Понятие киберфизической системы считать вредным*

*от идиомы “considered harmful” Considered harmful, Wikipedia., которую не следует воспринимать слишком буквально.

1. Киберфизическая система (КФС) – пока ещё модное понятие, предложенное в далеком 2008 году. Широкую популярность получила трактовка: КФС – система, сочетающая в себе физическую и кибернетическую составляющие, взаимодействие которых, как правило, основано на циклических (закольцованных) обратных связях. Данную трактовку следует считать вредной (considered harmful).

2. Особый акцент делается на значимости КФС для формирования нового технологического уклада, а также на ожидаемом экономическом эффекте. Несомненно, данные утверждения являются истинными, но не приближают нас к пониманию сути рассматриваемого понятия.

3. Системный подход гласит: “рассмотрение объекта как системы начинается с анализа его функций”. Приведенная выше трактовка позволяет решать следующие задачи:

   а) классифицировать системы как «киберфизические», например жаккардовый ткацкий станок и счётно-решающие приборы систем ПВО;

   б) подать старую тему, связанную с информационно-управляющими системами (ИУС), под новым соусом любому причастному коллективу.

4. Из этого можно сделать вывод: КФС – модное понятие, имеющее только коммерческое и маркетинговое назначение. Но из соображений научного позитивизма и структурного подразделения Лаборатория киберфизических систем, мы будем придерживаться идеалистических позиций. Предположим наличие оснований (технических / научных / методологических) под понятием КФС и продолжим анализ.

5. Появление новых понятий часто связано с необходимостью сосредоточить усилия под одним флагом для решения осознанной или только наметившейся проблемы. Центральной проблемой для КФС является междисциплинарность, необходимость распределения ответственности в коллективе, сочетающем специалистов из разных областей.

6. Междисциплинарность, как и сочетание физической и кибернетической составляющей, присутствует в любой сколько-нибудь сложной ИУС. Значит междисциплинарность не может быть отличительным признаком КФС.

7. Чем примечателен 2008 год, год появления термина КФС, когда закон Мура жив, технологии разработки встроенных систем и систем на кристалле позволяют создавать сложные решения, а математические инструменты позволяют решать сложнейшие задачи? Он примечателен именно этим, накопленными достижениями в рамках отдельных дисциплин.

8. Ожидалось, что успехи отдельных дисциплин будут умножаться между собой и мы получим качественный скачек. Но области ответственности дисциплин в КФС не изолированы друг от друга, поэтому умножилась их сложность. Она начала выходить из-под контроля. Стало крайне сложно (если вообще возможно) гарантировать или просто верифицировать системные функции и системные свойства, обеспеченные вкладом разных дисциплин.

9. Ранее, человечество сталкивалось со схожими проблемами:

   а) обеспечение конструктивной интеграции – стандартизация СИ и введение КД;

   б) обеспечение предсказуемых свойств систем – инженерные дисциплины;

   в) обеспечение “собираемости” сверхсложных систем – системная инженерия.

   Как видно, решения этих проблем лежали в области методов и технологий проектирования. При этом система сделанная по технологии может быть идентична системе, созданной “Кулибиным”. Её отличает только наличие заложенных (рассчитанных, предсказанных, гарантированных) свойств, а значит и иные связанные с разработкой риски.

10. Предположим, что КФС и ИУС «в корпусе» идентичны. Тогда отличие заключаются в использовании при проектировании киберфизического подхода (КФП), где КФП – набор практически реализуемых мер и средств, обеспечивающих проработку и трассируемость системных функций и системных свойств на протяжении всего жизненного цикла (замысел, требования, проектирование, контроль качества, поддержка).

11. Данная трактовка:

    а) согласуется с популярной трактовкой и ожиданиями от перехода к киберфизическим системам;

    б) позволяет консолидировать и сфокусировать усилия под одним флагом для решения конкретной проблемы – разработкой КФП;

    в) препятствует злоупотреблению понятием КФС и его вырождению в маркетинговый ярлык, наукообразную бирку “новинка” или “без ГМО”.

