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Sistemas cyber-físicos e cidades inteligentes

Saiba como dispositivos inteligentes, sensores e atuadores estão promovendo o avanço de implementações da Internet of Things

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Sinergia dos mundos virtual e físico

Dispositivos inteligentes estão se tornando mais sofisticados com capacidades ampliadas, ao mesmo tempo em que continuam sendo uma tecnologia de baixo custo. Ainda, muitos desses dispositivos inteligentes contam com a prevalência de redes wireless de alta velocidade, incluindo redes de celular 4G. Com a Internet of Things, cada objeto pode recuperar informações do ambiente e então gerenciar e compartilhar essas informações com outros dispositivos ou usuários.

A Internet of Things é um ambiente dinâmico e distribuído composto por diversos dispositivos inteligentes que detectam o ambiente e são capazes de agir nele. Devido a esses dispositivos, é possível monitorar o ambiente externo, coletar informações sobre o mundo real e criar um tipo de computação onipresente que permite que cada dispositivo se comunique com qualquer outro dispositivo do mundo, de qualquer lugar. A IoT tem como objetivo tornar a Internet mais abrangente permitindo que os dispositivos sejam interconectados e colaborem entre si como sensores únicos ou como um conjunto de sensores que criam macroterminais e atuam como sistemas inteiros.

A sinergia dos componentes computacionais e físicos, especificamente o uso de cyber-physical systems (CPSs), levou ao avanço das implementações da Internet of Things. CPSs lançaram a cooperação entre elementos dos espaços virtual e físico ao integrar recursos computacionais. CPSs costumam dar suporte a processos da vida real e fornecer controle operacional de objetos da Internet of Things, que permitem aos dispositivos físicos detectar o ambiente e modificá-lo.

A Internet of Things (IoT) é uma tecnologia revolucionária que oferece o potencial para inovações e melhorias significativas a ambientes sociais e corporativos. Com tecnologias IoT, é possível criar aplicativos adaptáveis e inteligentes que podem gerenciar melhor os recursos e fornecer sistemas mais eficientes. IoT e CPSs são projetados para dar suporte a aplicativos que possam gerenciar grandes quantidades de dados e uma ampla variedade de dados do ambiente. Assim, CPSs podem impulsionar a visão da cidade inteligente usando tecnologias de informação e comunicação para um gerenciamento de recursos mais eficiente. Cidades inteligentes focam em fornecer serviços inovadores e de melhor qualidade aos seus cidadãos melhorando a infraestrutura da cidade ao mesmo tempo em que reduzem os custos gerais.

Sistemas cyber-físicos

Em um cyber-physical system (CPS), elementos de computação coordenam-se e comunicam-se com sensores, que monitoram indicadores virtuais e físicos, e atuadores, que modificam o ambiente virtual e físico em que são executados. CPSs costumam buscar controlar o ambiente de alguma maneira. CPSs usam sensores para conectarem toda a inteligência distribuída no ambiente para obter um conhecimento mais profundo do ambiente, o que possibilita uma atuação mais precisa.

Em um contexto físico, atuadores agem e modificam o ambiente em que os usuários vivem. Em um contexto virtual, CPSs são usados para coletar dados das atividades virtuais dos usuários, como seu envolvimento em redes sociais, blogs ou sites de e-commerce. Então, os CPSs reagem de alguma maneira aos dados para prever as ações ou as necessidades dos usuários como um todo. Com soluções de software como o IBM WebSphere Sensor Events, é possível conectar-se e analisar dados e eventos em tempo real provenientes de sensores e integrá-los em soluções mais inteligentes.

