От IoT к IoAT: «Интернет автономных вещей»

17 Май 2017

(Опубликовано в приложении к журналу Control Engineering «IIoT Индустриальный Интернет Вещей» октябрь 2016)

Скачать статью в формате PDF (242 КБ)

---

В будущем устройства «Интернета автономных вещей» (IoAT) смогут использовать технологию KEEL (knowledge-enhanced electronic logic — электронная логика, улучшенная знаниями), т. е. получать информацию от других устройств или облачных сервисов и принимать участие в решениях, для которых они никогда не были предназначены.

Следующее поколение устройств «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT) будет обладать нужной компетентностью, для того чтобы обеспечивать адаптивное оперативное управление, а не только передачу информации для обработки на более высокий уровень. Быстрому внедрению этих возможностей в небольшие и недорогие устройства будет способствовать технология KEEL. Популярная концепция «больших данных» (big data) заключается в том, что все устройства вырабатывают информацию, которая потребляется системой более высокого уровня. Однако существует и другая точка зрения.

Предположим, что какой-то контроллер управляет устройствами, многие из которых могут взять на себя новые обязанности. Gartner Inc. прогнозирует, что в 2016 г. в мире будет насчитываться около 6,4 млрд подключаемых устройств, а к 2020 г. их количество составит 21 млрд. Вместо того чтобы просто вырабатывать данные, эти устройства, вероятно, смогут взять на себя дополнительные функции: потреблять информацию от других устройств (и облачных сервисов) и принимать участие в решениях, для которых они никогда не были предназначены.

 

Не только сбор данных

Основная цель сбора данных обычно заключается в принятии лучшего решения. Прогнозы с их использованием могут подготовить системы к будущему, выявляя изменения или осуществляя какой-нибудь вид управления. Можно сказать, что данные собираются с целью управления поведением системы. Бытует мнение, что, поскольку задачи становятся все более сложными, для их обработки обязательно нужны высокопроизводительные процессоры, а для интерпретации сложных наборов данных необходимо участие человека.

Другим распространенным мнением о больших данных является то, что большая часть обработки информации будет осуществляться посредством поиска данных по шаблону в большом массиве данных, собранных в течение долгого времени. Эта точка зрения основана на том, что мы должны позволить данным управлять принятием решений.

Люди, некоторое время наблюдающие за развитием «Интернета вещей», приходят к выводу, что в этой технологии нет ничего действительно нового. Распределенное управление, а также диспетчерское управление и сбор данных (SCADA) используются в области промышленной автоматизации на протяжении уже многих лет. Все началось с «разделения времени» (англ. Timesharing) и «кластерных вычислений». Это термины, связанные с распределенными вычислениями, которые часто используются для определения технологии, включающей в себя получение входных сигналов, обработку данных и распространение информации, необходимой для управляющих воздействий или выходных данных. Эволюция этой технологии, которая привела к возникновению «Интернета вещей», была обусловлена коммодитизацией (превращением в общедоступный, широко распространенный товар) и перераспределением ресурсов.

Коммодитизация вычислительной мощности в микроконтроллерах, связанная с недорогой средой разработки, снизила стоимость обработки информации. Это также коммодитизировало связь с ориентированными на потребителя сетями и протоколами, которые обеспечили инфраструктуру для новых устройств, участвующих в более сложных применениях. Кроме того, устройства на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) снизили стоимость датчиков и исполнительных механизмов.

 

Решения по управлению на основе облачной технологии

Решения по управлению на основе облачной технологии помогают компаниям централизовать обработку информации, что позволяет им управлять своими распределенными системами.

Однако в такой ситуации всегда есть «но». Иногда случаются неприятности. Положив все яйца в «облачную корзину» в открытой сети, многие компании подвергают себя определенному риску. Новый рынок сетевой безопасности, дублирования каналов связи и шифрования данных обозначил риски и предполагаемые патчи, чтобы защитить пользователей от этих проблем.

Если система может быть взломана, она будет взломана. И если система может сломаться, она сломается. И произойдет это в самое неподходящее время.

