Cyber Physical System (Sistem Fisik Siber) adalah sistem yang terdiri dari subsistem fisik , komputasi dan jaringan komunikasi

Pada sistem embedded, suatu mikroprosesor atau pengolah informasi lainnya dihubungkan dengan suatu system fisik. Keadaan dari system fisik dibaca oleh mikroprosesor, kemudian program di mikroprosesor mengatur system fisik. Pada system yang sederhana, kombinasi ini dapat diprogram dengan mudah. Namun pada system yang lebih kompleks, interaksi antara komputasi dan fisik ini cukup rumit. Pada tahun 2006, mulai muncul istilah ‘Cyber Physical System’, sebagai disiplin ilmu baru untuk membahas permasalahan ini.

Definisi Cyber Physical System

Berikut ini definisi Cyber Physical System pada beberapa literatur. 

• Definisi 1: “A cyber-physical system (CPS) is a system composed of physical subsystem together with computing and networking”. (Lee & Seshia Introduction to Embedded Systems – A Cyber-Physical Systems Approach, Second Edition , 2017, halaman 12)
• Definisi 2: “A cyber-physical system consists of a collection of computing devices communicating with one another and interacting with the physical world via sensors and actuators in a feedback loop”. (Rajeev Alur, Principles of Cyber-Physical Systems, The MIT Press 2015, halaman xi)
• Definisi 3: “Cyber-physical systems combine cyber capabilities with physical capabilities to solve problems that neither part could solve alone” (Andre Platzer, Logical Foundations of Cyber-Physical Systems, Springer 2018)
• Definisi 4: “The term cyber-physical systems refers to the tight conjoining of and coordination between computational and physical resources.” (US National Science Foundation, Cyber-Physical Systems (CPS),2010)
• Definisi 5: “Cyber-physical Systems (CPS) are engineered systems that are built from, and depend upon, the seamless integration of computation and physical components. CPS tightly integrate computing devices, actuation and control, networking infrastructure, and sensing of the physical world” (US National Science Foundation, Cyber-Physical Systems (CPS), 2021)
• Definisi 6: “Cyber-Physical Systems (CPS) are integrations of computation with physical process“. Sumber: Edward A.Lee, Cyber-Physical Systems – Are Computing Foundations Adequate? Position Paper for NSF Workshop On Cyber-Physical Systems: Research Motivation, Techniques and Roadmap.

Terjemahan bebasnya:

Definisi 1: Cyber Physical System (Sistem Fisik Siber) adalah sistem yang terdiri dari subsistem fisik , komputasi dan jaringan komunikasi

Definisi 2: Sistem Fisik Siber terdiri dari kumpulan perangkat komputasi yang berkomunikasi satu sama lain dan berinteraksi dengan dunia fisik melalui sensor dan aktuator dalam suatu umpan balik.

Definisi 3: Sistem Fisik Siber menggabungkan kemampuan siber (komputasi) dengan kemampuan fisik untuk menyelesaikan masalah-masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh salah satu darinya saja (fisik atau komputasi)

Definisi 4: Istilah siber fisik merujuk ke gabungan erat dan koordinasi antara komputasi dan sumber daya fisik.

Definisi 5: Sistem Fisik Siber adalah sistem yang direkayasa yang dibuat dan tergantung pada integrasi erat antara komponen komputasi dan komponen fisik. Sistem Fisik Siber menggabungkan secara erat perangkat komputasi, aktuator dan kendali, infrastruktur jaringan komunikasi dan pemindaian dunia fisik.

Definis 6: Sistem Fisik Siber adalah gabungan antara komputasi dengan proses fisik

Jadi ada 3 elemen pada suatu CPS: cyber yaitu komputasi, physical yaitu system fisik yang diatur/dikendalikan, komunikasi yang menghubungkan antara beberapa komputasi yang terdistribusi dan menghubungkan antara komputasi dan physical.

Lee & Seshia menyebutkan adanya networking, artinya ada komunikasi di dalamnya. Rajeev Alur menyebutkan adanya komunikasi antar perangkat komputasi yang dipakai. NSF pada tahun 2010 tidak menyebutkan komunikasi, namun pada tahun 2021 mencantumkan ‘networking infrastructure‘ pada penjelasannya.

