Hệ thống thực ảo và xu hướng số hoá hệ thống sản xuất trong công nghiệp 4.0

Hệ thống thực ảo, thuật ngữ chỉ sự tích hợp sâu giữa quá trình vật lý và quá trình điện toán, ra đời trong xu hướng chuyển dịch này. Bài viết này tập trung vào việc giải thích thuật ngữ trên và phân tích ảnh hưởng của nó đến hoạt động sản xuất công nghiệp hiện nay.

Lê Tự Huy, Nguyễn Bá Khải, Trần Quang Khải 64 HỆ THỐNG THỰC ẢO VÀ XU HƯỚNG SỐ HOÁ HỆ THỐNG SẢN XUẤT TRONG CÔNG NGHIỆP 4.0 CYBER PHYSICAL SYSTEM AND SYSTEM DIGITIZATION IN INDUSTRY 4.0 Lê Tự Huy, Nguyễn Bá Khải, Trần Quang Khải* Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng1 *Tác giả liên hệ: tqkhai@dut.udn.vn (Nhận bài: 21/6/2021; Chấp nhận đăng: 10/9/2021) Tóm tắt - Thế kỉ XXI chứng kiến bùng nổ cơng nghệ điện tốn đám mây, Internet vạn vật, học máy trí tuệ nhân tạo Ngồi ra, phát triển công nghệ vật liệu công nghệ gia công giúp cảm biến cấu chấp hành tinh gọn Đây tảng tác động giúp cho hệ thống sản xuất thực bước chuyển từ hệ thống sản xuất tự động sang hệ thống sản xuất thông minh "Hệ thống thực ảo", thuật ngữ tích hợp sâu trình vật lý q trình điện tốn, đời xu hướng chuyển dịch Bài báo tập trung vào việc giải thích thuật ngữ phân tích ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất công nghiệp Abstract - The twenty-first century is witnessing an explosion of new technologies such as cloud computing, Internet of Things, machine learning and artificial intelligence In addition, the development of material technology and machining technology has enabled sensors and actuators to be more streamlined These are the platforms that have enabled existing production systems to make a transition from automated production systems to intelligent production systems "Cyber Physical System”, the term for the deep integration between physical and computational processes, was born in this shifting trend This article focuses on explaining the above term and analyzing its impact on today's industrial production Từ khóa - Cơng nghiệp 4.0; Hệ thống thực ảo; Hệ thống nhúng; Internet vạn vật Key words - Industry 4.0; Cyber-Physical System (CPS); Embedded System; Internet of Things (IoT) Đặt vấn đề Trong năm cuối kỷ XX, khái niệm hệ thống nhúng (embedded system) đời hệ thống máy tính thu nhỏ tích hợp vào thiết bị dân dụng (như TV, máy giặt, máy sấy) thiết bị công nghiệp (như cân điện tử, động điện, lò hơi) để điều khiển thiết bị [1] Theo [2], trang thiết bị đại thường mô tả công thức: Thiết bị = Hệ thống nhúng + Hệ thống vật lý Hệ thống nhúng gồm nhiều thành phần cấu thành cảm biến, chuyển đổi tín hiệu, khối thu thập xử lý thơng tin (có thể vi điều khiển, PLC - điều khiển logic khả lập trình) [3] Hệ thống nhúng hoạt động nguyên tắc chung thu thập liệu (từ cảm biến), sau chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến thành tín hiệu mà vi điều khiển PLC đọc xử lí thơng qua chuyển đổi tín hiệu, vi điều khiển PLC có nhiệm vụ xử lí tín hiệu chuyển đổi đưa tín hiệu điều khiển tương ứng cho cấu chấp hành [3] Hệ thống nhúng khác với hệ thống máy tính thơng thơng thường chỗ xử lí cho một vài tác vụ chuyên biệt cụ thể, tùy biến, chuyên dụng giúp nâng cao tính dễ sử dụng tiết kiệm tài nguyên, ưu điểm hệ thống nhúng Hệ thống nhúng đơn giản hóa phần cứng, nhỏ gọn, giúp giảm chi phí tổng thể hữu ích cho ứng dụng sản xuất hàng loạt Một ví dụ đơn giản hệ thống nhúng cân điện tử Trước có đời hệ thống nhúng, đa phần hệ thống cân sử dụng kết cấu khí nặng cồng kềnh Kết cân thường hiển thị đồng hồ kim gây khó khăn cho việc đọc ghi kết Với cảm biến tải trọng (load cell), chuyển đổi tương tự - số (ADC), vi điều khiển hình hiển thị LCD, cấu