elettrodomestici, apparati di regolazione o comunicazione, etc. La complessità dei sistemi integrati è in rapida crescita, e si stima che nel 2020 esisteranno 100 processori per ogni persona. Questi dispositivi, che migliorano i servizi esistenti o forniscono nuove soluzioni in tutti i campi, sono sempre più integrati tra loro in una rete che interagisce direttamente e dinamicamente con l’ambiente fisico, dando vita ai cosiddetti sistemi cyberfisici. Con Internet of Things, il mondo embedded incontra il mondo internet e il mondo fisico incontra il cyberspazio. A differenza di un sistema embedded tradizionale, un sistema cyberfisico non è un dispositivo isolato (standalone) ma è costituito da una rete di elementi interagenti con input e output fisici. Grazie alle informazioni di cui dispone nella sua sfera virtuale, il singolo componente fisico decentrato è in grado di supportare decisioni in maniera autonoma e di comunicarle direttamente agli altri componenti fisici. In tal modo i sistemi cyberfisici sono in grado di valutare autonomamente situazioni operative, adattarsi al contesto e supportare la presa di decisioni.

Sistemi Cyberfisici (CPS)
Un sistema cyberfisico (CPS, Cyber-Physical System) è composto da elementi fisici dotati di capacità definite dalle cosiddette ‘tre C’: capacità Computazionale, Comunicazione e Controllo. Le strutture di calcolo e comunicazione, rappresentate dal prefisso ‘cyber’, formano un sistema distribuito che interagisce direttamente e dinamicamente con il sistema fisico in cui opera e con il mondo reale che lo circonda. Un CPS è un sistema di elementi computazionali collaborativi che controllano entità fisiche basata su differenti tecnologie abilitanti, riunite in un sistema autonomo, intercomunicante e intelligente capace di operare in tre fasi: generazione e acquisizione dei dati, elaborazione e aggregazione dei dati acquisiti e supporto al processo decisionale grazie alla possibilità di trasformare grandi moli di dati in informazioni a valore aggiunto. In un CPS, gli oggetti fisici sono affiancati dalla propria rappresentazione nel mondo digitale e sono integrati con elementi dotati di capacità di calcolo, memorizzazione e comunicazione, collegati in rete tra loro. Il termine ‘fisico’ si riferisce all’oggetto così come è percepito dai nostri cinque sensi, mentre il termine ‘cyber’ fa riferimento all’immagine virtuale (Digital Twin, gemello digitale) che descrive l’oggetto reale tramite un modello matematico dinamico. La parte ‘cyber’ e la parte fisica sono strettamente integrate sia a livello di progetto che come operatività.

Un CPS è costituito da tre sottoinsiemi fondamentali: i sensori, gli attuatori e l’intelligenza decentralizzata. Con l’aiuto dei sensori integrati, il CPS è in grado di rilevare la sua situazione operativa all’interno dell’ambiente in cui si trova e di fornire informazioni approfondite sul suo stato e sulla sua posizione. Gli attuatori servono a svolgere azioni e mettere in pratica le decisioni correttive necessarie per ottimizzare operazioni o processi. Le decisioni vengono definite tramite un’intelligenza decentrata che, valutando le informazioni dei propri sensori e quelle fornite da altri CPS, elabora in tempo reale i possibili scenari di scelta e determina quello più adatto, informando parallelamente gli attuatori e gli altri CPS. Macchine e prodotti comunicano tra loro, con l’uomo e con l’ambiente. Questi sistemi trasformano sistemi tradizionali in sistemi intelligenti. Le macchine ‘parlano’ ai prodotti e alle altre macchine, gli oggetti forniscono dati critici e le informazioni sono elaborate e distribuite in tempo reale. Le applicazioni dei sistemi CPS hanno in comune la complessità, il numero notevole di variabili e la necessità di fornire i risultati delle elaborazioni in tempi molto brevi.

Tra le possibili applicazioni: sistemi e dispositivi medicali, controllo intelligente del traffico, sistemi di trasporto avanzati, controllo di processo, sistemi di produzione e distribuzione dell’energia (Smart Grid), controllo ambientale, avionica, controllo di infrastrutture critiche, sistemi di difesa, robot cooperanti, fabbriche intelligenti (Smart Factories) edifici e città intelligenti (Smart Building e Smart Cities) e strutture ‘smart’ in genere.

