Cyber-fiziksel sistemler (CPS), fiziksel dünya ile ilgili dinamik ve dinamik sistemlerle ilgili olarak, basit bir şekilde teknik ve pratik yöntemler oluşturmak için kullanılan temel disiplinler ve ağların tasarım ve analizlerini, sürekli fiziksel dinamikler ve hesaplama olayları ile ilişkilendirerek analiz etmeye yönelik temel bir yöntem olarak gösteren basit bir tasarıma sahip olan bu karmaşık sistemlerde ortaya koyar.

Blok Diagrams Nedir?

Bir blok diyagramı, bir sistemin bileşenleri ve aralarındaki bağlantıların basitleştirilmiş, yüksek seviyeli bir gösterimidir. Bloklar sistem elemanlarını sembolize etmek için kullanılır - bu tür sensörler, kontrolörler, hareketleyiciler veya fiziksel süreçler – özellikle de sinyallerin akışını temsil eden hatları, veriler, enerji veya malzeme her bir bileşeninin özetlenmesi, sistemin davranışına odaklanmak yerine, sistem davranışına odaklanır.Bu soyutlama, sistem düzeyindeki diyagramlar için değerli kılan şeydir.

Tarihsel olarak, blok diyagramları kontrol teorisi, elektronik ve sinyal işlemede kullanılır, çünkü orta-20. yüzyılın kontrolünde, donanım ve yazılım kombinasyonunun birleşik bir görsel dil gerektirdiği birçok alana uyum sağlar.

CPS ile ilgili birkaç blok diyagramı vardır:

  • [FONT:0)Functional Block Diagrams (FBD): [DDDD:0) Her bir bileşen tarafından yapılan fonksiyonları ve aralarındaki verileri ölçeklendirir.
  • [FONT=0) Sistem Blok Diagramları:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir CPS'nin büyük alt sistemlerini göster, mikro kontroller, iletişim otobüsü, sensörler ve eylemciler, sadece temel bağlantıları ile.
  • [FONT=0)Feedback Control Block Diagrams:[Dönetici] Represent kapalı-loop sistemleri özetleme, transfer işlevleri ve geri bildirim yolları ile. Bunlar dinamik davranışları modellemek için çok önemlidir.
  • [FONT:0]Hybrid System Block Diagrams:[Dönemli olay dinamiklerini ve sürekli zaman dinamiklerini yakalayın, genellikle iki ayrı ayrı ayrı ayrı ayrık olay dinamiklerini ve sürekli zaman dinamiklerini yakalayın.

Tür ne olursa olsun, tüm blok diyagramları karmaşık sistem etkileşimlerinin anlaşılması, değiştirilmesi ve simüle edilmesi kolay bir şekilde basitleştirilmesinin temel amacını paylaşıyorlar.

CPS'de Blok Diagramlarının Önemi

Cyber-fiziksel sistemler doğal olarak çok disiplinlidir. Tek bir CPS projesi, mekanik mühendisler, elektrik mühendisleri, yazılım geliştiricileri, ağ uzmanları ve kontrol sistemi tasarımcılarını içerebilir.Her disiplin kendi aletlerini ve kelimelerini kullanarak, bu alanların köprülerini daha sonra ortak bir görsel dil olarak hareket etmek için bir sistem mühendisini bir araya getirir.

CPS için başka bir neden blok diyagramları çok önemlidir, bu yüzden daha ayrıntılı diyagramlara kadar rafine edilir ve karmaşık bir yaklaşımda, mevcut bir bileşen blokları, doğrulanmış tasarımların yeniden kullanılmasına olanak sağlar.Bu dualite özellikle de CPS'de, donanımda ve yazılımların sıklıkla paralel olarak geliştirildiği ve takımlara entegre edilmesi gerekir.

Ayrıca, blok diyagramları, stabilite, kontrol edilebilirlik, gözlemlenebilirlik ve sağlamlık gibi sistem özelliklerini analiz eder. Kontrol sistemlerinde, blok diyagramları genel transfer fonksiyonunu elde etmek için cebirsel kurallar kullanılarak azaltılabilir, bu zaman klasik veya modern kontrol yöntemlerini analiz edilebilir. CPS'de, fiziksel ve hesaplama elemanları etkileşim, blok diyagramları veri oranı yanlış eşleşmeleri, zamanlama gecikmeleri veya geri bildirimsüzlükleri gibi potansiyel sorunları ortaya çıkarabilir.

Son olarak, blok diyagramları dokümantasyon ve bakım için gereklidir. CPS çalışırken, orijinal tasarım niyetini anlamak zorlanabilir. İyi bakımlı blok diyagramları seti, her bileşenin nasıl bağlandığını ve hataların ne zaman geçeceğini gösterir. Bu, yükseltmeleri planlarken veya yeni mühendisler eğitebilir.