tạo hệ thống cân trở nên nhỏ gọn nhiều việc đọc kết dễ dàng trực quan Hệ thống vật lý khái niệm dùng để phần tử vật lý thiết bị không nằm hệ thống nhúng, có nhiệm vụ thực tương tác vật lý nhằm đảm bảo đại lượng vật lý ln đạt giá trị mong muốn [1] Các tương tác vật lý hệ thống vật lý thấy mắt thường, khơng Tuy nhiên tương tác vật lý phải mô tả phương trình tốn lý thân phương trình phải lập trình hệ thống nhúng Các hệ thống nhúng thực tế lắp đặt nhiều thiết bị khác (như xe hơi, cân điện tử, lò hơi, ) Tuy nhiên, chúng ln có đặc điểm chung: Chương trình bị ràng buộc quy luật vật lý, tiếp nhận xử lý thông tin theo thời gian thực, yêu cầu cao khả sử dụng tiết kiệm lượng [1] Chúng thường xử lí điều khiển một vài đại lượng vật lý (như nhiệt độ, tốc độ, độ ẩm, khối lượng) dựa liệu đầu vào thu thập từ cảm biến tương ứng với đại lượng vật lý [4] Ví dụ, cân điện tử, trọng lượng đối tượng cần cân tác động lên bàn cân làm biến dạng máy đo biến dạng cảm biến tải trọng tạo thay đổi điện áp cầu điện trở phân áp Đây ví dụ điển hình tương tác vật lý (mặc dù tương tác đôi lúc không thấy mắt thường) Sự thay đổi điện áp cầu phân áp The University of Danang - University of Science and Technology (Le Tu Huy, Nguyen Ba Khai, Tran Quang Khai) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 10, 2021 máy đo biến dạng khuếch đại chuyển đổi thành tín hiệu số truyền khối xử lý thông tin theo thời gian thực Chúng ta sử dụng phương trình tốn để mơ tả độ biến thiên điện áp khối lượng đo tương ứng: Khối lượng = A× ∆U+B với, B phần bù (khối lượng không tải cân, đơn vị kg), A hệ số chuyển đổi (đơn vị kg/mV) ∆U độ lệch điện áp có tải khơng tải Vì giới hạn cơng nghệ chủng loại cảm biến, hệ thống nhúng thời kỳ đầu thường tập trung vào việc điều khiển cho hệ thống vật lý gắn với (theo định nghĩa [2]) Bởi lượng thông tin thu thập từ mơi trường vật lý bên ngồi tương đối hạn chế, yếu tố vật lý khác từ môi trường thường giả thiết ảnh hưởng nhỏ đến hệ thống bỏ qua Điều dẫn đến thiết bị hoạt động tốt mơi trường chuyển qua môi trường khác hoạt động khơng mong muốn (ví dụ số loại cân điện tử hoạt động khơng ổn định mơi trường có độ ẩm nhiệt độ cao) Hơn nữa, nhược điểm hệ thống nhúng tài nguyên nhớ hạn chế, việc lưu trữ liệu từ nhiều cảm biến khó khăn Ngồi ra, trước có đời bùng nổ Internet vạn vật (Internet of Things, IoT), thiết bị đa phần hoạt động độc lập với kết nối thông qua giao tiếp có dây tương đối phức tạp Sự đời loại cảm biến tinh vi giúp thu thập nhiều liệu vật lý từ môi trường Các cảm biến không dây (wireless sensor) thiết bị IoT giúp việc kết nối thu thập liệu thiết bị dễ dàng Điều dẫn đến yêu cầu loại hệ thống có khả thu thập xử lí thơng tin không cho nội hệ thống điều khiển xét mà cịn cho mơi trường xung quanh hệ thống này, cần xét phương diện tổng thể hệ thống hoạt động cách chủ động, thuận tiện thông minh Cyber-Physical System (CPS, tạm dịch hệ thống thực ảo) đời nhằm giải vấn đề Hệ thống thực ảo (Cyber Physiscal System) Lần giới thiệu vào năm 2006 Hoa Kỳ [5], CPS khái niệm tương đối chưa có định nghĩa chung thống Sau số định nghĩa CPS phổ biến Theo [2], CPS "sự tích hợp q trình điện tốn vào q trình vật lý hoạt động hệ thống phải xác định phần thực (các chi tiết vật lý) phần ảo (phần cứng phần mềm)" Lee đồng nghiệp định nghĩa CPS "sự tích hợp điện tốn với trình vật lý [6] đồng thời đề xuất mô tả CPS: CPS = Hệ thống nhúng + Môi trường vật lý" Cần lưu ý khái niệm môi trường vật lý định nghĩa CPS rộng so với hệ thống vật lý định nghĩa hệ thống nhúng phần đặt vấn đề, vốn đề cập đến phần tử vật lý thiết bị xét Tại hội nghị CPS Summit 2008, nhà nghiên cứu thống CPS khái niệm dùng để "các