Кибер-физические системы (от англ. cyber-physical systems, или CPS) – бурно растущая информационно-технологическая концепция, которая уже обладает вполне внятным определением, но продолжает расширяться и охватывать все новые горизонты применения. Очевидно одно – такие системы состоят из связанных физических и вычислительных компонентов и функционируют на стыке реального и виртуального миров, обеспечивают их взаимодействие и эффективное управление самыми разными технологиями – умными городами, автоматизированными системами управления производством, энергетикой, Big Data, интернетом вещей IoT, искусственным интеллектом и другими.

Развитие отрасли высоких технологий позволяет создавать и развивать синергию вычислительных и физических компонентов, объединенных в единые системы, которые призваны эффективно и быстро решать все более широкий спектр социальных и технических задач, делая среду обитания человека проще, безопаснее и комфортнее. Smart City, умные здания, цифровизация производственного сектора – все это примеры реализованных кибер-физических систем, которые с каждым днем становятся все более сложными и универсальными.

Современный мир находится на грани качественного перехода от эпохи промышленного прогресса к новой кибер-эре развития человечества, ведь количество самых разнообразных гаджетов, цифровых систем и сервисов постоянно растет. Вслед за человеком, который уже вовсе не выпускает из рук смартфон, окружающий мир становится более цифровым: предметы, окружающие человека, все чаще снабжаются датчиками, NFC-метками, QR-кодами и прочими интерфейсами взаимодействия человека с интернет-пространством. Огромное количество устройств, которые мы используем ежедневно, способны хранить и обрабатывать информацию, и готовы к интеграции и взаимодействию с другими компонентами в рамках единой системы.

Развитие концепции интернета вещей (от англ. Internet of Things, или IoT), в рамках которой разные технические устройства взаимодействуют между собой в сети Интернет, окружает нас возрастающим количеством привычных бытовых приборов, которые оснащаются модулями связи 5gи WiFi.
Цифровые гиганты – один за другим – создают голосовых ассистентов на основе глубокого машинного обучения и искусственного интеллекта, в том числе и на российском рынке. Каждый месяц к Алисе от Яндекc обращается 45 миллионов человек, а продажи колонок с установленным голосовым помощником за 2019 год выросли в России в 8 раз.
Количество данных, которыми оперируют современные CPS, уже давно находится за пределами когнитивных способностей человека, наш вид просто не успевает эволюционировать со скоростью развития современного цифрового мира. От бытовой реализации в виде систем умного дома, которые следят за климатом, безопасностью, экономят электроэнергию и воду, управляют освещением, осуществляют видеонаблюдение и т.п., появление кибер-физических систем позволило шагнуть к целым умным зданиям и городам. CPS cегодня — это мощные многоуровневые системы, оперирующие Big Data – данными колоссальных объемов, полученными из Интернета, социальных сетей, поисковых систем и в результате анализа других источников, в том числе и оффлайн.

Искусственный интеллект, использующий глубокое машинное обучение, сегодня применяется при управлении инфраструктурой умных городов. Одним из первых этот статус был присвоен Сингапуру, где смарт-технологии широко используются в организации городского трафика, введены в эксплуатацию беспилотные транспортные средства, создана система взаимодействия с населением, включая особую национальную систему цифровой идентификации, фактически – электронных паспортов граждан. Дорожная сеть Лос-Анджелеса оснащена умными светофорами с камерами, фиксирующими уровень загруженности улиц, все они объединены в систему, регулирующую траффик, перенаправляя потоки транспорта. Компания Toshiba применяет принцип CPS в проекте виртуальной электростанции, используя IoT для координации работы нескольких электростанций, использующих разные источники энергии: солнечную, энергию ветра и воды, и систем хранения электроэнергии, распределяя ее в зависимости от уровня потребления. В немецком Кельне запущен масштабный проект Smart City Cologne, в центре внимания которого находятся «12 решений для умного города», среди которых энергоэффективные здания, умное распределение энергии, низкоэммисионное отопление, интегрированная умная система освещения, управление с помощью Big Data и решения для устойчивой городской мобильности.

Есть и иной подход, когда умные города застраиваются с нуля. Хорошим примером таких проектов является совместное детище Китая и Сингапура проект Тянцзинь Эко Сити или город Масдар в ОАЭ, в них стандарты умной энергетики, заложенные еще на стадии проекта, позволят кардинально сократить расходы за счет использования возобновляемых источников энергии и современных многоуровневых систем контроля ее распределения.

Кибер-физические системы внедряются повсеместно в технологически развитых регионах, и одним из самых активных векторов их развития становится умное производство. Современные производственные комплексы сокращают использование ручного труда и отдают предпочтение высокотехнологичным промышленным роботам, использованию сетевых информационных технологий, облачных сервисов хранения и обработки данных, к которым есть непрерывный сетевой доступ у каждого компонента системы в реальном времени, что позволяет корректировать производственные процессы буквально на лету, многократно снижая затраты на производство и повышая его эффективность. Прекрасный пример – знаменитый кейс компании Harley Davidson, где после внедрения стандартов умного производства цикл производства сократился до 6 часов с 21 дня, что в итоге повысило акционерную стоимость компании в 7 раз.

На смену эпохе автоматизации на уровне отдельных агрегатов и обособленных процессов приходит Индустрия 4.0, к которой неизбежно стремится современная промышленность, объединяя все элементы производства в единую цифровую экосистему, в которой слаженно взаимодействуют не только компоненты отдельно взятой фабрики, но и смежные производства, транспортные и сервисные компании. К примеру, компания Norfolk Southern запустила программу мониторинга ж/д транспорта и сокращения перегрузок, в результате применения которой компания планирует добиться экономии в 200 миллионов долларов за счет изменения скорости поездов всего на 1 милю в час в среднем.

Экспоненциальный рост доли высокотехнологичных решений, внедрение новейших стандартов широкополосных каналов передачи данных, развитие искусственного интеллекта и глубокого машинного обучения в ближайшие годы приведет к принципиальным изменениям в тенденциях развития производства, градостроительной индустрии, медицины, транспортных и энергетических систем и принципов государственного управления. И особую важность эти изменения имеют на фоне борьбы с мировой пандемией и ее экономическими и социальными последствиями.