CPS'de Blok Diagramlarının Anahtarları

Konseptde basit olsa da, CPS için etkili blok diyagramları, doğruluk ve açıklık elde etmek için açıkça tanımlanmış birkaç anahtar element içerir.

  • [FONT:0)Blocks:[Döneticileri temsil eden temel birimler, sistem bileşenlerini temsil edebilir. CPS'de, bu bloklar fiziksel varlıkları temsil edebilir (örneğin, bir motor, bir valf, bir sensör), bilgisayar varlıkları (örneğin, bir kontrol algoritması, bir devlet makinesi, bir filtre), veya iletişim kuruluşları (örneğin, bir ağ protokolü katmanı, bir otobüs arayüzü). Her blok genellikle işlevini tanımlayan bir etikete sahiptir.
  • [FONT=0) Bağlantılar:[Dönemliler:[Döncüler: 0 ) Bağlantılar arasındaki bilgi veya enerji akışını gösteren Hatlar; Kontrol blok diyagramlarında, bağlantıları genellikle sürekli zaman sinyalleri taşır; yazılım yoğun CPS, veri paketleri veya ayrık olaylar.Gruplar, her iki tür ayrımı ayırt etmek önemlidir.
  • [FONT=0]Inputs and Exports:[Döneticileri ve Çıktıları:[Döneticileri ve çıkışları, sistemin çevreyle nasıl etkileşime girdiğini tanımlayan dış arabirimler. Girişler, sistem sınırlarından gelen okumalar olabilir (sıcak, baskı, pozisyon) veya operatör komutları olarak temsil edilir.
  • [FONT:0)Feedback Pathways:[Dönetici:[Dönetici kontrol altında), çıktı geri beslenir ve referans girişine kıyasla kullanılır. Blok diyagramları, geri bildirimin nereden geldiğini göstermek için özetlenir.
  • [FONT:0)Hierarchical Decomposition:)Köpekten kaçınmak için, bir diyagram bu hiyerarşiyi yönetmek için bir ebeveyn bloğu haline gelebilir.Bu genellikle özel bir blok ikonuyla gösterilir "subsystem" veya SysML kullanımı blok diyagramları ve iç blok diyagramları gibi standartlar.

Doğru etiketleme ve tutarlılık önemlidir. Standart sembolleri kullanarak - ISO 1219 tarafından akışkan sistemler için tanımlananlar, IEEE Std 91 mantık sembolleri veya daha genel işlevsel blok diyagram standart IEC 60848 - yardımlar, diyagramların kullanıldığı durumlarda, bir efsanenin sağlanmalıdır.

Etkili Blok Diagrams tasarımı

Her iki doğru ve kolayca anlaşılmış bir blok diyagramı oluşturmak dikkatli bir düşünce gerektirir. Hedef, sistemin temel yapısını ve davranışını ayrıntılı olarak ezici olmadan iletişim kurmaktır. Aşağıdaki en iyi uygulamalar özellikle siber-fizik sistemler için ilgilidir.

[0]1. Yüksek-Level View ile başlayın).

Büyük alt sistemleri ve sınırlarını tanımlamakla başlayın. CPS için, bunlar şunlar olabilir: fiziksel bitki, gömülü kontrol, iletişim ağı ve kullanıcı arayüzü.Her büyük alt sistem için tek bir blok çizin ve sadece en kritik bağlantıları göstermelidir.Bu üst düzey bir grafik daha ayrıntılı bir çerçeve sağlamak için bir çerçeve sağlamalı.Bu yüksek seviyeli görüş, sonraki tüm rafineri için bir sabit hizmet için tek bir blok olarak hizmet eder.

[0]2. Özetlik Düzeyi Kullanımı).

Tek bir diyagram içinde, tüm bloklar benzer bir ayrıntı düzeyinde olmalıdır. Çok koarse bloklarını karıştırın (örneğin, üst düzey diyagramda "Embedd Controller" (örneğin, CPU, I/O arabirimleri içeren bir alt sütuna genişletilebilir).

[0]3. açıkça farklı sinyal türleri).

CPS'de, sinyaller sürekli zamanlı analog olabilir (örneğin, gerilim), ayrı zamanlı dijital (örneğin, örneklenmiş veriler), ayrı olaylar (örneğin, bir düğme basını), veya mesajlar (örneğin, siber alanla geçiş).

[0]4. Etiket Her Şeyi Açıklamalı Olarak ).

Her blok açık, açıklayıcı bir isim olmalıdır. Her bağlantı hattı, işaret adı, tipi ve birimleri (eğer geçerliyse) Örneğin, "Motor Speed (enerji, analog 0-10V)", iki bloktan çok daha kullanışlıdır. Ayrıca, listedeki kayıt ve çıkışları işaretle sistem sınırında "Kullanıcı Setpoint" veya "Plant Sıcaklık" ile ifade eder.