hệ thống kỹ thuật có kết nối chặt chẽ, tích hợp sâu giao tiếp mức độ rộng hệ thống điện toán với thực thể giới thực, hay gọi giới vật lý" [7] Uỷ ban châu Âu (European Commission, EC) đề xuất khái niệm CPS "thế hệ hệ thống thông tin 65 truyền thông (ICT) nhúng Các hệ thống liên kết phối hợp với thông qua IoT nhằm cung cấp cho người dân doanh nghiệp giải pháp dịch vụ tiên tiến" [8] Có thể thấy bốn định nghĩa trên, CPS nhấn mạnh vào phần điện tốn xử lý thơng tin khơng gian ảo (cyber space) Điều đạt do: - Phần cứng hệ thống nhúng trang bị CPU có tốc độ xử lí nhanh giúp cho hệ thống xử lí liệu nhanh hơn; Nhiều tác vụ xử lí trực tiếp hệ thống nhúng mà không cần phải gửi liệu máy chủ trung tâm, điều giúp giảm tải lưu lượng mạng cho toàn hệ thống giảm độ trễ điều khiển - Bộ nhớ flash có giá ngày rẻ giúp lượng thơng tin trích xuất từ liệu lưu trữ nhiều hơn; Lượng liệu dồi tảng cho cơng nghệ liệu lớn (big data) để trích xuất nhiều đặc trưng hệ thống - Các cảm biến có độ xác cao vi cảm biến tích hợp sâu vào chi tiết vật lý giúp thu thập nhiều liệu từ môi trường vật lý hơn; - Giao tiếp không dây Internet vạn vật giúp cho việc giao tiếp cảm biến thiết bị, thiết bị với thiết bị hệ thống với hệ thống dễ dàng Việc tự giám sát thông minh truyền liệu thời gian thực sau xử lý, ghi chép phân tích giúp tiết kiệm nhiều thời gian khâu bảo dưỡng, giám sát người CPS giúp ích cho việc tự ghi chép phân tích liệu thu được, giúp khai phá nguy tiềm tàng q trình vận hành Ngồi ra, việc xử lí thơng tin khơng thiết thực hệ thống nhúng hệ thống máy chủ cục có vị trí địa lý cố định mà thực thơng qua Internet nhờ ứng dụng điện tốn đám mây [9] Hình mô tả cấu trúc hệ thống thực ảo tổng quát Hình Cấu trúc hệ thống thực ảo [2] Một ví dụ hệ thống thực ảo máy giải toán tháp Hà Nội [10], tốn mơ tả sau: Có ba cột số đĩa trịn có đường kính khác nhau; Ban đầu đĩa xếp theo thứ tự đường kính giảm dần từ lên cột đó, mục tiêu phải xếp đĩa theo thứ tự đường kính đĩa giảm dần theo thứ tự từ cột ban đầu sang cột khác; lần di chuyển đĩa đĩa phải đĩa nằm cột đó; đặt đĩa lên đĩa lượt đặt đĩa có đường kính bé lên đĩa có đường kính lớn Hệ thống thực ảo cho toán mô tả sau: Phần hệ thống vật lý (physical plant) gồm cánh tay robot di chuyển trượt Cánh tay robot thực chuyển động tịnh tiến lên xuống Cơ 66 cấu chấp hành ống hút chân khơng có nhiệm vụ hút nhả đĩa Trên cánh tay robot gồm hai camera có nhiệm vụ xác định vị trí trượt xác định đĩa cần di chuyển Với mơ hình (hệ thống nhúng + hệ thống vật lý) truyền thống, cần xác định lực hút đủ để nâng đĩa nặng điều khiển cấu hút chân khơng để nâng tồn đĩa Điều dẫn đến lãng phí lượng Trong số trường hợp, lí đó, cấp đủ lực hút đĩa khơng nâng lên dẫn đến việc thực thuật tốn bị sai (vì đĩa chưa nâng lên để bỏ qua cột khác hệ thống xử lí di chuyển) Với mơ hình CPS: Các đĩa tích hợp cảm biến vị trí thơng tin đĩa khối lượng, đường kính, màu sắc tích hợp chip NFC, điều cho phép ta điều chỉnh cấu chấp hành với lực hút phù hợp cho loại đĩa để tiết kiệm lượng hoạt động Vì đĩa có cảm biến vị trí nên hệ thống máy tính hồn tồn có đủ liệu vị trí đĩa lượt di chuyển để tiến hành thực thuật tốn xác Hai camera có nhiệm vụ truyền liệu hình ảnh vi xử lí để nhằm điều khiển cánh tay robot trượt tới vị trí cần nâng đĩa Ngồi ra, sử dụng liệu từ camera hồn tồn xác định nâng đĩa hay chưa Trong ví dụ này, với không gian (vật lý) làm việc máy, toàn tương tác vật lý xét đến nhờ hệ thống cảm biến nói Ngồi ra, cảm biến không dây giúp cho hệ thống tinh gọn nhiều Phần ảo tích hợp sâu vào phần tử vật lý thông qua phần cứng chip NFC Các vi xử lí, vi điều khiển hệ thống nhúng ngày mạnh giúp việc xử lí lượng