novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.23.177-187novtexmech-1170Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИSYSTEM ANALYSIS, CONTROL AND INFORMATION PROCESSINGМодель децентрализованной киберфизической системы, устойчиво функционирующей в изменяющемся окруженииA Model of a Decentralized Cyber-Physical System Resiliently Functioning in a Changing EnvironmentЛевоневскийД. К.LevonevskiyD. K.

канд. тех. наук, ст. науч. сотр., руководитель лаборатории 

Levonevskiy Dmitry K., PhD

St. Petersburg, 199178

levonevskij.d@iias.spb.suЯковлевР. Н.IakovlevR. N.

магистр, мл. науч. сотр.

St. Petersburg, 199178

iakovlev.r@mail.ruСавельевА. И.SavelievA. I.

канд. тех. наук, ст. науч. сотр., руководитель лаборатории

St. Petersburg, 199178

saveliev@iias.spb.suСанкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наукРоссияSt. Petersburg Federal Research Center of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202208042022234177187Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20222022Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1170

Рассматриваются вопросы децентрализации и динамического перераспределения ролей в киберфизических системах (КФС), предназначенных для работы в изменяющемся окружении и, в особенности, в открытых пространствах, где существуют повышенные риски поломки модулей и потери связи. В частности, исследуются методы децентрализации алгоритмов управления поведением КФС и обеспечения избыточности их компонентов и связей. Выявлен ряд требований к подобным системам и отмечено, какие ограничения в существующих подходах препятствуют реализации систем, удовлетворяющих этим требованиям, на физическом, сетевом и прикладном уровнях. Для каждого уровня предложены модели поведения КФС, которые обеспечивают автономное распределение инфраструктурных ролей между компонентами. Выполнено формальное описание этих моделей с помощью диаграмм деятельности. Это позволило выполнить синтез структурно-параметрической модели автономной мобильной КФС, ориентированной на функционирование на открытых территориях в условиях динамического окружения и решение прикладных задач, выполняемых посредством согласованного взаимодействия групп мобильных агентов. Модель отражает процесс функционирования автономных мобильных КФС в динамических средах и учитывает аспекты устойчивости системы и ее реакции на деструктивные воздействия. К преимуществам предложенных моделей относятся децентрализация задач, отсутствие центральных, критических узлов и узких мест, отсутствие требований прямой видимости между устройствами, малого расстояния между ними, стационарности устройств, возможность работы в неисследованном окружении. Разрабатываемые решения ориентированы на применение, прежде всего, в сфере бизнеса и пригодны для использования, к примеру, на промышленных предприятиях, оснащенных мобильными робототехническими устройствами с камерами, при обработке сельскохозяйственных угодий и т. д. Другой сферой применения является выполнение территориальных исследований, спасательных операций. Применение программно-аппаратных комплексов, реализующих предложенный подход, позволит более точно выполнять изучение местности, в том числе неисследованных территорий с ограниченной доступностью для человека.

The article discusses the issues of decentralization and dynamic redistribution of roles in cyber-physical systems (CPS) designed for working in changing environments and especially open spaces, where there are increased risks of module failures and communication loss. In particular, decentralized methods for controlling the CPS behavior and ensuring the redundancy of their components and connections are investigated. A number of requirements for such systems are identified and it is noted what limitations in existing approaches impede the implementation of systems that satisfy these requirements at the physical, network and application layers. For different layers, behavior models are proposed, which provide autonomous role distribution between components. This made it possible to synthesize a structural-parametric model of an autonomous mobile CPS, focused on functioning in open areas and solving applied problems performed through the coordinated interaction of groups of mobile agents. The model takes into account aspects of system stability and its response to destructive influences. The advantages of the proposed models include task decentralization, absence of central, critical nodes and bottlenecks, no line of sight requirements or small distance between devices, ability to work in unexplored environments. The solutions can be applied primarily in the field of business and are suitable for use in industrial plants equipped with mobile robotic devices with cameras, for example, for agricultural tasks, or territorial exploration. The proposed approach makes possible to study the terrain more accurately, including unexplored areas with limited accessibility to humans. Also, the results obtained can be applied during rescue operations.