[FONT=0)5. Yan Sistem Akışına Uygun Bloklar).

Pozisyon blokları, verilerin veya enerjinin doğal akışının sol veya üst düzey-düşündür, standart okuma kongreleri ile tutarlı bir şekilde, soldaki referans girişinin yerini ve doğru yolların çıktısını aşağıdan veya yukarıdan geri getirmelidir.

[0]6. Parametre Bilgileri) içerir.

Bir kontrol bloğu için, anahtar parametrelerle ilgili bloklar, bu, birçok sayı ile diyagramı aşırı yüklemeden veya bantlamalardan kaçınabilir.Bir sensör bloğu için, aralık, çözünürlük ve gürültü özellikleri içerir. Parametre annotasyonları simülasyon ve ön analiz için kullanılabilir bir statik diyagramı döndürür. ancak, diyagramı çok fazla sayıda numara ile aşırı yüklemeden kaçınır - ayrıntılı veriler gerektiğinde veya ayrı tablolar ekleyin.

[FONT:0)7. Stakeholders ile geçerlidir).

Bir taslak oluşturmaktan sonra, her disiplinden ekip üyeleri ile yorum yapın. Mekanik bir mühendis yanlış ifade edilen bir eylemci bağlantısı bulabilirken, bir yazılım mühendisi, veri akışının gerçek uygulamayla eşleşmediğini fark edebilir.For Validation early prevents cost later.

Sık sık hata önlemek için: okuyucuları karıştıran paralel yolları göstermek, bir sayfada çok fazla blok kullanarak, var olduğu geri bildirimi göstermek ve farklılaşma olmadan analog ve dijital sinyalleri karıştırmak. Sikatey rehberlik prensibi olmalıdır; her bir element sistemi anlamak veya analiz etmek için bir amaç olmalıdır.

CPS'de Blok Diagramları Uygulamaları

Blok diyagramları sadece kavramsal yardım değildir; CPS yaşam döngüsü boyunca aktif olarak kullanılırlar - ilk ihtiyaçlardan dağıtım ve bakım için.

Sistem Tasarımı ve Mimari

Tasarım aşamasında, blok diyagramları mühendisler sistemin mimarisini tanımlamaya yardımcı olur. Fiziksel donanımın yeniden yapılandırılmasına izin vererek ticarete ilişkin analizleri destekliyorlar: örneğin, merkezi bir kontrol işlevine merkezi bir kontrol cihazıyla, dağıtılmış bir node veya dijitale doğru sensör türünü değiştirmelerine izin veriyor. Bu "gerçek prototipleme", fiziksel donanıma kıyasla zaman ve para tasarrufu sağlıyor.

Simülasyon ve Model-Based Design

Bir blok diyagramı simülasyon ortamında ele alındığında, CPS'nin eski bir model haline gelir. Mühendisler test girişlerini tanıtabilir, sensörlere gürültü ekleyebilir, iletişim gecikmelerini simüle eder ve sistemin yanıtını gözlemler. Bu özellikle CPS için önemlidir, çünkü fiziksel kısım her zaman erken test edilemez. Örneğin, bağımsız bir araç kontrol algoritmaları gerçek dünya testinden uzun süre önce simülasyonda doğrulanabilir. Blok diyagramları bu bağlamda sık sık sık fiziksel modeller içerir (örneğin, dinamikler için diferansiyel denklemler)

Tanıklar ve Kök Neden Analizi

CPS'nin kullandığı bir hata, blok diyagramları teşhis haritaları olarak hizmet eder. Technicians uyarı yollarından olası nedene geri dönebilir. Örneğin, bir robot kolu, kontrolörün ortaya çıkardığı bir blok diyagramı, eylemci ve geri bildirim sensörü, uyarı yanıtlayıcısının kontrol algoritmasını takip edebilir, eylemleyici yanıtını veya gürültülü bir sensöre yardımcı olabilir. Blok diyagramları da gelişmekte olan hata ağaçları veya hata hataların ortaya çıkmasını sağlar.

Bütünleşme ve Test

İnterasyon sırasında, donanım ve yazılım bileşenleri yavaş bir şekilde birleştirilir. CPS için sürekli entegrasyon/kontinaj (CI/CD) boru hatları, otomatik olarak test akışlarını ve simülasyon senaryolarını koordine etmek için kullanılabilir. Test vakaları, doğrudan sütunlarda gösterilen girişlerden ve çıktılardan elde edilebilir.In sürekli entegrasyon/kontinuous deployment (CI/CD) boru hatları CPS için, bloklar otomatik olarak test akışlarını ve simülasyon senaryolarını koordine edebilir.