lớn liệu vật lý từ mơi trường làm trực tiếp hệ thống nhúng mà không cần phải gửi máy chủ, giúp giảm tải lưu lượng cho mạng lưới giảm độ trễ xử lí Cấu trúc hệ thống ví dụ thể Hình Hình Cấu trúc hệ thống máy giải toán Tháp Hà Nội [10] Các lĩnh vực hưởng lợi ích từ phát triển CPS kể gồm: Giao thông vận tải [11], Nhà máy thơng minh [12], Y tế [13], Cơng trình xây dựng thơng minh [14], Dự báo tình trạng cơng trình xây dựng [15], Lưới điện thơng minh [16], Thí nghiệm khoa học [17], An ninh xã hội [18], Phục hồi sau khủng hoảng [19], Robot [20], Nông nghiệp [21], Quân [22], Thiết bị dân dụng [23] Lê Tự Huy, Nguyễn Bá Khải, Trần Quang Khải Các đặc trưng CPS Có nhiều cách tiếp cận để phân tích đặc trưng hệ thống thực ảo Theo [5], trích xuất đặc trưng hệ thống thực ảo mặt kỹ thuật - kinh tế CPS có đặc trưng sau: Kỹ thuật: Hệ thống nhúng cảm biến tích hợp sâu vào hệ thống vật lý mơi trường vật lý Vì vậy, hệ thống thực ảo nhấn mạnh vào việc giao tiếp (communication) xử lí thơng tin (information processing) phần thực phần ảo Tập trung vào kỹ thuật hiểu việc tập trung vào mảng giao tiếp hay mảng xử lí thơng tin Khi thiết kế hệ thống CPS, cần ý vào việc thiết kế đồng thời chi tiết vật lý chi tiết nhúng để đảm bảo hoạt động ổn định giao tiếp hiệu hai thành phần này; Ngồi ra, khả xử lí liệu phải có hiệu suất cao để giảm tải cho hệ thống nhằm mục đích giảm chi phí tối ưu nguyên cơng Liên kết: phải có liên kết chặt chẽ ba khía cạnh tính chất hệ thống + quyền hạn + quản lý hành - Tính chất hệ thống: Khi xây dựng hệ thống thực ảo, phải nêu tính chất quan trọng hệ thống Đó an tồn vận hành, bảo mật thông tin, thân thiện với mơi trường Vì hệ thống thực ảo có giao tiếp với thiết bị IoT nên vấn đề bảo mật không gian mạng (Cyber Security) phải trọng - Quyền hạn: Ở thống sử dụng tiêu chuẩn công nghiệp thượng tơn pháp luật Ví dụ, hệ thống thực ảo sử dụng nhiều cảm biến không dây để truyền tải liệu giao tiếp với hệ thống nhúng, giao tiếp khơng dây phải sử dụng băng tần tiêu chuẩn cho phép pháp luật Ngoài ra, hệ thống thực ảo thu thập nhiều liệu từ môi trường vật lý bên ngoài, việc thu thập phải cho phép pháp luật - Cuối cùng, quản lý hành chính: Chỉ việc thực quy tắc, quy định, luật quyền hạn cho phép để đảm bảo tính chất hệ thống an tồn lao động, hiệu suất cơng việc bảo mật thông tin hệ thống Mức độ tự động hóa: Khi thiết kế CPS, mục tiêu giảm tải khối lượng công việc cho người tăng khả hoạt động độc lập máy móc Tuy nhiên, nhiều q trình có mặt người bắt buộc để đảm bảo an tồn lao động Vì khơng nên lạm dụng tự động hóa cho tồn quy trình sản xuất Vòng đời hệ thống: Trước hệ thống thực ảo đời, vòng đời hệ thống, sản phẩm thường khuyến cáo sử dụng khoảng thời gian đặt trước Với CPS, nhờ cảm biến tinh vi, ta biết tình trạng sức khỏe chi tiết hệ thống để có lịch trình làm việc thay cụ thể cho phần Việc giúp việc bảo trì hệ thống dễ dàng giúp giảm chi phí đầu tư Theo [1], tập trung vào khía cạnh kỹ thuật vịng đời hoạt động hệ thống thực ảo, phải đáp ứng tính chất sau: Có tính phụ thuộc: Vì hệ thống thực ảo phải tiếp nhận liệu từ môi trường bên để phục vụ cho việc điều khiển hệ thống vật lý hệ thống vật lý có tác động ngược lại với mơi trường bên ngồi nên phần ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 10, 2021 tử (vật lý ảo) phải có tính phụ thuộc để đưa tín hiệu điều khiển phù hợp với môi trường vật lý bao quanh Có khả kiểm sốt nguồn lực: Các nguồn lực bao gồm lượng sử dụng hệ thống, thời gian thực thi, độ dài chương trình, khối lượng (vật lý) hệ thống chi phí sản xuất/ hoạt động hệ thống Có khả sử dụng tận dụng liệu lớn (big data): Vì hệ thống thực ảo thu thập lượng lớn liệu từ môi trường vật lý nên hệ thống phải có khả xử lí liệu hiệu Khi kết nối hệ thống thực ảo với nhau, hệ thống liên kết phải có khả tận dụng liệu lớn các hệ thống cung cấp Có tác động tích cực đến mặt đời sống: Hệ thống thực ảo đời nhằm giúp giảm tải công việc cho người, tạo hệ thống máy móc thân thiện với người môi trường CPS cung cấp giải pháp có tính bền vững: Cơng nghệ CPS cung cấp giải pháp hỗ trợ việc xử lý với tính bền vững, chẳng hạn thiết kế kiến trúc mô-đun để tạo điều kiện tái sử dụng tái chế Việc quản lý hệ thống vậy, đối phó với rủi ro an ninh an toàn, cung cấp khả tương tác hiệu quả, đặt rào cản công công nghiệp hóa Thiếu giải pháp cần thiết, ngăn cản thành cơng tiến hóa cơng nghiệp CPS có khả gây ảnh hưởng - thay đổi đáng kể chất thị trường: Điều thông qua việc tạo thị trường thông qua thay đổi đáng kể hệ sinh thái CyPhERS devel chọn phương pháp phân tích thị trường để cố gắng xác định tiềm CPS để định hình thị trường Phương pháp, bổ sung cho đặc điểm mô tả, bao gồm phân tích hội hạn chế "lớp": Xã hội, Quy trình, Thơng tin Cơng nghệ Hình SPIT [5] Thiết kế CPS Có nhiều cách để thiết kế hệ thống thực ảo Một cách tiếp cận phổ biến sử dụng cách Thiết kế dựa mơ hình [24] Quy trình thiết kế dựa mơ hình mơ tả gồm 10 bước: (1) Xác định vấn đề; (2) Mơ hình hố q trình vật lý; (3) Tìm thơng số đặc trưng 67 mơ hình tốn-lý; (4) Xác định thuật tốn điều khiển; (5) Xác định mơ hình tính tốn; (6) thiết kế phần cứng; (7) Mơ phỏng; (8) chế tạo thiết bị; (9) Viết tối ưu chương trình phần mềm; (10) Kiểm tra chạy thử Lee Seshia đề xuất cách tiếp cận tổng quát để thiết kế hệ thống thực ảo quy trình ba bước [2] (xem Hình 4): Hình Quy trình thiết kế hệ thống CPS [2] (i) Mơ hình hố: Mơ tả hệ thống phương trình tốn lý tìm thơng số đặc trưng hệ thống Một hệ thống thực ảo bao gồm phần hệ thống vật lý, hệ thống nhúng môi trường giao tiếp hai hệ thống này, ta cần tìm tất thơng số đặc trưng ba yếu tố cấu thành (ii) Thiết kế xây dựng: Dựa thông số đặc trưng hệ thống, lựa chọn kết hợp phần tử vật lý phần tử ảo thích hợp nhằm tạo thiết bị thực công việc cụ thể Các phần tử vật lý cảm biến, cấu chấp hành, vi xử lí, phần tử ảo kiến trúc nhớ, giao tiếp vào/ra chương trình thực thi nạp ROM nhớ hệ thống nhúng (iii) Phân tích: Trên thiết bị thiết kế, tiến hành kiểm tra thử có hồn thành công việc yêu cầu chưa có thoả mãn thơng số đặc trưng mơ hình khơng thơng qua việc đo đạc phân tích số liệu Như Hình 4, ba phần quy trình chồng chéo lên nhau, quy trình thiết kế di chuyển lặp lặp lại ba phần Thông thường, q trình bắt đầu với việc lập mơ hình, mục tiêu hiểu vấn đề phát triển chiến lược giải pháp Ứng dụng CPS cơng nghiệp xu hướng số hố Như đề cập từ trước, nhiều lĩnh vực đời sống hưởng lợi ích từ hệ thống thực ảo Ví dụ, cấp độ vi mô người dùng thông thường, thấy lợi ích từ CPS nhà thơng minh [14, 23]; Chúng ta có nhà tồ nhà mở cửa tự động cho người vào dựa thông tin sinh trắc học (khuôn mặt, dấu vân tay, mống mắt), hành lang tự động bật đèn có người thiếu ánh sáng, tắt đèn đủ sáng khơng có người qua lại để tiết kiệm lượng; Thông tin người nhà quản lý bảo mật, tất người có trách nhiệm truy cập thơng tin đâu Ở cấp độ vừa, liệu tình trạng vật lý vật lớn (ví dụ tình trạng giao thơng thành phố) thu thập phần ảo CPS tính tốn tuyến đường phù hợp để di chuyển đến đích mà gặp tắc đường [11] Ở cấp độ vĩ mô, CPS hệ thống điện quốc gia [16] Nguồn cung nhiên liệu hoá thạch Lê Tự Huy, Nguyễn Bá Khải, Trần Quang Khải 68 truyền thống có hạn, điện hạt nhân cịn ẩn chứa nguy hiểm, việc sử dụng nguồn lượng tái tạo điều phối lượng tồn lưới điện cần thiết Có thể thấy, việc ứng dụng CPS ngày rộng xu hướng chung [25] Đại dịch Covid-19 làm cho xu hướng chuyển đổi số ngày mạnh mẽ CPS đóng góp khơng nhỏ cho cơng chuyển đổi Tại Hoa Kỳ, Mạng lưới sản xuất quốc gia (National Network for Manufacturing) thành lập "Hiệp hội sản xuất tiên tiến 2.0" để tăng cường hợp tác đổi nhà máy xí nghiệp nước tình hình Tại Đức, ngành công nghiệp nước đề xuất biên soạn tiêu chuẩn cho Công nghiệp 4.0 Tại Anh, "Sản xuất giá trị cao", chương trình đề xuất phủ Anh đời nhằm đầu tư khuyến khích doanh nghiệp tiến hành chuyển đổi số Tại Việt Nam, trình chuyển đổi số nhà nước khuyến khích hỗ trợ: Xu hướng Nhà máy thông minh nhờ vào hệ thống CPS ngày phát triển [26] Theo [25], lĩnh vực cơng nghiệp cải thiện nhờ CPS bao gồm: Tự động hoá sản xuất: Dựa tảng số hố tồn dây chuyền sản xuất; nâng cao khả giao tiếp máy máy (machine-to-machine communication, M2M); module hoá hệ thống máy móc nhằm đảm bảo tính chất cắm sản xuất (plug-to-produce) sử dụng thiết bị tự hành (automated guided vehicle, AGV) Đây tảng cho việc xây dựng nhà máy thơng minh Tự động hố q trình: Đây khái niệm gần với khái niệm tự động hố sản xuất có khác biệt Nếu tự động hoá sản xuất việc nguyên công thực cách tự động dựa quy tắc quy định định từ trước, việc tự động hố q trình đề cập đến việc tự động hố việc quản lý nguồn lực khâu sản xuất đưa kế hoạch sản xuất (scheduling) tối ưu dựa nguồn lực có mà khơng cần can thiệp người (nhờ thuật tốn học máy trí tuệ nhân tạo) Trong CPS, phần tử nhà máy định danh nhờ vào RFID NFC, thùng chứa nguyên liệu, sản phẩm in thông tin mã hố bao bì (mã vạch, mã QR, RFID) Tương tác người máy: Có thực tế diễn máy móc thay người số công việc [27] Tuy nhiên, người yếu tố thay nhiều lĩnh vực Một xu hướng lên tăng tính tương tác người máy với mục đích giúp người thực tác vụ khó với trợ giúp máy móc mà không làm công việc người Trong cơng nghiệp, lý an tồn lao động, người không hoạt động vùng không gian làm việc máy móc Với đời CPS, hệ thống sản xuất cơng nghiệp an tồn cảm biến nhận diện va chạm người máy mili giây dừng toàn hệ thống Các khung xương robot trợ lực giúp cơng nhân nâng hạ tải trọng nặng gấp nhiều lần giới hạn người mà đảm bảo sức khoẻ an toàn lao động Điện toán phi tập trung: Ở phần trước, ta biết sức mạnh vi xử lí vi điều khiển hệ thống nhúng ngày gia tăng Điều dẫn đến liệu xử lí trích xuất thơng tin hữu ích thiết bị, giúp cho giảm tải lưu lượng liệu truyền hệ thống mạng giảm tải xử lí cho hệ thống trung tâm Dữ liệu lớn: Hệ thống thực ảo thu thập lượng lớn liệu từ môi trường vật lý hệ thống vật lý Các liệu bao gồm: Dữ liệu hoạt động máy móc (thời gian hoạt động, cường độ hoạt động ), danh sách lỗi phát sinh tồn hệ thống, lịch sử bảo trì máy móc Với lượng liệu đồ sộ thu thập từ nhiều nhà máy, ta ứng dụng thuật tốn học máy (ví dụ Nhận dạng mẫu) để dự báo lỗi phát sinh máy móc đưa lịch trình bảo trì, sửa chữa phù hợp An ninh mạng: Hệ thống thực ảo xây dựng dựa tảng cảm biến không dây thiết bị IoT có kết nối với thơng qua mạng cục mạng Internet Vì vậy, thiết bị hồn tồn bị xâm nhập chiếm quyền điều khiển không bảo mật tốt Khi hệ thống thực ảo phát triển mạnh số lượng mục tiêu cho tin tặc công Vấn đề bảo mật an ninh mạng trở nên cấp thiết nhận nhiều quan tâm thiết kế CPS bối cảnh Quản lý kiến thức: Các hệ thống thực ảo hoạt động dựa việc xử lí lượng lớn liệu trích xuất thơng tin cần thiết cho việc điều khiển hoạt động hệ thống Các liệu đa số liệu kỹ thuật có tính định tính định lượng cao Tuy nhiên, để hệ thống hoạt động hiệu ngồi liệu kỹ thuật trên, cần liệu phi kỹ thuật Các liệu phi kỹ thuật thường hiểu biết nhân viên làm việc nhà máy Đó thông thạo nhân viên vận hành loại máy cụ thể, ghi chép tính tình, cảm