Kyberfyysisten järjestelmien mallintaminen

Abstract

Kyberfyysisten järjestelmien (CPS) ja niiden toiminnallisuuksien dynamiikan mallintamiseen ja simulointiin liittyvät menetelmät, prosessit ja analyysit ovat tämän tutkimuksen kohteena. Tutkimuksessa selvitetään kyberfyysisen järjestelmän määritelmää ja luodaan sille yksinkertaistetut reunaehdot, joiden avulla kyseisten järjestelmien ominaispiirteet muuttuvat ymmärrettävämmiksi. Yksinkertaistamisen kautta kyetään luokittelemaan järjestelmiä ominaisuuksiensa puolesta kyberfyysisiksi ja tavoitellaan kasvanutta käsityskykyä toteuttaa erilaisia kyberfyysisiä järjestelmiä kuvaavia malleja ja hyödyntää niitä simulaatioissa. Tutkimus on läpileikkaus mallintamiseen liittyvistä osakokonaisuuksista, joka itsessään luo pohjaa jatkotutkimusten toteuttamiseksi ja täten ratkaisee mallintamiseen liittyviä käytännönhaasteita.

Kyberfyysinen järjestelmä on toiminnallinen kokonaisuus, joka muodostuu kybertoiminnallisuuksista, fyysisistä toiminnallisuuksista ja nämä läheisesti yhdistävästä rajapinnasta. Kyberfyysiset järjestelmät ovat tietokoneiden ja automaation keksimisen jälkeen tulleen nk. neljännen teollisen vallankumouksen keskeisin uudistus ja tulevaisuuden suuntaus (Teollisuus 4.0). Tutkimuksessa kyberfyysinen järjestelmä käsitellään viiden toisiinsa sidonnaisesti olevan ominaisuuden kautta, jotka ovat liike / aktuaatio (A), aistimus / sensaatio (S), kommunikaatio (C), ohjaus / älykkyys (I) ja energeettisyys (E). Järjestelmän määrityksen lisäksi mallinnuksen kohteita ovat kybertoimintaympäristöt ja fysikaaliset toimintaympäristöt, sekä järjestelmien sisällä ja järjestelmien välillä tapahtuvat informaatiolliset palautesilmukat.

Tutkimuksen alustuksessa tarkastellaan tulevaisuusnäkökulmaa digitalisoituvassa maailmassa, jolla taustoitetaan tutkimuksen lähtökohtia. Toisessa osuudessa määritellään mitä on mallintaminen, miten mallinnuksiin voidaan suhtautua ja mitä osia kokemuspohjaisesti kehiteltyyn mallintamisen kokonaisuuteen kuuluu. Kolmannessa osuudessa on toteutettu nykytila-analyyttinen rekonstruktio ja analyysi tukiasemaverkkojen luotettavuudesta, joka on katsottu tässä tutkimuksessa kyberominaisuuksien kannalta kriittisimmäksi mallintamisen tarpeen kohteeksi. Neljännessä osuudessa määritellään yksittäistä kyberfyysistä järjestelmää usealla eri tavalla, sekä tarkastellaan erilaisia tapoja mallintaa niitä rakenteellisuuksien ja toiminnallisuuksien tasoilla. Viidennessä osuudessa on toteutettu numeroitu dynamiikan mallintamisen prosessi, joka hyödyntää mallintamisen kokonaisuuden jaottelua. Dynamiikan mallintamiseen liittyy täydelliset järjestelmämallien ja ympäristöjen väliset simulaatiot, kuin HWIL-simulaatiot (hardware-in-the-loop), joiden avulla pyritään tuottamaan keinotekoista dataa analysoitavaksi. Mallien, simulaatioiden ja analyysien toteuttamiseksi on luotu ohjelmistoselvitys ja arvioperusteinen ohjelmistojen hyödynnettävyysmatriisi. Kuudennessa osuudessa on itsekriittisyyden ja käsitteiden tutkimisen tarpeen tueksi toteutettu kysely kyber-, ja kyberfyysisen järjestelmän käsitteiden tunnettavuudesta ja ymmärrettävyydestä.