साइबर-भौतिक प्रणाली

साइबर-भौतिक सिस्टम (सीपीएस) या बुद्धिमान सिस्टम ऐसी कंप्यूटर सिस्टम है, जिसमें सिस्टम इंजीनियरिंग को कंप्यूटर पर आधारित एल्गोरिदम द्वारा नियंत्रित या मॉनिटर किया जाता है। साइबर-भौतिक प्रणालियों में, भौतिक और सॉफ्टवेयर घटक सघनता से आपस में जुड़े रहते हैं, इस प्रकार अलग-अलग पैमाने या अनुपात पर कार्य करने में सक्षम होते हैं, इस प्रकार कई और विशिष्ट व्यवहार करने वाले इस प्रकार के विभिन्न विधियों के रूप में प्रदर्शित करते हैं, और इसके संदर्भ के साथ इसके परिवर्तित विधियों से ये आपस में संचरण करते हैं। यहाँ पर सीपीएस में ट्रांसडिसिप्लिनारिटी दृष्टिकोण, साइबरनेटिक्स, मेकाट्रोनिक्स, डिजाइन और प्रक्रिया विज्ञान के विलय सिद्धांत सम्मिलित हैं। प्रोसेस कंट्रोल को अधिकांशतः अंतः स्थापित सिस्टम के रूप में जाना जाता है। इस प्रकार एम्बेडेड सिस्टम में, कम्प्यूटेशनल तत्वों पर अधिक बल दिया जाता है, और कम्प्यूटेशनल और भौतिक तत्वों के बीच गहन लिंक पर कम रहता हैं। इसके आधार पर सीपीएस भी इंटरनेट आफ थिंग्स (आईओटी) के समान है, जो समान मौलिक आर्किटेक्टर साझा करता है, फिर भी, सीपीएस भौतिक और कम्प्यूटेशनल तत्वों के बीच उच्च संयोजन और समन्वय प्रस्तुत करता है।

सीपीएस के उदाहरणों में समार्ट ग्रिड, स्वायत्त ऑटोमोबाइल सिस्टम, चिकित्सा जाँच , औद्योगिक नियंत्रण सिस्टम, रोबोटिक्स सिस्टम, पुनर्चक्रण और स्वचालित पायलट एवियोनिक्स सम्मिलित हैं।  इस प्रकार साइबर-भौतिक प्रणालियों के अग्रदूत एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव, रासायनिक प्रक्रियाओं, नागरिक मौलिक प्रारूप, ऊर्जा, स्वास्थ्य देखभाल, विनिर्माण, परिवहन, मनोरंजन और घरेलू उपकरण जैसे विविध क्षेत्रों में पाए जा सकते हैं।

अवलोकन
अधिक पारंपरिक एम्बेडेड सिस्टम के विपरीत, पूर्ण विकसित सीपीएस को सामान्यतः स्टैंडअलोन डिवाइस के अतिरिक्त भौतिक इनपुट और आउटपुट के साथ इंटरैक्ट करने वाले तत्वों के कम्प्यूटर नेटवर्क के रूप में डिज़ाइन किया गया है। यह धारणा रोबोटिक्स और सेंसर नेटवर्क की अवधारणाओं से निकटता से जुड़ी हुई है, जिसमें कम्प्यूटेशनल इंटेलिजेंस के उचित खुफिया तंत्र सम्मिलित हैं। यहाँ पर विज्ञान और इंजीनियरिंग में चल रही प्रगति बुद्धिमान तंत्रों के माध्यम से कम्प्यूटेशनल और भौतिक तत्वों के बीच संबंध को उत्तम बनाती है, जिससे साइबर-भौतिक प्रणालियों की अनुकूलन क्षमता, स्वायत्तता, दक्षता, कार्यक्षमता, विश्वसनीयता, सुरक्षा और प्रयोज्य में वृद्धि होती है।

