CYNEDIC

Project

30/12/2016

Resumen: Los Sistemas Ciberf¡sicos (SCFs) son sistemas complejos compuestos por un n£mero de entidades de distinta naturaleza que interact£an con un medio f¡sico determinado. Estas entidades pueden ser por ejemplo autom¢viles, robots, tel‚fonos m¢viles, electrodom‚sticos, y sensores o actuadores en general, que se conectan con un sistema o una serie de subsistemas f¡sicos interconectados, en el que tambi‚n pueden estar involucrados animales, plantas y personas. Los SCFs est n cada vez m s presentes en la sociedad, constituyendo el n£cleo de aplicaciones como los llamados hogares o edificios inteligentes (smart homes/buildings), los sistemas de monitorizaci¢n del tr fico y prevenci¢n de accidentes, las redes el‚ctricas inteligentes (smartgrids), o el llamado internet de las cosas (Internet of Things). Sin embargo, a£n se necesita avanzar mucho en el desarrollo de los SCFs es crucial para su despliegue tanto en estas tecnolog‹as como en otras muchas aplicaciones futuras de gran inter‚s. Una de las dificultades que presentan los SCFs, que deriva de su inherente complejidad y heterogeneidad, es la necesidad de conocer, o al menos tener una estimaci¢n fiable de las variables del sistema completo, tanto para monitorizarlo y supervisarlo como para poder teleoperarlo o controlarlo correctamente. Dado que las entidades que forman parte de un SCF tienen en general capacidades de computaci¢n y de comunicaci¢n diferentes, as¡ como acceso a cierta informaci¢n local del sistema completo, dependiendo por ejemplo de su ubicaci¢n, se hace necesario desarrollar estrategias coordinadas para poder supervisar el sistema de forma distribuida desde los dispositivos que se integran en ‚l. Adem s, en muchas ocasiones los dispositivos tienen necesidades o restricciones distintas a la hora de comunicarse y compartir informaci¢n, de forma que se hace necesario considerar situaciones de negociaci¢n din ­micas entre los agentes. El objetivo de este proyecto consiste en desarrollar una nueva generaci¢n de t‚cnicas de estimaci¢n distribuida para SCFs, que tengan en consideraci¢n la naturaleza heterog‚nea de los elementos que los constituyen. Para ello, se utilizar n modelos f¡sicos de los sistemas que permitan obtener predicciones de comportamiento, se integrar n las medidas recogidas por cada agente, y se desarrollar n estrategias de comunicaci¢n y fusi¢n de la informaci¢n que posibiliten mejorar estas estimaciones. El proyecto abordae  4 objetivos principales: i) Estimaci¢n y supervisi¢n: se desarrollar n nuevos algoritmos que consideren la variabilidad en las caracter¡sticas de estos sistemas:continuos vs discretos, lineales vs no lineales, humanos/animales vs artificiales, s¡ncronos vs as¡ncronos, etc. ii) Estrategias de comunicaci¢n: se investigar n estrategias de muestreo multi-rate, para adaptar las tasas de muestreo a las din micas de las variables; y estrategias de comunicaci¢n as¡ncronas, que logran un uso eficaz del ancho de banda disponible y un aumento de la autonom¡a de los agentes. iii) Cooperaci¢n y negociaci¢n: se propondr n soluciones cooperativas para balancear las restricciones/preferencias de los agentes o dispositivos con los objetivos globales del SCF completo, explorando estructuras de negociaci¢n din micas. iv) Tolerancia a fallos y robustez ante ciberataques: se considerar n escenarios de ciberataques a los agentes y fallos en enlaces de comunicaci¢n, aportando soluciones robustas a los mismos. Abstract: Cyber-physical systems (CPS) are complex systems composed of elements of different nature interacting with a physical environment. These elements can be, for example, cars, robots, cell phones, electrical appliances, or sensors and actuators, interacting with a physical environment, where even animals or humans beings may be involved. CPSs are more and more present in todays society, as they are in the core of applications like smart homes or smart buildings, traffic monitoring systems and accident prevention, smartgrids, or the so-called Internet of Things. Nonetheless, a deeper understanding and development of CPSs is needed in order to enhance this technologies and many other future applications of great interest. One of the main difficulties in CPSs, which stems directly from its complexity and inherent heterogeneity, is the need of knowing or, at least, having a reliable estimation of the system variables, in such a way that the whole system can be monitored and supervised as well as teleoperated or controlled. Since elements integrating CPSs have, in general, different computation and communication capacities, and they have only access to certain local information of the global system, depending for example on its location, it is necessary to develop coordinated strategies in order to supervise the whole system. Furthermore, it can be expected that the involved elements or agents have different needs or constraints when communicating and sharing information, so dynamic negotiation structures between agents need to be considered. This project aims at developing a new generation of distributed estimation and supervision techniques for CPSs, taking into account the heterogeneous nature of the elements in the system. In order to do that, physical models of these systems will be used to make predictions of their behavior, measurements taken by each agent will be included to correct these predictions, and lastly communication and information fusion strategies will be developed to make possible further improvement of the estimations. The project will focus on four main objectives: i) Estimation and supervision: new algorithms will be developed taking into account the heterogeneous systems: continuous/discrete, linear/non-linear, natural/artificials, synchronous/asynchronous, etc. ii) Communication strategies: multi-rate sampling strategies will be investigated to adapt the sampling rates to the dynamic of the systems; and also asynchronous communication policies will be developed in other to provide an efficient use of the available bandwidth and enlarge the agents autonomy. iii) Cooperation and negotiation: cooperative solutions will be proposed to trade-off between the preference/constraints of the different devices or agents and the whole CPS performance. To do that, we will provide new dynamic negotiation structures. iv) Fault tolerance and robustness against cyberattacks: the project will consider scenario with cyberattacks and sensor failures and it will provide robust solutions against this events.

AGENCIA ESTATAL DE INVESTIGACION

38962 €

Departamento de Ingeniería
Optimization and Control of Distributed Systems