Berikut ini ilustrasi system CPS dengan memasukkan elemen komunikasi.

Adanya komunikasi membuat perilaku system lebih kompleks, karena ada factor waktu jeda pada pengiriman data.

Komputasi dan komunikasi ini dipelajari dalam ilmu distributed systems atau distributed computing.

Pada pembahasan ini kita tidak membahas aspek komunikasi ini.

Berikut ini adalah sistem CPS dengan memasukkan aktuator dan sensor.

Fungsi aktuator adalah mengubah besaran listrik menjadi besaran fisik. Fungsi sensor adalah mengubah besaran fisik menjadi besaran listrik. Keseluruhan sistem membentuk umpan balik tertutup (closed feed back loop)

Sistem Kendali Closed Loop.

Berikut ini diagram sebuah system kendali . Pada system kendali ini ada benda physical yang dikendalikan, komputasi sebagai pengendali, input biasanya dari pengguna / manusia, dan output.

Pada system kendali diinginkan output mengikuti input. Pada system ini terdapat umpan balik dari output ke komputasi, sehingga system ini juga disebut system kendali umpan tertutup, atau closed loop control.

Perilaku system kendali seperti ini dipelajari secara detail di kuliah system kendali. Di kuliah system kendali titik beratnya di analisis matematis dari system kendali tersebut.

Sistem Kendali Open Loop

Berikut ini contoh system kendali tanpa umpan balik. Keadaan dari system fisik tidak dimasukkan lagi ke komputasi. Sistem ini dapat berfungsi baik jika perilaku physical diketahui dengan baik dan tidak ada gangguan dari luar.

Menurut definisi CPS, system ini tidak termasuk dalam CPS. Sistem ini masih termasuk system embedded karena ada elemen komputasi di dalamnya.

Sistem Monitoring

Ada juga system embedded yang tidak punya input, namun hanya mengolah sinyal keluaran dari suatu benda fisik. Contohnya adalah pada alat pengukur dan perekam data. Alat ini hanya mengukur besaran fisik suatu benda, kemudian mencatat , menganalisis, mengirim ke tempat lain atau menampilkan besaran tersebut. Contohnya misalnya IoT atau internet of things untuk mencatat parameter cuaca seperti temperature, kelembaban dan curah hujan.

Menurut definisi CPS di atas, sistem monitoring ini tidak termasuk dalam CPS. Sistem ini masih termasuk system embedded karena ada elemen komputasi di dalamnya.

Algoritma Cyber Physical System

CPS melibatkan suatu sistem kendali di dalamnya, sehingga diperlukan suatu algoritma sistem kendali.

Algoritma sistem kendali yang dapat dipakai antara lain sebagai berikut

• Model Continuous Dynamics, Model berbasis dinamika kontinu, biasanya dibuat menggunakan persamaan diferensial. Contoh yang sering dipakai adalah kendali berbasis PID (Proportional Integral Derivative)
• Model Discrete Dynamics, yaitu model yang berbasis dinamika sistem discrete event. Contohnya adalah pemodelan dengan State Chart, dan perangkat lunaknya dibuat dengan model Finite State Machine (FSM).
• Model Hybrid, menggabungkan antara continuous dynamics dengan discrete dynamics.

Penutup

Pada pembahasan ini kita hanya membahas terutama aspek komputasi dan physical saja. Aspek komunikasi tidak dibahas.

Referensi

• E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems – A Cyber-Physical Systems Approach, Second Edition, MIT Press, 2017. (https://ptolemy.berkeley.edu/books/leeseshia/)
• Rajeev Alur, Principles of Cyber-Physical Systems, The MIT Press, 2015
• Andre Platzer, Logical Foundations of Cyber-Physical Systems, Springer 2018
• KBBI: Definisi Siber
• US National Science Foundation, Cyber-Physical Systems (CPS),2010)
• US National Science Foundation, Cyber-Physical Systems (CPS) 2021