Figura 1. Arquitetura do CPS
Architecture of a CPS, including sensors and actuators

Algumas aplicações práticas de sistemas cyber-físicos incluem:

  • No ambiente de fabricação, os CPSs podem melhorar os processos compartilhando informações em tempo real entre máquinas industriais, cadeias de fornecimento de fabricação, fornecedores, sistemas de negócio e clientes. CPSs também podem melhorar esses processos por meio de automonitoramento e controle de todos os processos de produção e pela adaptação da produção para atender às preferências dos clientes. Os CPSs fornecem um grau maior de visibilidade e controle sobre as cadeias de fornecimento, melhorando a rastreabilidade e a segurança das mercadorias.
  • No ambiente de saúde, CPSs são usados para monitorar em tempo real e remotamente as condições físicas de pacientes e limitar a hospitalização (por exemplo, para pessoas que sofrem do mal de Alzheimer) ou para melhorar tratamentos para pacientes inválidos e idosos. CPSs também são usados na pesquisa na área de neurociência para entender melhor as funções humanas com o suporte de interfaces cérebro-máquina e robótica terapêutica.
  • No ambiente de energia renovável, trabalhos inteligentes são CPSs em que sensores e outros dispositivos monitoram a rede para controlá-la e proporcionar maior confiabilidade e melhorar a eficiência no consumo da energia.
  • Em ambientes de prédios inteligentes, dispositivos inteligentes e CPSs interagem para reduzir o consumo de energia, aumentar a segurança e a proteção e aumentar o conforto dos moradores. Por exemplo, com CPSs, é possível ativar o uso de sistemas de monitoramento e controle de energia, o que ajuda a obter prédios de energia zero, e também é possível determinar a extensão dos danos que os prédios sofrem após eventos inesperados e ajudar a prevenir falhas estruturais.
  • No ambiente de transporte, veículos individuais e a infraestrutura podem se comunicar entre si, compartilhando informações em tempo real sobre tráfego, localização ou problemas para prevenir acidentes ou congestionamentos, aumentar a segurança e, por fim, economizar tempo e dinheiro.
  • No ambiente de agricultura, CPSs podem ser usados para criar uma agricultura mais moderna e precisa. CPSs podem coletar informações fundamentais sobre clima, terreno e outros dados para criar sistemas mais precisos de gerenciamento agrícola. CPSs podem monitorar constantemente diferentes recursos, como irrigação, umidade, saúde da planta, entre outros, e, assim, manter os valores ambientais ideais.
  • Em redes de computadores, os CPSs podem impulsionar ambientes virtuais para melhor entender os comportamentos dos sistemas e dos usuários, o que pode ajudar a melhorar o desempenho e o gerenciamento de recursos. Por exemplo, os aplicativos podem ser otimizados para trabalhar em relação aos contextos e às ações dos usuários ou para monitorar os recursos disponíveis. Além disso, redes sociais populares e websites de e-commerce armazenam informações de navegação dos usuários e o conteúdo da web dos usuários, analisam essas informações e tentam prever os interesses e fazer recomendações de amigos, postagens, links, páginas, eventos ou produtos.

Cidades Inteligentes

As cidades inteligentes podem ser vistas como sistemas cyber-físicos em ampla escala, com sensores monitorando indicadores virtuais e físicos e com atuadores mudando dinamicamente o ambiente urbano complexo de alguma maneira. Governos, organizações e indústrias de tecnologia estão fazendo frente aos desafios de maior urbanização, trabalhando para melhorar a vida urbana oferecendo utilização de energia ou serviços mais eficientes, por exemplo.

De acordo com o relatório United Nations Population Prospects, revisão de 2014 , a população urbana mundial está crescendo rapidamente, sendo cada vez maior. Em 2014, 54% da população mundial residia em áreas urbanas, e as próximas décadas trarão mudanças ainda mais profundas ao tamanho e à distribuição espacial da população global. Em 1950, 30% da população mundial era urbana; até 2050, é projetado que 66% da população mundial será urbana. Figura 2 é capturada da Figura 2 no relatório United Nations Population Prospects, revisão de 2014 .

Figura 2. Essa figura é do relatório United Nations Population Prospects, revisão de 2014, que mostra as populações urbana e rural do mundo de 1950 a 2050
Figure that shows the urban and rural population (in millions) of the world,                     1950 to 2050
Figure that shows the urban and rural population (in millions) of the world, 1950 to 2050

Com a tensão que a população urbana e cada vez mais velha coloca sobre uma cidade, as áreas urbanas devem repensar suas estruturas organizacionais e infraestruturas conforme enfrentam novos desafios. Esses desafios incluem como usar de maneira responsável (e não desperdiçar) recursos importantes, como energia, água, alimentos e outras matérias-primas. O crescimento urbano rápido e não planejado ameaça o desenvolvimento sustentável se a infraestrutura necessária não for desenvolvida. Nesse contexto, melhorar as eficiências é crucial para o sucesso de uma cidade. Assim, cidades inteligentes (CPSs em grande escala) estão se acumulando, como Santander, Cingapura, Boston e muitas outras (leia os estudos de caso IBM).