Рассмотрим такую аналогию: что если есть еще одна Земля, «Земля 1», и на ней живет только один человек? Этот единственный человек мог бы иметь миллиард щупальцев, связанных с миллиардом инструментов. Земля 1 может действовать так же, как и Земля, возможно, даже лучше, поскольку, гипотетически, единственный мозг Земли 1 может лучше разрешать конфликты между своими щупальцами и инструментами (рис. 1). Однако если на Земле 1 возникнут проблемы и некоторые щупальца будут потеряны, то и их функциями никто не сможет заняться. И если Земля 1 забудет, как обрабатывать всю эту информацию, она будет мертва.

Сравните это с нашей Землей, населенной миллиардами людей. У каждого человека есть мозг, который имеет свои собственные датчики и исполнительные механизмы (рис. 2). Наша Земля не зависит от какого-либо одного канала связи. Кроме того, она не зависит от одного человека. Наша Земля выигрывает из-за того, что группы людей работают вместе и люди могут перераспределяться между этими группами, чтобы решать различные задачи. Также полезно то, что отдельные люди способны продолжать работать, даже когда нарушаются каналы связи, и они могут понять, что делать, если один из их инструментов будет сломан или потерян. Также люди способны реагировать на повреждение других людей, а также распределять приоритеты: они знают, когда нужно выйти за рамки возложенных на них задач для решения более важного вопроса. Кроме того, люди способны адаптироваться к ситуации (рис. 3).

Другой характеристикой людей является их возможность отказаться от «опыта». Опыт — это больше, чем способность следовать правилам. Опыт — это способность к рассуждениям, которые позволяют людям взвешивать альтернативы. Они понимают, когда нужно перераспределить внимание, если случается нечто неожиданное. Человеческие суждения и рассуждения используются для решения более сложных взаимосвязанных проблем, которые порождают противоречащие друг другу цели (т. е. решения тактических краткосрочных задач и в то же время учета более долгосрочных стратегических целей).

 

Современный уровень IoT

Основной принцип современного этапа развития IoT заключается в том, что IoT-устройства становятся источниками информации. Однако, возможно, периферийные устройства также должны рассматриваться в качестве потребителей информации (используя нашу человеческую модель). Тогда появится возможность расширить роль исполнительных устройств и какие-то вещи выполнять на месте, независимо от главного компьютера, обрабатывающего информацию.

Таким образом пользователи смогут избежать различных рисков, связанных с задержками передачи информации и распределенными вычислениями. Попробуем представить, как будет отличаться работа устройств «Интернета автономных вещей» от обычных IoT-устройств.

 

IoAT: «Интернет автономных вещей»

Поскольку сейчас существует обилие источников информации, распределенных по всей Земле, возможно, в скором времени произойдет рост в области распределенных инструментов. Весьма вероятно, что будут созданы более интеллектуальные исполнительные механизмы.

Исходя из этого возможны следующие сценарии.

• Исполнительные механизмы будут объединяться с местными источниками информации (так же, как это делают люди). На рынке начнут появляться инфраструктуры для микросетей.
• Исполнительные механизмы станут потребителями информации (как люди).
• Исполнительные механизмы будут находить свои собственные источники информации помимо тех, которые непосредственно к ним подсоединены (так же, как люди собирают информацию из ближайших источников, а также используют свои органы чувств для принятия решений и выполнения действий).
• Исполнительные механизмы будут работать вместе для решения задач, если потеряют связь со своим управляющим устройством в иерархии команд (как люди, которые работают сообща в чрезвычайных ситуациях).
• Более интеллектуальные автономные/полуавтономные устройства смогут распознавать незапланированные ситуации и реагировать в соответствии с директивами, определенными человеком (как люди следуют правилам взаимодействия и принципам деятельности, которые были определены заранее). Это позволит устройствам решать задачи, с которыми они раньше никогда не сталкивались.
• При работе устройств в команде могут возникать проблемы во время работы. Эти самоорганизующиеся устройства будут способны реагировать в режиме реального времени (коллективно адаптироваться), чтобы измениться и решить проблему.