Eğitim ve Dokümantasyon

Yeni ekip üyeleri için, iyi yapılandırılmış blok diyagramları seti genellikle sistem anlayışı elde etmenin en hızlı yoludur. Ayrıca ISO 26262 gibi standartlar sistem mimarisinin net belgelenmesini gerektirir ve blok diyagramları bu ihtiyacı etkili bir şekilde yerine getirir.

CPS için Gelişmiş Blok Diagram Teknikleri

CPS daha karmaşık hale geldiğinde, gelişmiş teknikler blok diyagramlarının gücünü artırır. Bir anahtar teknik şuursuz bir blok "Collision Escape", bir blokun birden fazla altdiagram seviyesine görebileceği. Bu, karmaşık bir yaklaşımla karmaşık bir şekilde karmaşıklaştırmaya olanak sağlar.For CPS, "Object Detection", "Pacomposed into multiple levels of subdiagrams.This hierarchical approach is supported by Cammulink.

Başka bir teknik şu ki:0) Devlet uzayı temsili bloklar içinde[DÜT:1). Basit bir kazan veya transfer fonksiyonu olmak yerine, sistem dinamik davranışları da dahil olmak üzere, sistem dinamik davranışlarını değiştirmek için, geçici bir kontrol mekanizmasında sürekli dinamikleri modellemek için gereklidir.

[FONT=0)Feedback lineerizasyon[[Dönetici:2) Gözlemleyici tabanlı tahminler), fiziksel sistem dinamikleri ile sabitlenen ileri kontrol teknikleridir.

[FONT=0] Interface block diagramları[[Dönetici:0) Belirli bir iletişim protokolü (örneğin, bir robot kontrolörü ve bir denetçi sistemi arasındaki fiziksel ve mantıksal arayüzlere odaklanarak, bu diyagramlar genellikle sinyal dönüştürme bloklarını (örneğin, akıllı bir fabrikada) gösterebilirler.

Modelleme ve simülasyon için araçlar olgun ve yaygın olarak kabul edilir.ETHFLT:0)Simulink), MathWorks'ten gelen standart, fiziksel modelleme için geniş kütüphaneler sunmak için, devlet akışları (Simscape), devlet makineleri için devlet akışı ve kod nesli[Döntgenlik)[Dönergeler[Dönergeler) standart olarak, CPS modellemesi için bloklar ve bloklar için de destek bloklar oluşturur.For system-standart modelleme için, devlet akışları için standarttır.

Sınırlar ve Alternatifler

Blok diyagramları güçlü olsa da, bu karanlık uç-sonuçlu davranışın gerçekleştirilmesi için gerekli olan derin bir farka yol açabilirler.Ayrıca, blok diyagramları doğal olarak statik olarak ortaya çıkabilirler - nadiren zamanlama kısıtlamaları temsil ederler, koncurrency veya benzeri olmayan özellikler.

Bu nedenlerden dolayı blok diyagramları genellikle diğer modelleme teknikleri tarafından tamamlanmaktadır:

  • [FONT:0)Statecharts / Stateflow: Ayrılmalı olay davranışı ve reaktif sistemlerin tipik olarak gömülü yazılımları modellemesi için daha iyi.
  • [FONT:0]Sequence Diagrams (UML): ), Özellikle eş zamanlı ajanlar arasında etkileşimler göstermek için mükemmel.
  • [FONT:0)Data Flow Diagrams:[[Dönetici: · 1 ) Tamamen veri hareketine ve işlemeye, kontrol akışını ve fiziksel dinamikleri görmezden gelmek.
  • [FONT:0)Mathematical Modeller (Differential Equations, Logic Expressions):), simülasyon ve kontrol tasarımı için analitik temel sağlar.
  • [FONT=0)Formal Yöntemler (örneğin, Hybrid Automata, Model Checking:), blok diyagramlarının tek başına garanti edemeyeceği güvenlik ve canlılık özelliklerinin enable kanıtı.

Uygulamada, sağlam bir CPS geliştirme ortamı, bir veri akışından bir göz boyamak ve en değerli diyagramları nereye eklediklerine dair diğer modelleri kullanarak blok diyagramlarını kullanmak için blok diyagramları kullanabilir. Örneğin, Simulink'teki bir blok diyagramı, daha güçlü bir analizin gerekli olduğu diğer yöntemleri benimsemek için.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Blok diyagramları, siber-fiziksel sistemlerdeki etkileşimlerin tasvir edilmesi için vazgeçilmez bir araç olarak kalır. Görsel basitlik maskeleri, yüksek seviyeli mimariden gelen diyagramlar, ayrıntılı geri bildirim döngüleri kullanarak, standart notlar kullanarak, hiyerarşik dekompozisyon ve net etiketleme, mühendisler iletişim, simülasyon ve analizlerini teşvik eden diyagramlar oluşturabilir ve bu tür bir ekosistemin parçası olarak otomatik olarak algılamayı sağlar.