xúc nhân viên quản lý phân xưởng, ghi chép hỏng hóc khơng mang tính hệ thống Đây kiến thức khó để mơ hình hố thực thi máy tính lại ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động Vì vậy, cần phải có quy trình ghi chép, phân loại xếp kiến thức phi kỹ thuật cách có hệ thống cho mục đích quản lý điều hành hoạt động Nâng cao trình độ chuyên môn: CPS làm thay đổi nhiều cách thức vận hành bảo trì nhà máy Một nhân viên cần kiến thức đa ngành để làm việc hệ thống Các quản lý nhân viên có kinh nghiệm cần có hình thức đào tạo hướng dẫn phù hợp cho nhân viên Học tập đào tạo trực tuyến (E-learning) hình thức đào tạo bối cảnh giúp cho học viên quen với tương tác người máy từ sớm Kết luận Hệ thống CPS có tích hợp mạnh mẽ IoT giới vật lý, cụ tích hợp thiết bị khác trang bị nhiều cảm biến, có khả nhận dạng, xử lí, giao tiếp khơng nội hệ thống xét mà môi trường xung quanh nó, giúp có hệ thống thơng minh hữu dụng Bài báo nghiên cứu tảng, vai trò tầm quan trọng CPS công nghiệp 4.0 Từ đời CPS, việc thực nhu cầu thực tế trở nên ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 19, NO 10, 2021 dễ dàng Dựa tổng hợp, nghiên cứu từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau, báo mang lại nhìn tổng quan tồn diện vấn đề liên quan đến CPS đồng thời thảo luận xu hướng, tiềm công nghiệp 4.0 dựa CPS [16] [17] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Marwedel, Peter, “Embedded system design”, Vol New York: Springer, 2006, p1-2 [2] Lee, Edward Ashford, and Sanjit A Seshia, Introduction to embedded systems: A cyber-physical systems approach, Mit Press, 2017 [3] Peckol, James K, “Embedded systems: a contemporary design tool”, John Wiley & Sons, 2019, p3-8 [4] Malinowski, Aleksander, and Hao Yu, “Comparison of embedded system design for industrial applications”, IEEE transactions on industrial informatics 7.2, 2011, 244-254 [5] Song, Houbing, et al., eds, Cyber-physical systems: foundations, principles and applications, Morgan Kaufmann, 2016 [6] Lee, Edward A., Computing foundations and practice for cyberphysical systems: A preliminary report, University of California, Berkeley, Tech Rep UCB/EECS-2007-72 21, 2007 [7] CPS-Summit, Holistic approaches to cyber-physical integration., CPSWeek report, 2008, Available from: iccps2012.cse.wustl.edu/ _doc/CPS_Summit_Report.pdf (accessed September 2015) [8] European Commission, Topic: Smart cyber-physical systems., http://ec.europa.eu/research/participants/portal/desktop/en/opportun ities/h2020/topics/ict-01-2014.html, 2013 [9] Shu, Z., Wan, J., Zhang, D., & Li, D “Cloud-integrated cyberphysical systems for complex industrial applications”, Mobile Networks and Applications, 21(5), 2016, 865-878 [10] Mosterman, P J., Zander, J., & Han, Z, The towers of hanoi as a cyberphysical system education case study., In Proc of the First Workshop on Cyber-Physical Systems Education at CPSWeek, 2013, April [11] Xiong, Gang, et al., “Cyber-physical-social system in intelligent transportation”, IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica 2.3, 2015, 320-333 [12] Jiang, Jehn-Ruey, “An improved cyber-physical systems architecture for Industry 4.0 smart factories”, Advances in Mechanical Engineering, 10.6, 2018, 1687814018784192 [13] Zhang, Yin, et al “Health-CPS: Healthcare cyber-physical system assisted by cloud and big data”, IEEE Systems Journal, 11.1, 2015, 88-95 [14] Gurgen, Levent, et al., “Self-aware cyber-physical systems and applications in smart buildings and cities” Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE), IEEE, 2013 [15] Hackmann, Gregory, et al “Cyber-physical codesign of distributed