di Roberto Vacca

Nelle nostre case e nelle nostre auto sono in funzione computer nascosti (in inglese embedded – incassati) che gestiscono il funzionamento di accessori, elettrodomestici, apparati di regolazione o comunicazione. Già su questa piccola scala i vari hardware cominciano a essere integrati in rete. Nell’industria (reti elettriche, trasporti, fabbriche), nei laboratori, negli ospedali, hardware e software regolano operazioni e processi ben più complessi. Si tratta di sistemi tecnologici di dimensioni fisiche talora modeste, ma comprendenti vari sottosistemi che interagiscono fra loro e con l’ambiente fisico. Si chiamano CPS, Cyber Physical Systems (= sistemi ciber.fisici). Sono mirati a creare sinergie fra computer e strutture o componenti fisiche in modo connesso e coordinato. Le procedure e le strategie relative devono esser state prima modellate su altri computer per mezzo di equazioni differenziali e di automi (virtuali) a stati finiti.
Un primo esempio semplice é dato dai sistemi che governano i serbatoi di carburante su grandi aerei. Ogni motore ha un suo serbatoio di alimentazione che riceve flussi variabili di fluido da diversi serbatoi comunicanti fra loro. Le portate di carburante sono calibrate per mantenere un livello adeguato nei serbatoi di alimentazione. I flussi fra serbatoi intermedi variano nel tempo in modo da mantenere un assetto equilibrato all’aereo e da non sollecitare eccessivamente alcuna struttura portante. Il carburante stesso funziona come refrigerante dell’olio lubrificante. Esce dagli scambiatori a temperatura più alta con il che si ottimizza il rendimento dei motori. Le portate dei fluidi citati, la pressione e la temperatura sono governate da computer embedded nel sistema. Questi ricevono segnali, oltre che dalle variabili regolate, anche da grandezze fisiche: quota, pressione e temperatura esterne, assetto dell’aereo e sue variabili dinamiche. Per ottimizzare il coordinamento fra unità, la sicurezza, i rendimenti e l’equilibrio dell’aeromobile, il sistema ha la struttura di una rete che integra i software dei sottosistemi e tiene conto dei segnali ricevuti dai processi fisici.
I sistemi ciber-fisici trasformeranno i modi in cui interagiamo con la tecnologia in modo analogo a quello in cui Internet ha modificato i modi in cui le persone umane interagiscono con l’informazione. In effetti l’ingegneria dei sistemi non ha ancora prodotto strumenti generali per realizzare sistemi ciber-fisici estremamente affidabili. Questi sono ancora a livello di descrizione concettuale, di progetto di larga massima o di dibattiti su periodici professionali.
Si parla da anni di grandi reti elettriche intelligenti (smart). Dovrebbero incorporare strutture informatiche che facilitino la scelta di strategie centralizzate o distribuite. Gli obiettivi sono: massimizzare i rendimenti, la sicurezza e l’affidabilità del servizio, automatizzare la individuazione di guasti e sovraccarichi e l’adozione di misure correttive. Per conseguirli occorrerà integrare i controlli computerizzati della generazione e della domanda di energia, elaborando anche i dati fisici rilevati sulla rete stessa e sull’ambiente circostante.
Attualmente anche il sistema di gestione e controllo del traffico aereo si sta trasformando in un sistema ciber-fisico. La sua configurazione, evolutasi nella seconda metà del secolo scorso, include radar terrestri, piloti automatici e umani, connessioni radio fra piloti e controllori del traffico, computer che forniscono proiezioni dei dati meteo e dello stesso traffico aereo. Ogni tanto la situazione corrente è insoddisfacente: il numero dei voli è cresciuto più velocemente di quello dei controllori. Negli Stati Uniti decollano oltre 50.000 voli al giorno e si stima che le perdite dovute a ritardi nei voli ammontino a più di 40 miliardi di dollari all’anno. Il vasto progetto in corso di definizione ed elaborazione negli Stati Uniti si chiama NextGen (Next Generation Air Transport System. Sarà decentralizzato su 22 centri di controllo, ciascuno suddiviso in 20 settori. La localizzazione degli aerei sarà effettuata con GPS (Global Positioning System) da satellite. Quando tutte le nuove funzioni saranno disponibili, ogni aereo potrà adattare la propria traiettoria alle condizioni del traffico e di meteo rilevate in tempo reale. I piani di volo saranno definiti in quattro dimensioni (tre spaziali più il tempo). NextGen ne suggerirà modifiche in funzione della situazione meteo e delle possibili interferenze mutue. Proporrà manovre attagliate alle caratteristiche tecniche di ogni aereo mirando, otre che alla sicurezza, alla riduzione del tempo di volo e del consumo di carburante. La transizione dal sistema attuale a NextGen dovrà essere graduale.
Sono in corso di elaborazione sistemi ciber-fisici per la supervisione, il monitoraggio e il controllo coordinato di apparati di misura continua di parametri fisici di pazienti, pacemaker, defibrillatori e sistemi di supporto usati per pazienti in terapia intensiva.
Le applicazioni dei sistemi ciber-fisici hanno in comune la complessità, il numero notevole di variabili rilevanti e la necessità di fornire i risultati delle elaborazioni in tempi molto brevi. Monitoraggio e controllo dovrebbero essere trasparenti. Questo richiede che sia formato personale addestrato adeguatamente e che le comunicazioni dalle macchine all’uomo siano effettuate con qualità molto migliore di quella raggiunta finora.