Architettura dei CPS

L’architettura di un CPS è organizzata su cinque livelli:

Smart connection: capacità di gestire e acquisire dati in tempo reale grazie a sensori intelligenti e di trasferirli in rete.

Data-to-information conversion: capacità di aggregare i dati e di convertirli in informazioni a valore aggiunto.

Cyber Level: capacità di rappresentare in tempo reale il mondo reale in una realtà digitale (Digital Twin).

Cognition: capacità di identificare diversi scenari e di supportare un corretto processo decisionale.

Configuration: capacità di fornire alla realtà fisica feedback da quella virtuale e di applicare le azioni correttive prese al livello precedente.

L’architettura a 5 livelli di un sistema Cyberfisico

Il Digital Twin è una copia virtuale esatta di un sistema reale su cui fare test e prove con la capacità di simulare, non solo il prodotto, ma anche i processi di produzione, per evitare problemi o errori che potrebbero causare costi e ritardi sulle consegne. Verificare in modo preventivo ogni possibile problema aumenta la velocità e l’efficienza dei processi. L’utilità dei ‘gemelli digitali’ è trasversale a tutte le industrie manifatturiere operanti nei più diversi settori industriali. Una delle funzioni più utili è il Virtual Commissioning: la riproduzione in maniera virtuale del comportamento fisico di un macchinario o impianto attraverso una simulazione software. Il Virtual Commissioning permette di valutare il comportamento di un sistema ancora prima di avere il prodotto assemblato, eliminare gli errori, verificare l’allineamento alle specifiche e aspettative del cliente, riducendo significativamente i tempi di consegna e i costi delle correzione di problemi di progettazione.

Benefici ottenibili con i CPS
I CPS sono ancora in fase di sviluppo, ma potranno produrre diversi benefici di vario genere e modificare in maniera sostanziale il paradigma di produzione tradizionale, favorendo nuovi modelli e forme i produzione. Le nuove unità produttive saranno basate sulla capacità dei sistemi di adattarsi in tempi brevissimi alle nuove richieste del mercato in termini di tempo di risposta e di personalizzazione. L’implementazione dei CPS nell’ambiente di fabbrica può garantire elevati livelli di efficienza nell’utilizzo di impianti flessibili e multifunzionali, e favorisce un utilizzo più efficiente delle risorse, poiché diventa possibile integrare tutte le fasi di produzione, a monte e a valle, e produrre solo i prodotti effettivamente richiesti dal consumatore. Uno studio europeo classifica i possibili benefici ottenibili dai CPS in sei categorie:

New data driven services and business models. I CPS sono in grado di abilitare nuove opportunità di business che consentono all’azienda di essere più vicina ai bisogni dei clienti, grazie alla maggiore offerta di servizi ad alto valore aggiunto pensati e offerti sulla base delle esigenze delle domanda: generazione delle informazioni in tempo reale, reazione veloce e flessibile ai cambiamenti del mercato, creazione di nuove forme di collaborazione.

Data-based improved products. Grazie ai CPS, il prodotto si trasforma in un oggetto intelligente in grado di comunicare dentro e fuori la fabbrica condividendo informazioni a diversi livelli, consentendo una migliore comprensione e configurazione dei processi e dei servizi e apportando un maggiore valore aggiunto. I CPS integrati nei prodotti consentono al produttore di avere informazioni circa il loro utilizzo e ottenere feedback da parte dei clienti.

Closed-loop manufacturing. Benefici abilitati dai CPS che vanno al di là dei confini della fabbrica e contribuiscono a creare una zero-waste supply chain.

Cyberized plant/Plug & Produce. Vantaggi che i CPS apportano a livello di unità produttiva, consentendo una migliore gestione delle informazioni e facilitando migliori prestazioni: flessibilità e riconfigurabilità del sistema produttivo, ottimizzazione della gestione, manutenzione predittiva, tracciabilità del prodotto, controllo qualità.

Next step production efficiency. Miglioramento della gestione della fabbrica grazie alle capacità dei CPS: produzione più efficiente, produzione di piccoli lotti, ottimizzazione della gestione del magazzino, processi produttivi più veloci e precisi.

Digital ergonomics. Trasferimento delle conoscenze più veloce, miglioramento della worker experience e del supporto al lavoro, realtà aumentata, interfacce cyberfisiche anche nei beni di consumo, possibilità di ottenere elevati livelli di efficienza nell’utilizzo di impianti flessibili e multifunzionali.

 

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