यह साइबर-भौतिक प्रणालियों की क्षमता को कई दिशाओं में विस्तारित करेगा, जिनमें सम्मिलित हैं: उदाहरण के लिए हस्तक्षेप या टकराव से बचाव के लिए, परिशुद्धता (उदाहरण के लिए, रोबोटिक सर्जरी और नैनो-स्तरीय विनिर्माण), खतरनाक या दुर्गम वातावरण में संचालन (उदाहरण के लिए, खोज और बचाव, अग्निशमन, और गहरे समुद्र में अन्वेषण), समन्वय (जैसे, हवाई यातायात नियंत्रण, युद्ध लड़ना), दक्षता (जैसे, शून्य ऊर्जा भवन|शून्य-शुद्ध ऊर्जा भवन), और संवर्धित बुद्धिमत्ता जैसे स्वास्थ्य देखभाल जाँच (चिकित्सा) और वितरण में उपयोग करते हैं।

मोबाइल साइबर-भौतिक सिस्टम
मोबाइल साइबर-भौतिक प्रणालियाँ, जिनमें अध्ययन के अनुसार भौतिक सिस्टम में अंतर्निहित गतिशीलता होती है, इस प्रकार साइबर-भौतिक प्रणालियों की प्रमुख उपश्रेणी हैं। मोबाइल भौतिक प्रणालियों के उदाहरणों में मोबाइल रोबोटिक्स और मनुष्यों या जानवरों द्वारा परिवहन किए जाने वाले इलेक्ट्रॉनिक्स सम्मिलित हैं। इसके आधार पर स्मार्टफोन की लोकप्रियता में होने वाली वृद्धि ने मोबाइल साइबर-भौतिक प्रणालियों के क्षेत्र में रुचि बढ़ा दी है। स्मार्टफ़ोन प्लेटफ़ॉर्म कई कारणों से आदर्श मोबाइल साइबर-भौतिक सिस्टम बनाते हैं, जिनमें सम्मिलित हैं:


 * महत्वपूर्ण कम्प्यूटेशनल संसाधन, जैसे प्रसंस्करण क्षमता, स्थानीय भंडारण इसके प्रमुख उदाहरण हैं।
 * एकाधिक संवेदी इनपुट/आउटपुट डिवाइस, जैसे टच स्क्रीन, कैमरा, GPS चिप्स, स्पीकर, माइक्रोफोन, लाइट डेटेक्टर, प्राॅक्सीमिटी सेंसर इसके प्रमुख उदाहरण हैं।
 * डिवाइसों को इंटरनेट या अन्य डिवाइसों से इंटरकनेक्ट करने के लिए कई संचार तंत्र, जैसे Wifi, 4जी, एज , ब्लूटूथ इसके प्रमुख उदाहरण हैं।
 * उच्च-स्तरीय प्रोग्रामिंग भाषाएँ जो मोबाइल सीपीएस नोड सॉफ़्टवेयर के तेजी से विकास को सक्षम बनाती हैं, जैसे जावा (प्रोग्रामिंग भाषा), सी शार्प (प्रोग्रामिंग भाषा) या सी#, या जावास्क्रिप्ट इसके प्रमुख उदाहरण हैं।
 * इस प्रकार से सरलता से उपलब्ध एप्लिकेशन वितरण तंत्र, जैसे गूगल प्ले स्टोर और एप्पल ऐप स्टेर इसके प्रमुख उदाहरण हैं।
 * अंतिम-उपयोगकर्ता रखरखाव और रख-रखाव, जिसमें बैटरी को बार-बार चार्ज करना भी सम्मिलित है।

