Информационно-публицистический образовательный журнал

Киберфизические системы в образовании

Статья посвящена анализу технологического развития общества, основной характеристикой которого является научно-техническая и цифровая трансформация. На стыке материального (искусственного) и цифрового миров возникают киберфизические системы, ставящее перед человеком задачи по изменению базовых технологий и формированию нового мышления, позволяющему думать одновременно в реальном и виртуальном форматах.

Как отвечает образование этому вызову цифрового общества?

Дмитрий Махотин, канд. пед. наук, главный редактор журнала «Интерактивное образование»

Существуют разные концепции технологического развития экономики и общества, объясняющие смену базовых технологий и научно-техническую трансформацию – смена технологических укладов, эпохи индустриализма и постиндустриализма, идеи информационного общества, переход экономики от 1.0 до 4.0 и прочие. Как ответ этим концепциям и запросам от новой экономики и производства – в образовании начинают обсуждать концепции «постиндустриального образования» (А.М. Новиков [10]), образование 3.0 и 4.0 [1, 5, 6, 8], цифровое образование…

Среди этих концепций важным, на наш взгляд, является переход от природного мира к материальному и дальше к цифровому. Если первый переход был долговременным и сопровождаемым целым рядом промышленных революций (как минимум, первой и второй) и внедрением новых, последовательно сменявших друг друга технологий; то второй переход,  связанный с цифровой трансформацией – будет значительно быстрым и всеохватывающим, проникающим во все сферы производства и социума.

Высокие технологии индустриального или материального (физического) мира – передовые технологии обработки материалов (вещества) с высокой степенью управления технологическими процессами, а также управление «атомом» и другими физико-химическими процессами, технологиями, в которых преобладают конвергенция науки и технологий, и пользуются исключительно инженерной терминологией – мониторинг, техника и технологии, проектирование, конструирование, моделирование и пр.
Технологии цифрового мира – технологии, основанные не просто на цифровизации всех технологических процессов и получения мгновенной обратной связи от технических систем, — это технологии глубокого проникновения «цифры» в «технологию», что позволяет выделять новый уровень систем – не технических, а киберфизических, намного более сложных и многомерных (от 3D и выше). 

Термин «киберфизические системы» предложила в 2006 году Хелен Джилл, директор по встроенным и гибридным системам в Национальном научном фонде США, чтобы подчеркнуть отличительную особенность организованного ею семинара NSF CPS Workshop. Организаторы воркшопа пытались пересмотреть роль встроенных систем, и это им удалось — они уловили общую тенденцию, а уже через пару лет началось стремительное развитие CPS, и прогресс в этом классе систем был признан одним из наиболее важных направлений технического развития в США, а чуть позже и в Европе [7].

В русскоязычной википедии Киберфизическая система (cyber-physical system, CPS) рассматривается как «информационно-технологическая концепция, подразумевающая интеграцию вычислительных ресурсов в физические сущности любого вида, включая биологические и рукотворные объекты. В киберфизических системах вычислительная компонента распределена по всей физической системе, которая является её носителем, и синергетически увязана с её составляющими элементами» [3].

В англоязычной Википедии уточняется, что в киберфизических системах физические и программные компоненты глубоко переплетены, действуют как встроенные системы (в отличие от автономных устройств), в том числе на разных пространственных и временных уровнях, и взаимодействуют друг с другом способами, которые изменяются с контекстом [12].
Среди технологий, которые лежат в основе развития киберфизических систем, отмечают: большие данные и аналитику, нейронные сети и глубокое машинное обучение, облачные вычисления, интернет вещей, моделирование и стимуляторы, дополненную реальность, кибербезопасность и пр.
Л. Черняк рассуждая, что сложность возникающих в киберфизических системах задач приводит к мысли о том, что речь не идет о создании интеллектуальных систем, более крупных, чем существующие, где компьютеры интегрированы или встроены в те или иные физические устройства или системы [11]. Речь идет о взаимодействии двух типов моделей: с одной стороны, это традиционные инженерные модели (механические, строительные, электрические, биологические, химические, экономические и другие), а с другой — модели компьютерные.