O mapa na Figura 3 ilustra a distribuição de cidades inteligentes (e não inteligentes) com uma população superior a 100 mil habitantes na Europa. Cidades inteligentes como aquelas que cumprem os critérios com base em características como governança inteligente, modo de viver inteligente, mobilidade inteligente, pessoas inteligentes, economia inteligente e meio ambiente inteligente. Figura 3 é capturada da Figura 10 no relatório do Parlamento da UE, Mapping Smart Cities in the EU, publicado em 2014.

Figura 3. Mapping Smart Cities in the EU, 2014, figura do relatório que mostra as cidades com uma população superior a 100 mil que não são cidades inteligentes e cidades inteligentes na Europa.
Map that shows the smart cities, and not smart cities, across European                     countries
Map that shows the smart cities, and not smart cities, across European countries

SmartSantander é um projeto em grande escala que distribui milhares de sensores pela cidade de Santander, na Espanha. O objetivo é desenvolver uma solução inteligente e melhorar vários aspectos da vida na cidade, como redução do tráfego, redução do consumo de energia, melhoria da qualidade do meio ambiente e incentivo à participação dos cidadãos. O projeto também espera compartilhar essas informações ambientais e desenvolver outros aplicativos úteis. A pesquisa também está testando para determinar se é possível reduzir as distâncias entre projetos teóricos de infraestruturas inteligentes e a adoção de aplicativos práticos em um ambiente do mundo real. Os resultados desse teste ajudarão a disseminar a Internet of Things (IoT) e CPSs em cenários reais no futuro.

Cingapura, que foi nomeada a cidade mais inteligente do mundo por muitos anos, está se tornando uma nação líder na implementação de infraestruturas inteligentes e no fornecimento de serviços de qualidade (consulte "What's the Second Act for the World's First Intelligent Community"). Cingapura é um dos principais centros de negócios do mundo, tem um dos portos mais movimentados e é a sede do quinto maior aeroporto da Ásia. Cingapura espera criar a primeira nação inteligente do mundo para impulsionar o crescimento econômico, atender às necessidades da população e ser um exemplo para outras nações. Os insights dessa nação inteligente são agrupados como:

  • Melhores políticas para gerenciar diferentes contextos
  • Desenvolvimento de novos modelos de negócio e fluxos de receita que possam fortalecer o crescimento econômico
  • Um aumento na participação dos cidadãos na criação de serviços de qualidade que possam melhorar a vida cotidiana da comunidade

Boston recebeu a IBM Smarter Cities Challenge 2012 Grant com base nas suas inovações e no ecossistema existente. Na verdade, a presença de muitas universidades e empresas start-ups na área levam a cidade a desenvolver pesquisa em tecnologia de ponta e acostuma a cidade a adotar novos modelos com mais frequência. Além disso, Boston investe pesado em pesquisa e desenvolvimento e inovação tecnológica. Seus cidadãos são considerados como estando entre as pessoas mais inteligentes do mundo. Boston foi uma das primeiras áreas urbanas a usar crowdsourcing para coletar dados do seu ambiente. Boston lançou um experimento piloto para promover a colaboração dos cidadãos e incentivar sua participação, com o objetivo de melhorar a qualidade dos serviços.

Desafios futuros

Para sistemas cyber-físicos e cidades inteligentes obterem sucesso, as pessoas precisam pensar e agir de modo diferente e envolver-se mais na vida da cidade. Comunidades ativas que possam agregar o conhecimento distribuído de cada indivíduo e concluir ações sinérgicas para melhorar os serviços da cidade são fundamentais.