12. Системные функции и системные свойства КФС определяются качеством совокупности принятых проектных решений:

    а) их внутренней согласованностью;

    б) достаточностью с точки зрения системы;

    в) соответствием предъявляемым к системе требованиям.

    С позиции отдельных дисциплин это почти всегда компромисс, уступка (Уступка – умышленное снижение качества технических решений) или подгонка (Подгонка – коррекция технических решений по “непонятным” причинам).

13. Цель использования КФП – выстроить набор проектных механизмов (организационных и технологических), который:

    а) уравновесит влияние дисциплин на итоговую совокупность решений;

    б) обеспечит согласованность принятых решений;

    в) обеспечит контроль над системными функциями и системными свойствами;

    г) снизит влияние человеческого фактора и ограничит излишний творческий порыв.

14. Разработка КФП включает следующие области исследования:

    а) классификация системных свойств и системных функций (примеры в приложении), анализ вклада дисциплин;

    б) разработка моделей системного уровня для КФС, форм документирования КФС;

    в) постановка, формализация и типизация проектных процедур, процессов проектирования, жизненного цикла (предложен проект адаптации OMG Essence для КФС);

    г) разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений на системном уровне.

Выводы

Популярная трактовка понятия киберфизической системы (КФС) провоцирует недопонимание и использование не по назначению (маркетинговый лозунг, ярлык “новинка”), в следствии чего реальные и значимые научно-технические задачи “замыливаются”. Исследования в области КФС должны быть направлены прежде всего на разработку киберфизического подхода (КФП), позволяющего создавать сбалансированные КФС междисциплинарными коллективами с предсказуемым на этапе проектирования качеством, при этом снижая влияние человеческого фактора.

Паспорта специальностей ВАК

• 05.13.12 Системы автоматизации проектирования (по отраслям) – наиболее близкий паспорт специальности, но не отражающий специфику КФП:
  • пункт 1. Методология автоматизированного проектирования в технике, включая постановку, формализацию и типизацию проектных процедур и процессов проектирования, вопросы выбора методов и средств для применения в САПР;
  • пункт 3. Разработка научных основ построения средств САПР, разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР и АСТПП;
  • пункт 6. Разработка научных основ реализации жизненного цикла проектирование – производство – эксплуатация, построения интегрированных средств управления проектными работами и унификации прикладных протоколов информационной поддержки.
• 05.13.17 Теоретические основы информатики – смежная специальность, на основании результатов которой могут строиться средства КФП:
  • пункт 4. Исследование и разработка средств представления знаний. Принципы создания языков представления знаний, в том числе для плохо структурированных предметных областей и слабоструктурированных задач; разработка интегрированных средств представления знаний, средств представления знаний, отражающих динамику процессов, концептуальных и семиотических моделей предметных областей.
• 05.02.23 Стандартизация и управление качеством продукции – специальность, в рамках которой могут быть отражены средства контроля качества проектирования КФС:
  • пункт 1. Методы анализа, синтеза и оптимизации, математические и информационные модели состояния и динамики качества объектов.
• 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям) – специальность в большей степени посвящена измерительным приборам, но формально в ней могут рассматриваться и КФС.
• 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям) – специальность, рассматривающая один из ключевых элементов КФС и претендующая на “системный анализ”, но на практике оперирует весьма узким кругом вопросов.

Примеры системных функций и системных свойств

• Безопасность для человека (пример на стыке разных отделов компании: You Don’t Need to Worry About That Volvo Self-Parking Car Accident Video).
• Информационная безопасность (пример на стыке области операционных систем, компиляторов, процессоров, облачных технологий и браузеров: Meltdown & Spector).
• Детерменированность и предсказуемость работы системы, точность.
• Выполнение требования реального времени.
• Корректная обработка сбоев аппаратного обеспечения [распределённой] вычислительной системы с учетом непрерывности физических процессов, прерывности программных процессов, неоднородности времени и возможных вредоносных воздействий.
• Принцип «наименьшего удивления», согласно которому система должна вызывать наименьшее удивление у пользователя.
• Адаптируемость к изменениям в требованиях, потенциал для модернизации.
• Энергопотребление.
• И многие другие.