Даже когда эти IoAT-устройства, работающие в команде, столкнутся с проблемами, с которыми они не могут справиться, они смогут передать актуальные данные выше по информационной иерархии (если у них есть канал связи). Они даже смогут использовать свой собственный встроенный опыт, чтобы найти альтернативные варианты связи.

Думайте об этих новых IoAT-устройствах как об объектах, которые могут работать либо независимо друг от друга, либо в виде самоорганизующихся объектов, действующих в команде для решения задач, на которые они никогда не были запрограммированы.

Можно предположить, что наибольшей популярностью IoAT-устройства будут пользоваться в системах безопасности, домашней и промышленной автоматизации, здравоохранении, транспорте и сельском хозяйстве. Персональные, финансовые и обеспечивающие безопасность приложения скорее всего будут играть в мире IoAT ведущую роль в виде персонализированных программных агентов.

 

Что препятствует развитию IoAT?

Поскольку эта технология находится на начальном этапе развития, ей препятствуют некоторые факторы.

Рынок хобби взорвался с появлением беспилотных летательных аппаратов. Хотя многие из этих устройств до сих пор имеют дистанционное управление, они также могут обладать значительной вычислительной мощностью. У беспилотника может быть GPS, датчики крена, тангажа и рысканья, альтиметр, компас, видеоканал, беспроводное сетевое соединение, датчик заряда аккумулятора, датчики крутящего момента и логика обратной связи двигателя. Платформы бывают различных размеров и демонстрируют всю возможную производительность (с подключением), доступную в коммерческом пространстве (т. е. коммодитизированную). Таким образом, вычислительная мощность препятствием не является.

С тех пор как Интернет стал легко доступен, возможности подключения к нему также не являются препятствием. Безопасность обмена данными через Wi-Fi и Bluetooth продолжит повышаться. Дальнейшее развитие Интернета, вполне вероятно, будет связано с микросетями самостоятельных узлов (peer-to-peer) и двусторонними соединениями. Потребители и рынок хобби будут это продвигать. Также локально подключенные устройства будут иметь возможность обрабатывать различные структуры обмена сообщениями (двусторонние соединения, связь между самостоятельными узлами и широковещательная передача сообщений).

Нужно учитывать и исполнительные механизмы IoAT, которые станут новым рынком для многих игроков. Они будут инструментами и «руками» (конечным звеном) IoAT-устройств, а их основной функцией будет реагирование на угрозы и появление возможностей. Изначально они могут управляться дистанционно, но в конце концов смогут самоорганизовываться и действовать коллективно (в команде). Они станут для людей помощниками, которые всегда начеку, всегда выполняют свою работу, всегда готовы ответить на новые угрозы и распознать новые возможности.

Есть и еще одно важное препятствие — необходимость иметь возможность загрузить человеческие навыки рассуждений в небольшие и недорогие IoAT-устройства. Речь идет об опыте, подобном человеческому, который позволит этим устройствам решать сложные проблемы, исторически бывшие под силу только людям.

Однако воспроизводить человеческий мозг в этих устройствах не нужно, все-таки это машины с ограниченным набором возможностей. Необходимо только, чтобы они были способны рассмотреть альтернативные варианты того, как они могут использовать свои возможности в различных ситуациях. Мы просто должны дать им способность размышлять в более абстрактной манере.

 

Бизнес-стимулы

Место — это все. Датчики, машины, готовые устройства — все они занимают пространство. Добавляя новые возможности в то же самое пространство, пользователь повышает уровень сервиса. Компании, которые способны снабдить устройства способностью к рассуждениям, подобным человеческим, создадут для себя новые возможности и смогут использовать их для более эффективной работы. Это также может сделать предприятия более безопасными.

В автоматизированном производстве пользователь может повысить эффективность работы, если машины смогут контролировать и регулировать свои действия без зависимости от простых, статистических, предупредительных и обслуживающих процедур или операторов. Если машины смогут контролировать свою нагрузку, возраст, износ и предстоящую работу, они смогут указать диспетчеру, когда должно проводиться техническое обслуживание во избежание сбоев системы, или просигнализировать о потенциальных значительных рисках.

Рассмотрим некоторые бизнес-стимулы для тех, кто заинтересован в использовании IoAT-устройств.