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Los sistemas ciberfísicos, claves en la Industria 4.0

16/05/2022

Los sistemas CPS son componentes clave de la Industria 4.0, y ya están transformando la forma en que los seres humanos interactúan con el entorno físico al integrarlo con el mundo cibernético. El objetivo de la implantación de los sistemas CPS, ya sea dentro o fuera de IoT (IoCPT), es mejorar la calidad de los productos y la disponibilidad y fiabilidad de los sistemas.

El término sistema ciberfísico suele referirse a los sistemas de elementos computacionales que colaboran y que controlan entidades físicas, generalmente utilizando la retroalimentación de los sensores que monitorizan. Las similitudes en el uso de redes Internet y los sensores en las definiciones de IoT y CPS podrían llevarnos a preguntarnos si estos dos términos son diferentes definiciones del mismo concepto. Pero, aunque hay similitudes, un CPS no es lo mismo que el IoT. El IoT se basa en conexiones entre activos físicos a través de las cuales se pueden transferir datos. Las conexiones son posibles gracias a la implantación segura de redes informáticas, Internet y protocolos de comunicación.
Normalmente, los sistemas ciberfísicos (CPS) incluyen varios sistemas interconectados, que pueden supervisar y manipular objetos y procesos reales. Están estrechamente relacionados con los sistemas de la Internet de las Cosas (IoT), con la diferencia de que los CPS se centran en la interacción entre los procesos físicos, de red y de computación. Su integración con el IoT dio lugar a una nueva vertiente de CPS, la Internet de las Cosas Ciberfísicas (IoCPT). La rápida y significativa evolución de la CPS afecta a varios aspectos de la vida de las personas y permite una gama más amplia de servicios y aplicaciones como la sanidad electrónica, los hogares inteligentes, el comercio electrónico, etc.
Los sistemas ciberfísicos (CPS) se consideran componentes esenciales del Internet Industrial de las Cosas (IIoT), y se supone que desempeñarán un papel clave en la Industria 4.0. El CPS permite que las aplicaciones y los servicios inteligentes funcionen con precisión y en tiempo real. Se basan en la integración de sistemas cibernéticos, sistemas físicos y cibernéticos, que intercambian varios tipos de datos e información sensible en tiempo real. El desarrollo de los CPS está siendo llevado a cabo por investigadores y fabricantes. Dado que los CPS y la Industria 4.0 ofrecen un importante potencial económico, el valor bruto alemán se incrementará en un acumulado de 267.000 millones de euros para 2025 tras la introducción de los CPS en la Industria 4.0.

Pero, ¿qué es un CPS?
Un CPS se identifica como una red de sistemas embebidos que interactúan con entradas y salidas físicas. En otras palabras, un CPS consiste en la combinación de varios sistemas interconectados con la capacidad de supervisar y manipular objetos y procesos reales relacionados con el IoT. Un CPS incluye tres componentes centrales: sensores, agregadores y actuadores. Además, los sistemas CPS pueden detectar el entorno circundante, con la capacidad de adaptar y controlar el mundo físico. Esto se atribuye principalmente a su flexibilidad y capacidad para cambiar el tiempo de ejecución de los procesos del sistema mediante el uso de la computación en tiempo real. De hecho, los sistemas CPS se están utilizando en múltiples ámbitos y están integrados en diferentes sistemas de transmisión de energía, sistemas de comunicación, sistemas agrícolas/ecológicos, sistemas militares y sistemas autónomos (drones, robótica, coches autónomos, etc.), coches autónomos, dominios de atención médica para mejorar los servicios médicos, etc. Además, los CPS pueden usarse en la gestión de la cadena de suministro para permitir la transición eco, rentable y segura del proceso de fabricación.

Capas y componentes de CPS
La arquitectura de los sistemas CPS consta de diferentes capas y componentes, que se basan en diferentes protocolos y tecnologías de comunicación para comunicarse entre las diferentes capas.

Capas CPS
La arquitectura de los CPS consta de tres capas principales, la capa de percepción, la capa de transmisión y la capa de aplicación.