structural health monitoring with wireless sensor networks” IEEE [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] 69 Transactions on Parallel and Distributed Systems, 25.1, IEEE, 2013, (pp 63-72) Karnouskos, S., “Cyber-physical systems in the smartgrid” In 2011 9th IEEE international conference on industrial informatics, IEEE, (2011, July), (pp 20-23) Talcott, Carolyn "Cyber-physical systems and events” SoftwareIntensive Systems and New Computing Paradigms, 49, Springer, Berlin, Heidelberg, 2008, (pp 101-115) Drăgoicea, M., Leonard, M., Ciolofan, S N., & Militaru, G (2019) “Managing Data, information, and technology in cyber physical systems”, public safety as a service and its systems, 7, IEEE Access, 92672-92692, (May 2019), (pp 1-21) Mariappan, R., Reddy, P N., & Wu, C (2015, December)” Cyber physical system using intelligent wireless sensor actuator networks for disaster recovery” In 2015 International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks (CICN), 16248181, IEEE,18 August 2016, (pp 95-99) Luo, Ren C., and Chia-Wen Kuo “Intelligent seven-DoF robot with dynamic obstacle avoidance and 3-D object recognition for industrial cyber–physical systems in manufacturing automation”, Proceedings of the IEEE, 104, IEEE, (May 2016), (pp 1102-1113) Rad, C R., Hancu, O., Takacs, I A., & Olteanu G., “Smart monitoring of potato crop: a cyber-physical system architecture model in the field of precision agriculture” Agriculture and Agricultural Science Procedia, 6, 2015, (pp 73-79) Rashid, N., Wan, J., Quiros, G., Canedo, A., & Al Faruque, M, “Modeling and simulation of cyberattacks for resilient cyberphysical systems”, In 2017 13th IEEE Conference on Automation Science and Engineering (CASE), 2161-8089, IEEE, (2017, August), (pp 988-993) Awais Ahmad, Anand Paul, M Mazhar Rathore, Hangbae Chang , “Smart cyber society: Integration of capillary devices with high usability based on Cyber–Physical System”, Future Generation Computer Systems, 56, March 2016, (pp 493-503) Jensen, J C., Chang, D H., & Lee, E A, “A model-based design methodology for cyber-physical systems”, In 2011 7th international wireless communications and mobile computing conference, 12179330, IEEE, 12 August 2011, (pp 1666-1671) Oks, S J., Fritzsche, A., & Möslein, K M “An application map for industrial cyber-physical systems”, Industrial Internet of Things– Cyber_manufacturing_Systems, 978-3-319-42558-0, Springer International Publishing, 2017, (pp 21-46) Thanh, B T., & Thao, N N., “Nhà máy thông minh hiệu sản xuất doanh nghiệp cách mạng công nghiệp 4.0–nghiên cứu Công ty Bosch Việt Nam”, Kỷ yếu hội thảo, 978-604-80-35655, nhà xuất thông tin truyền thông, 2018, trang 219-241 Hoeschl, M B., Bueno, T C., & Hoeschl, H C (2017, November) “Fourth industrial revolution and the future of engineering: could robots replace human jobs? How ethical recommendations can help engineers rule on artificial intelligence”, In 2017 7th World Engineering Education Forum (WEEF),18098577, IEEE, 3-16 Nov 2017, (pp 21-26)  ... trưng hệ thống thực ảo mặt kỹ thuật - kinh tế CPS có đặc trưng sau: Kỹ thuật: Hệ thống nhúng cảm biến tích hợp sâu vào hệ thống vật lý mơi trường vật lý Vì vậy, hệ thống thực ảo nhấn mạnh vào việc... sử dụng hệ thống, thời gian thực thi, độ dài chương trình, khối lượng (vật lý) hệ thống chi phí sản xu? ??t/ hoạt động hệ thống Có khả sử dụng tận dụng liệu lớn (big data): Vì hệ thống thực ảo thu... trình tốn lý tìm thơng số đặc trưng hệ thống Một hệ thống thực ảo bao gồm phần hệ thống vật lý, hệ thống nhúng môi trường giao tiếp hai hệ thống này, ta cần tìm tất thơng số đặc trưng ba yếu tố