A tecnologia atual permite computação distribuída e crowdsourcing, compartilhamento de informações entre os usuários e desenvolvimento de uma inteligência coletiva. Inteligência coletiva é uma das chaves para o sucesso de CPSs e cidades inteligentes. A inteligência coletiva usa crowdsensing para o monitoramento cooperativo do ambiente urbano. Também almeja a atuação cooperativa das operações para realizar tarefas de interesse geral de maneira eficiente.

Da perspectiva técnica, muitos desafios ainda precisam ser resolvidos, pelo menos de uma maneira eficiente e aplicável em termos industriais. Alguns dos desafios são:

  • Heterogeneidade dos dados A heterogeneidade dos dados é um problema significativo que pode afetar o desempenho da comunicação e o projeto de protocolos de comunicação. Os sistemas precisam poder dar suporte a um grande número de aplicativos e dispositivos diferentes.
  • Confiabilidade CPSs são adequados para usar em contextos críticos, como saúde, infraestrutura, transporte e muitos outros. Confiabilidade e segurança são exigências básicas devido ao modo como os atuadores afetam o ambiente. Na verdade, o impacto dos atuadores também pode ser irreversível e, portanto, a presença de comportamento inesperado deve ser minimizada. Principalmente, o ambiente não é previsível, assim, os CPSs devem continuar operando sob circunstâncias inesperadas e adaptar-se no caso de falhas.
  • Gerenciamento de dados É necessário armazenar e analisar big data proveniente de diferentes dispositivos conectados, processá-los e mostrar resultados em tempo real. Os dados podem ser gerenciados usando processamento de fluxo offline ou online em relação aos objetivos do sistema. Em particular com um fluxo online, as informações podem mudar com frequência com as condições em tempo real e são baseadas em consultas contínuas e adaptáveis.
  • Privacidade O desafio é equilibrar preocupações quanto a privacidade e controle de dados pessoais, com a possibilidade de acessar dados para fornecer serviços melhores. Uma vez que CPSs gerenciam grandes quantidades de dados, incluindo informações confidenciais, como saúde, sexo, religião e muitas outras, surgem problemas significativos sobre a privacidade dos dados. Os CPSs exigem políticas para abordar questões de privacidade, assim, uma ferramenta de gerenciamento de anonimização é necessária para anonimizar as informações antes de o sistema processá-las.
  • Segurança Os CPSs devem garantir a segurança durante as comunicações porque todas as ações entre os dispositivos são coordenadas em tempo real. Conforme os CPSs expandem-se e aumentam as interações entre sistemas físicos e virtuais, os problemas de segurança afetam mais CPSs. Infraestruturas de segurança tradicionais não são suficientes para abordar o problema, sendo necessário encontrar novas soluções. Problemas de segurança são críticos em novos dados e em dados armazenados coletados para uso futuro. Por fim, os CPSs são baseados em aplicativos heterogêneos e em comunicações sem fio, o que costuma trazer problemas de segurança críticos.
  • Tempo real Os CPSs gerenciam grandes quantidades de dados derivados de sensores. As computações precisam funcionar com eficiência e rapidamente, pois os processos físicos continuam operando independentemente dos resultados dos cálculos. Para atender a essa exigência, os CPSs devem garantir que tenham a largura de banda ou a capacidade de sistema necessários para realizar funções urgentes, uma vez que falhas no momento das ações podem causar danos permanentes.

Conclusão

Devemos adotar a evolução tecnológica que a Internet of Things, e CPSs em particular, trazem para a nossa vida cotidiana. Essas tecnologias aumentarão a qualidade dos serviços e, por fim, beneficiarão o meio ambiente conforme forem implementadas pelo mundo.

CPSs, como um condutor de inovação, envolve muitas disciplinas diferentes. As indústrias como um tudo têm a oportunidade de transformar CPSs em um campo industrialmente aplicável. Além disso, CPSs requerem uma mão de obra altamente qualificada, promovendo colaborações e iterações entre indústrias e universidades. Por fim, CPSs têm um grande potencial para mudar e melhorar cada aspecto da vida das pessoas, abordando desafios críticos para a nossa sociedade e superando os sistemas distribuídos atuais em termos de segurança, desempenho, eficiência, confiabilidade, usabilidade e muitos outros quesitos.


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Zone=Big data e análise de dados, Internet of Things
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