ऐसे कार्यों के लिए जिनके लिए स्थानीय रूप से उपलब्ध संसाधनों की तुलना में अधिक संसाधनों की आवश्यकता होती है, स्मार्टफोन-आधारित मोबाइल साइबर-भौतिक सिस्टम नोड्स के तेजी से कार्यान्वयन के लिए सामान्य तंत्र मोबाइल सिस्टम को सर्वर या क्लाउड वातावरण से जोड़ने के लिए नेटवर्क कनेक्टिविटी का उपयोग करता है, जो जटिल प्रसंस्करण कार्यों को सक्षम करता है। स्थानीय संसाधन बाधाओं के अनुसार असंभव हैं। मोबाइल साइबर-भौतिक प्रणालियों के उदाहरणों में CO$2$ उत्सर्जन को ट्रैक और विश्लेषण करने के लिए एप्लिकेशन सम्मिलित हैं, इसी प्रकार यातायात दुर्घटनाओं, वाहन टेलीमैटिक्स का पता लगाएं और प्रथम उत्तरदाताओं को स्थितिजन्य जागरूकता सेवाएँ प्रदान करते हैं, इसी क्रम में यातायात मापें, और हृदय रोगियों की जाँच करने में सहायक होता हैं।

उदाहरण
सीपीएस के सामान्य अनुप्रयोग सामान्यतः सेंसर-आधारित संचार-सक्षम स्वायत्त प्रणालियों के अंतर्गत आते हैं। उदाहरण के लिए, कई वायरलेस सेंसर नेटवर्क पर्यावरण के कुछ पहलुओं की जाँच करते हैं और संसाधित जानकारी को केंद्रीय नोड पर रिले करते हैं। अन्य प्रकार के सीपीएस में स्मार्ट ग्रिड, स्वायत्त ऑटोमोटिव सिस्टम, चिकित्सा जाँच, ​​​​प्रोसेस कंट्रोल सिस्टम, वितरित रोबोटिक्स, रीसाइक्लिंग और स्वचालित पायलट एवियोनिक्स इसका मुख्य उदाहरण हैं।

ऐसे सिस्टम का वास्तविक दुनिया का उदाहरण एमआईटी में वितरित रोबोट गार्डन है जिसमें रोबोटों की टीम टमाटर के पौधों के बगीचे की देखभाल करती है। यह सिस्टम वितरित सेंसिंग के लिए प्रत्येक संयंत्र अपनी स्थिति की जाँच करने वाले सेंसर नोड से सुसज्जित है, इस कारण नेविगेशन, रोबोटिक्स और वायरलेस सिस्टम को जोड़ती है।

सीपीएस के नियंत्रण सिस्टम पहलुओं पर ध्यान केंद्रित किया गया है, जो महत्वपूर्ण मौलिक प्रारूप में व्याप्त है, जो इडाहो राष्ट्रीय प्रयोगशाला और फ्लैक्सिबल कंट्रोल सिस्टम पर शोध करने वाले सहयोगियों के प्रयासों में पाया जा सकता है। यह प्रयास अगली पीढ़ी के डिज़ाइन के लिए समग्र दृष्टिकोण अपनाता है, और उन फ्लैक्सिबल पहलुओं पर विचार करता है जो अच्छी तरह से निर्धारित नहीं हैं, जैसे साइबर सुरक्षा, मानवीय संपर्क और जटिल अन्योन्याश्रयताएँ इसका मुख्य उदाहरण हैं।

एक अन्य उदाहरण एमआईटी की चल रही कारटेल परियोजना है जहां टैक्सियों का बेड़ा बोस्टन क्षेत्र में वास्तविक समय की यातायात जानकारी एकत्र करके कार्य करता है। ऐतिहासिक डेटा के साथ, इस जानकारी का उपयोग दिन के किसी निश्चित समय के लिए सबसे तेज़ मार्गों की गणना के लिए किया जाता है।

सीपीएस का उपयोग उन्नत नियंत्रण करने के लिए इलेक्ट्रिक ग्रिड में भी किया जाता है, विशेष रूप से वितरित नवीकरणीय उत्पादन के एकीकरण को बढ़ाने के लिए स्मार्ट ग्रिड के संदर्भ में किया जाता हैं। वेव फार्म उत्पादन के बहुत अधिक होने पर ग्रिड में धारा प्रवाह को सीमित करने के लिए विशेष उपचारात्मक प्रतिक्रिया योजना की आवश्यकता होती है। इस प्रकार वितरित सीपीएस इस प्रकार के विवाद के लिए महत्वपूर्ण समाधान है।