Модель является системным элементом киберфизических систем – от того, как она соотносится с реальностью, реальными техническими и прочими объектами, зависит работоспособность и эффективность киберфизической системы, управляющей процессами с помощью «цифрового двойника». Уже сегодня ученые отмечают, что реальность – это не трёхмерная картина зданий и технических объектов, – это многомерное представление, доходящее до десятков измерений. Считается, что не за горами появление новой научной области (дисциплины) проектирование моделей (model engineering). При этом у специалистов, проектирующих и управляющих киберфизическими системами, возникает новое многомерное мышление – позволяющее им понимать, как реальный (физический мир), так и отражение его в мире цифровом. Потребность на таких специалистах растет в геометрической прогрессии (их фактически сегодня нет на рынке труда).

По мнению немецких ученых, появление киберфизических систем и формирования на их основе «Индустрии 4.0» затрагивают интересы общества в целом, поэтому должны рассматриваться не только в техническом, а в более широком социокультурном аспекте, с учетом демографических и других происходящих изменений (рис. 2, [11]).
Исследования высокотехнологичных компаний показывают серьезный рост развития киберфизических систем, который во многом связывают с ростом количества и качества «умных» устройств и сенсорных сетей и их объединением в более крупные системы, вплоть до обсуждения крупномасштабных проектов, например, «умных городов», «умных островов» и пр. Однако, технический директор Toshiba доктор Cиро Саито (Shiro Saito), очень важным для будущего этих систем является переход к открытым инновациям. «Крайне важно не попасться в ловушку желания достичь всего самостоятельно», — отмечает он [4]. Именно поэтому компания активно занимается инвестициями в современные технологии, связанные с кибер-физическими системами, и сотрудничает с другими организациями, например, работает совместно со Стэндфордским университетом над снижением энергопотребления ИИ-чипов.

Думаю, что образование не станет последней отраслью хозяйствования, в которую придут киберфизические системы. Несомненно, что запрос на кадры для новой цифровой, высокотехнологичной экономики будет первым шагом к внедрению КФС для обучения специалистов новой формации. Другой перспективной ветвью развития станет разработка образовательных киберфизических систем, позволяющих: а) формировать новое цифровое мышление как отражение реальных технических и прочих процессов; б) обучать школьников и студентов новым технологиям на стыке физического и цифрового миров.

Литература.

  1. Голицына И.Н. Технология Образования 3.0 в современном учебном процессе // Образовательные технологии и общество. 2014. С. 646-656.
  2. Кальней В.А., Махотин Д.А. Технологическое образование в постиндустриальном обществе // Вестник РМАТ. 2015. №3. С. 68-76.
  3. Киберфизическая система / Свободная энциклопедия Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Киберфизическая_система (дата обращения 20.02.2020)
  4. Кибер-физические системы в современном мире / Блог компании Toshiba (на Хабр). URL: https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/438262/ (дата обращения 20.02.2020)
  5. Кондаков А.М. Образование 3.0 : большая перемена. URL: http://www.eduru/sites/default/files/upload/2014/04/Obrazovaniie_3.0.pdf (дата обращения 20.02.2020)
  6. Кондаков А.М. Цифровое образование: матрица возможностей. URL: https://itforum.admhmao.ru/upload/iblock/2d1/ALEKSANDR-KONDAKOV.pdf (дата обращения 20.02.2020)
  7. Куприяновский В.П., Намиот Д.Е., Синягов С.А. Кибер-физические системы как основа цифровой экономики // International Journal of Open Information Technologies, vol. 4, no. 2, 2016.
  8. Малыгин И.Г., Комашинский В.И., Цыганов В.В. От Науки 4.0 к России 4.0. URL: http://www.iptran.ru/images/pdf/imts/From%20Science%204.0%20to%20Russia%204.0.pdf (дата обращения 20.02.2020)
  9. Махотин Д.А. Развитие технологического образования школьников на переходе к новому технологическому укладу // Образование и наука. 2017. Т. 19. №7. С. 25-40.
  10. Новиков А.М. Постиндустриальное образование. М.: Эгвес, 2008. 136 с.
  11. Черняк Л. Киберфизические системы / Cyber-Physical System, CPS / К чему приведет слияние интернета людей, вещей и сервисов? URL: http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Киберфизические_системы_(Cyber-Physical_System,_CPS) (дата обращения 20.02.2020)
  12. Cyber-physical system / Wikipedia, the free encyclopedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyber-physical_system (дата обращения 20.02.2020)
  13. Sanfelice R. G. Analysis and Design of Cyber-Physical Systems. A Hybrid Control Systems Approach // Cyber-Physical Systems: From Theory to Practice / D. Rawat, J. Rodrigues, I. Stojmenovic. — CRC Press, 2016.

Related Posts