Capa de percepción
También se conoce como capa de reconocimiento o capa de detección. Incluye equipos como sensores, actuadores, agregadores, etiquetas de identificación por radiofrecuencia (RFID), sistemas de posicionamiento global (GPS) y otros dispositivos. Estos dispositivos recogen datos en tiempo real para supervisar, seguir e interpretar el mundo físico. Entre los ejemplos de estos datos recogidos se encuentran el consumo eléctrico, el calor, la ubicación, la química y la biología, además de las señales de luz y sonido, entre otras, según el tipo de sensores empleados. Estos sensores generan datos en tiempo real en dominios de red amplios y locales, antes de ser añadidos y analizados por la capa de aplicación. Además, al ser sistemas informáticos entran en el riesgo de ciberataques, por lo que la seguridad de los actuadores depende de fuentes autorizadas para garantizar que, tanto la retroalimentación como los comandos de control estén libres de errores y protegidos.
Generalmente, para aumentar el nivel de seguridad se requiere un esquema de encriptación en cada capa. Por lo tanto, se necesitan cálculos pesados y grandes requisitos de memoria. En este contexto, es necesario diseñar protocolos de seguridad eficientes y ligeros, que tengan en cuenta las capacidades de los dispositivos y los requisitos de seguridad.

Capa de transmisión
También se conoce como capa de transporte o capa de red, y es la segunda capa de CPS. Esta capa intercambia y procesa datos entre las capas de percepción y aplicación. La transmisión de datos y la interacción se realiza a través de Internet utilizando redes de área local (LAN) y protocolos de comunicación Bluetooth, 4G y 5G, infrarrojos (IR) y ZigBee, (IR) y ZigBee, Wi-Fi, Long Term Evolution (LTE) junto con otras tecnologías. Para ello, se utilizan varios protocolos para hacer frente al aumento del número de dispositivos conectados a Internet, como el Protocolo de Internet (IPv6). Esta capa también garantiza el enrutamiento y la transmisión de datos mediante plataformas de computación en la nube, dispositivos de enrutamiento, conmutación y puertas de enlace de Internet, cortafuegos y sistemas de detección y prevención de intrusiones (IDS/IPS). Antes de externalizar los contenidos de los datos es esencial asegurar su transmisión para evitar intrusiones y ataques maliciosos, como el malware, la inyección de código malicioso, denegación de servicio de Servicio Distribuido (DoS/DDoS), escuchas y ataques de acceso no autorizado. Esto supone un reto, especialmente para los dispositivos con recursos limitados, debido a la sobrecarga impuesta en términos de recursos de procesamiento y energía.

Capa de aplicación
Es la tercera y más interactiva. Procesa la información recibida de la capa de transmisión de datos y emite comandos, que son ejecutados por las unidades físicas, incluyendo sensores y actuadores. Esto se hace mediante la implementación de complejos algoritmos de toma de decisiones basados en los datos añadidos. Además, esta capa recibe y procesa información de la capa de percepción antes de determinar las acciones automatizadas correctamente invocadas. De hecho, la computación en la nube, el middleware y los algoritmos para gestionar los datos están en esta capa. Proteger y preservar la privacidad requiere proteger los datos privados para que no se filtren. Los enfoques de protección más conocidos incluyen la anonimización, el enmascaramiento de datos (camuflaje), la preservación de la privacidad y la compartición de secretos. Además, esta capa también requiere un fuerte proceso de autenticación multifactorial para evitar el acceso no autorizado y la escalada de privilegios. Debido al aumento del número de dispositivos conectados a Internet, el tamaño de los datos generados que se ha convertido en un problema importante. Por lo tanto, la seguridad de los big data requiere técnicas de protección eficientes para procesar enormes cantidades de datos de manera oportuna y eficiente.

Componentes CPS
Los componentes CPS se utilizan para detectar información, o para controlar señales. En este sentido, los componentes CPS se clasifican en dos categorías principales: Componentes de detección (SC) que recogen y sienten la información y los componentes de control (CC) que supervisan y controlan señales.
 

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