उद्योग क्षेत्र में, क्लाउड कम्प्यूटिंग प्रौद्योगिकियों द्वारा सशक्त साइबर-भौतिक प्रणालियों ने नवीन दृष्टिकोणों को जन्म दिया है, इस प्रकार यूरोपीय आयोग IMC-AESOP परियोजना ने शिनाईज़ेर इलेक्ट्रिक, एसएपी एजी, हनीवेल, माइक्रोसॉफ्ट आदि जैसे साझेदारों के साथ उद्योग 4.0 का मार्ग प्रशस्त किया हैं।

डिज़ाइन
एम्बेडेड और साइबर-भौतिक प्रणालियों के विकास में चुनौती सॉफ्टवेयर और मैकेनिकल इंजीनियरिंग जैसे विभिन्न इंजीनियरिंग विषयों के बीच डिजाइन अभ्यास में बड़ा अंतर है। इसके अतिरिक्त आज तक डिज़ाइन अभ्यास के संदर्भ में ऐसी कोई भाषा नहीं है जो सीपीएस में सम्मिलित सभी विषयों के लिए सामान्य होता हैं। वर्तमान समय में ऐसे बाजार में जहाँ तेजी से नवाचार को आवश्यक माना जाता है, सभी विषयों के इंजीनियरों को सहयोगात्मक रूप से सिस्टम डिजाइन का पता लगाने, सॉफ्टवेयर और भौतिक तत्वों के लिए उत्तरदायित्व आवंटित करने और उनके बीच व्यापार बंद करने का विश्लेषण करने में सक्षम होने की आवश्यकता है। वर्तमान समय की प्रगति से पता चलता है कि सह-सिमुलेशन का उपयोग करके विषयों को युग्मित करने से विषयों को नए उपकरण या डिज़ाइन विधियों को लागू किए बिना सहयोग करने की अनुमति मिलेगी। माॅडेलिसर परियोजना के परिणामस्वरूप बताते हैं कि यह दृष्टिकोण कार्यात्मक मॉक-अप इंटरफ़ेस के रूप में सह-सिमुलेशन के लिए नया मानक प्रस्तावित करके व्यवहार्य है।

महत्व
यूएस राष्ट्रीय विज्ञान संस्था एनएसएफ ने साइबर-भौतिक प्रणालियों को अनुसंधान के प्रमुख क्षेत्र के रूप में पहचाना है। 2006 के अंत में, एनएसएफ और अन्य संयुक्त राज्य संघीय एजेंसियों ने साइबर-भौतिक प्रणालियों पर कई कार्यशालाओं को प्रायोजित किया जाता हैं।

यह भी देखें

 * डिजिटल ट्विन
 * इनडोर पोजिशनिंग सिस्टम
 * उद्योग 4.0
 * इंटेलिजेंट मेनटिनेंस सिस्टम
 * इंटरनेट आफ थिंग्स
 * रिस्पांसिव कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन
 * सिग्नल-फ्लो ग्राफ

अग्रिम पठन

 * Edward A. Lee, Cyber-Physical Systems - Are Computing Foundations Adequate?
 * Paulo Tabuada, Cyber-Physical Systems: Position Paper
 * Rajesh Gupta, Programming Models and Methods for Spatio-Temporal Actions and Reasoning in Cyber-Physical Systems
 * E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach, http://LeeSeshia.org, 2011.
 * Altawy R., Youssef A., Security Trade-offs in Cyber Physical Systems: A Case Study Survey on Implantable Medical Devices
 * Ahmad I., Security Aspects of Cyber Physical Systems

बाहरी संबंध

 * The CPS Virtual Organization
 * Cyber-Physical Systems Week conference Illustrates current research in the area
 * Transactions on Cyber-Physical Systems ACM Journal in this area