киберфизические системыроботыархитектура КФСраспределенные системыдецентрализованные системыустойчивостьнадежностьcyber-physical systemsrobotscyber-physical systems architecturedistributed systemsdecentralized systemsresiliencereliabilityReferencesShi W., Cao J., Zhang Q., Li Y., Xu L. Edge Computing: Vision and Challenges // IEEE Internet of Things Journal. 2016. Vol. 3, N. 5. P. 637—646.Shi W., Cao J., Zhang Q., Li Y., Xu L. Edge Computing: Vision and Challenges, IEEE Internet of Things Journal, 2016, vol. 3, no. 5, pp. 637—646.ISO/IEC 7498-1:1994 Information technology — Open Systems Interconnection — Basic Reference Model: The Basic Model. 1994. 68 p.ISO/IEC 7498-1:1994 Information technology — Open Systems Interconnection — Basic Reference Model: The Basic Model, 1994, 68 p.Lavric A., Popa V. A LoRaWAN: Long range wide area networks study // International Conference on Electromechanical and Power Systems (SIELMEN). 2017. P. 417—420.Lavric A., Popa V. A LoRaWAN: Long range wide area networks study, International Conference on Electromechanical and Power Systems (SIELMEN), 2017, pp. 417—420.Cagatan G. K. B., Magsumbol J. A. V., Baldovino R., Sybingco E., Dadios E. P. Connectivity analysis of wireless sensor network in two-dimensional plane using Castalia simulator // 9th International Conference on Humanoid, Nanotechnology, Information Technology, Communication and Control, Environment and Management (HNICEM). 2017. P. 1—8.Cagatan G. K. B., Magsumbol J. A. V., Baldovino R., Sybingco, E., Dadios E. P. Connectivity analysis of wireless sensor network in two-dimensional plane using Castalia simulator, 9th International Conference on Humanoid, Nanotechnology, Information Technology, Communication and Control, Environment and Management (HNICEM), 2017, pp. 1—8.Barriquello C. H., Bernardon D. P., Canha L. N., de Silva F. E. S., Porto D. S., da Silveira Ramos M. J. Performance assessment of a low power wide area network in rural smart grids // 52nd International Universities Power Engineering Conference (UPEC). 2017.P. 1—4.Barriquello C. H., Bernardon D. P., Canha L. N., de Silva F. E. S., Porto D. S., da Silveira Ramos M. J. Performance assessment of a low power wide area network in rural smart grids, 52nd International Universities Power Engineering Conference (UPEC), 2017, pp. 1—4.Rabie T., Suleiman S. A novel wireless mesh network for indoor robotic navigation // 5th International Conference on Electronic Devices, Systems and Applications (ICEDSA). 2016. P. 1—4.Rabie T., Suleiman S. A novel wireless mesh network for indoor robotic navigation, 5th International Conference on Electronic Devices, Systems and Applications (ICEDSA), 2016, pp. 1—4.Jiménez A. C., GarcÍa-DÍaz V., Bolaños S. A decentralized framework for multi-agent robotic systems // Sensors. 2018. Vol. 18, N. 2. P. 417.Jiménez A. C., GarcÍa-DÍaz V., Bolaños S. A decentralized framework for multi-agent robotic systems, Sensors, 2018, vol. 18, no. 2, pp. 417.Kakamoukas G. A., Sarigiannidis P. G., Economides A. A. FANETs in Agriculture-A routing protocol survey // Internet of Things. 2020. P. 100183.Kakamoukas G. A., Sarigiannidis P. G., Economides A. A. FANETs in Agriculture-A routing protocol survey, Internet of Things, 2020, p. 100183.Khan A., Aftab F., Zhang Z. Self-organization based clustering scheme for FANETs using Glowworm Swarm Optimization // Physical Communication. 2019. Vol. 36. P. 100769.Khan A., Aftab F., Zhang Z. Self-organization based clustering scheme for FANETs using Glowworm Swarm Optimization, Physical Communication, 2019, vol. 36, p. 100769.Srinivasan S. Design and use of managed overlay networks: thesis. Georgia Institute of Technology, 2007.Srinivasan S. Design and use of managed overlay networks: thesis, Georgia Institute of Technology, 2007.Majcherczyk N., Jayabalan A., Beltrame G., Pinciroli C. Decentralized connectivity-preserving deployment of large-scale robot swarms // 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2018. P. 4295—4302.Majcherczyk N., Jayabalan A., Beltrame G., Pinciroli C. Decentralized connectivity-preserving deployment of large-scale robot swarms, 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2018, pp. 4295—4302.Guo Y., Hu X., Hu B., Cheng J., Zhou M., Kwok R. Y. Mobile cyber physical systems: Current challenges and future networking applications // IEEE Access. 2017. Vol. 6. P. 12360—12368.Guo Y., Hu X., Hu B., Cheng J., Zhou M., Kwok R. Y. Mobile cyber physical systems: Current challenges and future networking applications, IEEE Access, 2017, vol. 6, pp. 12360—12368.Foehr M., Vollmar J., Calà A., Leitão P., Karnouskos S., Colombo A. W. Engineering of next generation cyber-physical automation system architectures // Multi-Disciplinary Engineering for Cyber-Physical Production Systems. Springer, Cham, 2017. P. 185—206.Foehr M., Vollmar J., Calà A., Leitão P., Karnouskos S., Colombo A. W. Engineering of next generation cyber-physical automation system architectures, Multi-Disciplinary Engineering for CyberPhysical Production Systems. Springer, Cham, 2017. pp. 185—206.Schneider G. F., Wicaksono H., Ovtcharova J. Virtual engineering of cyber-physical automation systems: The case of control logic // Advanced Engineering Informatics. 