CHALLENGES ET OPPORTUNITÉS DES SYSTÈMES CYBER-PHYSIQUES

Jusqu'à la fin des années 1980, le traitement de l'information était associé à de grands ordinateurs centraux et d'énormes lecteurs de bande. Durant les années 1990, il a évolué pour être associé à l'usage des ordinateurs personnels, les PC. Depuis, la tendance à la miniaturisation a continué et la plupart des systèmes dédiés au traitement de l'information sont maintenant de petits modules de calcul intégrés dans des produits plus grands.

par Karine Gosse, directrice du CEA LIST.

 

On assiste, avec la présente décennie, à la prolifération de capteurs à bas coût, de capacité croissante et au facteur de forme de plus en plus petit et à l'apparition de composants de calcul aux performances croissantes, bas coût et consommant toujours moins. On est aussi au cœur de la révolution des communications sans fils fournissant en abondance un accès internet. Ces systèmes de calcul et de communications sont de plus en plus connectés à leur environnement physique et intégrés dans un nombre croissant d'objets et de systèmes.

L'émergence de cette nouvelle génération de systèmes intégrant des capacités de calcul avec des processus physiques (et même biologiques) et pouvant interagir avec les humains a conduit en 2006 Helen Gill du NSF  à introduire le terme de Systèmes de Cyber-Physiques (CPS pour Cyber Physical Systems). Ils font généralement appel à des boucles de rétroaction où les processus physiques influent sur les calculs et vice-versa. Cette capacité d'interagir avec le monde physique et d'en étendre les capacités par le calcul, la communication et le contrôle est un facteur clé du développement des technologies du futur.

Les challenges des systèmes cyber physiques

La recherche est aujourd’hui partitionnée en un ensemble de disciplines spécifiques et cloisonnées comme les capteurs, la communication et les réseaux, la théorie du contrôle ou l'informatique et l'ingénierie logicielle. Les systèmes sont conçus et analysés en utilisant une grande variété de formalismes et d'outils de modélisation sans liens entre eux. Chaque représentation, issue d'un domaine de recherche spécifique, met en évidence certaines caractéristiques sans tenir compte des autres. Typiquement, un formalisme particulier représentera soit un processus cyber soit un processus physique, mais pas les deux. L'expertise est de même morcelée au détriment de la productivité, la sécurité ou l'efficacité. Bien que cette approche puisse suffire à soutenir une vision des CPS fondée sur un ensemble de composants individuels, elle pose un problème pour la vérification et la sécurité au niveau système comme pour les interactions entre composants. Cela requiert une approche interdisciplinaire des systèmes au-delà des clivages en particulier pour résoudre les enjeux de la conception des architectures, du contrôle et du calcul distribué ainsi que de la vérification et de la validation.

 

Architectures

Pour permettre une conception et un déploiement rapide des CPS, il est nécessaire de développer des approches innovantes pour définir des architectures qui rendent possible une intégration transparente des éléments de contrôle, de communication et de calcul. Par exemple, les systèmes de communication sont décrits par un ensemble de couches dont les interfaces sont normalisées permettant une évolution modulaire de chaque couche. Cette conception globale a permis une intégration de systèmes hétérogènes dans un mode plug-and-play, ouvrant la voie à une prolifération des technologies et au développement d'Internet. De la même manière, les CPS requièrent la définition d'abstractions et d'architectures normalisées pour permettre l'intégration et l'interopérabilité des systèmes.

 

Calcul et contrôle distribué

La conception et la mise en œuvre de systèmes de contrôle en réseau posent plusieurs défis liés à la capacité à développer des calculs temps-réel et « event-driven », à gérer les pannes, la reconfiguration et les systèmes distribués d'aide à la décision. La conception de protocoles pour des réseaux sans fil garantissant la qualité de service temps réel, la résolution des écarts entre conception de lois de commande et complexité de leur mise en œuvre en temps réel, l’hétérogénéité entre systèmes continus et systèmes discrets, la gestion de la robustesse des grands systèmes constituent les défis majeurs que doit relever la recherche en CPS. Enfin la coopération de composants hétérogènes interagissant dans un environnement physique complexe et opérant sur différents niveaux spatiaux et temporels requiert une forte exigence de fiabilité et de sécurité.

 

Vérification et Validation

Les exigences des CPS nécessitent de développer les composants matériels et logiciels, les middleware, les systèmes d'exploitation au-delà des technologies existantes. Parce qu’ils intéragissentinteragissent directement avec le monde physique, matériel et logiciels doivent être fiables, reconfigurables, et, pour les plus critiques, être certifiés, depuis les composants jusqu'au système complet. Ces systèmes complexes doivent présenter un degré de fiabilité/confiance qui fait défaut à la plupart des infrastructures actuelles. Le surdimensionnement est actuellement la voie la plus utilisée pour la certification de système sûr. Pourtant, cette approche devient rapidement inextricable pour la conception de systèmes complexes coopératifs et interopérables. Le développement de méthodes fondées sur l’analyse et la preuve est nécessaire pour permettre d’obtenir des niveaux de confiance suffisants à coûts maîtrisés. Il est nécessaire d’appliquer les concepts de vérification et de validation à la fois au niveau de la conception des systèmes et de l’adaptation des logiciels de contrôle existants. Cette exigence sera le moteur du développement de nouveaux modèles, méthodes et outils, notamment pour permettre la validation de systèmes adaptatifs.

 

Opportunités

L’identification des besoins, enjeux et opportunité pour l’industrie permettra d’accélérer les développements de la recherche dans les CPS. Récemment la Commission Européenne a initié un mouvement majeur dans le domaine en fusionnant trois partenariats public-privés (Artemis, Eniac et EPOSS) en un seul partenarial ECSEL rassemblant toutes les disciplines nécessaires pour les CPS (composants matériels, logiciels et communication et systèmes de contrôle). Le besoin de développer des systèmes cyber-physiques est tiré par les secteurs comme l’aéronautique et l’aérospatiale, les systèmes de santé, la défense, la gestion de l’énergie (des bâtiments dits intelligents aux éco-quartiers des « smart cities ») et le contrôle/automatisation des systèmes de production. En particulier, le concept d’« Industrie 4.0 » introduit en Europe sous l’impulsion de l’Allemagne pour passer à la production intelligente repose sur l’utilisation des systèmes cyber-physiques pour développer une industrie intelligente (smart manufacturing) Selon le Germany Trade & Invest (GTAI), l’Agence fédérale de promotion du commerce extérieur et des investissements, « industrie 4.0 » préfigure la quatrième révolution industrielle qui s’achemine vers un Internet des objets, données et services. On y envisage une production de produits hautement personnalisés sur des chaînes génériques permettant une adaptation à la volée et au plus juste des éléments à produire.

 

L’avenir des CPS

C’est par le développement d’une recherche interdisciplinaire, au-delà des cloisonnements actuels, entre composants physiques, logiciels, communication, contrôle couplée avec de grands challenges applicatifs que les CPS pourront jouer un rôle majeur dans les développements des nouveaux systèmes en introduisant de nouvelles capacités qui vont bien au-delà des niveaux d’autonomie, de fonctionnalité, de fiabilité et de sécurité des systèmes actuels. 

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