2019. Vol. 39. P. 127—143.Schneider G. F., Wicaksono H., Ovtcharova J. Virtual engineering of cyber-physical automation systems: The case of control logic, Advanced Engineering Informatics, 2019, vol. 39, pp. 127—143.Okpoti E. S., Jeong I. J. A reactive decentralized coordination algorithm for event-driven production planning and control: A cyber-physical production system prototype case study // Journal of Manufacturing Systems. 2021. Vol. 58. Part A. P. 143—158.Okpoti E. S., Jeong I. J. A reactive decentralized coordination algorithm for event-driven production planning and control: A cyber-physical production system prototype case study, Journal of Manufacturing Systems, 2021, vol. 58, Part A, pp. 143—158.Lambrou T. P., Panayiotou C. G. A Survey on Routing Techniques Supporting Mobility in Sensor Networks // Proceedings of the 5th international conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Networks (MSN’09). 2009. P. 78—85.Lambrou T. P., Panayiotou C. G. A Survey on Routing Techniques Supporting Mobility in Sensor Networks, Proceedings of the 5th international conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Networks (MSN’09), 2009, pp. 78—85.The Zone Routing Protocol (ZRP) for Ad Hoc Networks. URL: https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-manet-zone-zrp-04 (дата обращения: 18.09.2021).The Zone Routing Protocol (ZRP) for Ad Hoc Networks, available at: https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-manet-zonezrp-04 (accessed: 18.09.2021).Ratasich D., Höftberger O., Isakovic H., Shafique M., Grosu R. A self-healing framework for building resilient cyberphysical systems // 2017 IEEE 20th International Symposium on Real-Time Distributed Computing (ISORC). 2017. P. 133—140.Ratasich D., Höftberger O., Isakovic H., Shafique M., Grosu R. A self-healing framework for building resilient cyberphysical systems, 2017 IEEE 20th International Symposium on Real-Time Distributed Computing (ISORC), 2017, pp. 133—140.Höftberger O., Obermaisser R. Ontology-based runtime reconfiguration of distributed embedded real-time systems // 16th IEEE International Symposium on Object/component/serviceoriented Real-time distributed Computing (ISORC 2013). 2013. P. 1—9.Höftberger O., Obermaisser R. Ontology-based runtime reconfiguration of distributed embedded real-time systems, 16th IEEE International Symposium on Object/component/service-oriented Real-time distributed Computing (ISORC 2013), 2013, pp. 1—9.Pallás-Areny R., Webster J. Sensors and Signal Conditioning. New York, John Wiley & Sons, 2001.Pallás-Areny R., Webster J. Sensors and Signal Conditioning, New York, John Wiley & Sons, 2nd Edition, 2001.U. S. Access Board Draft Information and Communication Technology (ICT) Standards and Guidelines (U. S. Access Board, Washington, DC). 2010. URL: https://www.accessboard. gov/attachments/article/560/draft-rule2010.pdf (дата обращения: 18.09.2021).U. S. Access Board Draft Information and Communication Technology (ICT) Standards and Guidelines (U. S. Access Board, Washington, DC), 2010, available at: https://www.accessboard.gov/attachments/article/560/draft-rule2010.pdf (accessed: 18.09.2021)Охтилев М. Ю., Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006. 410 с.Ohtilev M. Ju., Sokolov B. V., Yusupov R. M. Intelligent technologies for monitoring and controlling the structural dynamics of complex technical objects. Moscow, Nauka, 2006, 410 p. (in Russian)Городецкий В. И., Ларюхин В. Б., Скобелев П. О. Концептуальная модель цифровой платформы для киберфизического управления современным предприятием. Часть 1. Цифровая платформа и цифровая экосистема // Мехатроника, автоматизация, управление. 2019. Т. 20, № 6. С. 323—332.Gorodetsky V. I., Laryukhin V. B., Skobelev P. O. Conceptual Model of a Digital Platform for Cyber-Physical Management of a Modern Enterprises Part 1. Digital Platform and Digital Ecosystem, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2019, vol. 20, no. 6, pp. 323—332 (in Russian).Городецкий В. И., Ларюхин В. Б., Скобелев П. О. Концептуальная модель цифровой платформы для киберфизического управления современным предприятием. Часть 2. Цифровые сервисы // Мехатроника, автоматизация, управление. 2019. Т. 20, № 7. С. 387—397.Gorodetsky V. I., Laryukhin V. B., Skobelev P. O. Conceptual Model of a Digital Platform for Cyber-Physical Management of a Modern Enterprises. Part 2. Digital Services, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravleni, 2019, vol. 20, no. 7, pp. 387—397 (in Russian).Кычкин А. В., Николаев А. В. Архитектура киберфизической системы управления проветриванием подземного горнодобывающего предприятия на базе платформы интернета вещей // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 3. С. 115—123.Kychkin A. V., Nikolaev A. V. Architecture of a CyberPhysical System for the Mining Enterprise Ventilation Control Based on the Internet of Things Platform, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2021, vol. 22, no. 3, pp. 115—123 (in Russian).Ковалев С. П. Проектирование гетерогенных киберфизических систем с применением теории категорий // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 2. С. 59—67.Kovalyov S. P. Designing Heterogeneous Cyber-Physical Systems Using Category Theory, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2022, vol. 23, no. 2, pp. 59—67 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.