Contoh Aplikasi Cyber Physical System (CPS) di berbagai bidang adalah sebagai berikut:
Bidang Manufakturing dan Produksi meliputi bidang manufaktur yang lincah, konektivitas pada jalur pasokan
Aplikasi CPS pada manufaktur dan produksi:
Intelligent controls: Kendali cerdas
Otomasi proses dan perakitan
Robot yang dapat bekerja secara aman dengan manusia
Bidang transportasi dan pergerakan meliputi kendaraan otonom dan kendaraan cerdas, baik di darat, udara, perairan dan angkasa luar; Komunikasi antar kendaraan dan kendaraan ke infrastruktur transportasi.
Sistem kendaraan dengan ‘drive by wire’, artinya kendali pada kendaraan tidak langsung oleh manusia namun dibantu dengan perangkat komputer
mobil dengan kecerdasan
Sistem kendali lalu lintas yang interaktif
Sistem transportasi udara generasi selanjutnya
Energi meliputi sistem kelistrikan, sumber energi terbarukan, produksi minyak dan gas
Jaringan listrik cerdas
Sistem pengisian listrik pada kendaraan
Jaringan distribusi minyak dan gas dengan kecerdasan
Konsep smart power grid masa depan
Infrastruktur sipil meliputi jembatan, bendungan, pengolahan air bersih dan air limbah
Monitoring secara aktif dan sistem kendali , misal pada jembatan dan bendungan
Jaringan air dan limbah dengan kecerdasan
Kesehatan meliputi perangkat kesehatan, perangkat kesehatan pribadi, diagnosa penyakit dan pencegahan penyakit.
Aplikasi CPS pada bidang kesehatan:
Jaringan komunikasi personal (untuk alat kesehatan pada seseorang)
Sistem untuk membantu kesehatan
Sensor yang dapat dikenakan pada manusia dan perangkat yang dipasang di dalam tubuh
Bangunan dan Struktur meliputi bandungan perumahan dan komersil dengan performansi tinggi
Aplikasi CPS pada bangunan dan struktur:
Pengendalian seluruh aspek pada bangunan
Perangkat HVAC cerdas
Sistem otomasi bangunan
Perabot dan perangkat rumah/kantor yang tersambung ke jaringan
Jembatan dengan kecerdasan
Pertahanan dan Keamanan meliputi perangkat tentara, persenjataan, perangkat logistik, sensor otonom bawah air
Aplikasi CPS pada pertahanan & keamanan:
senjata cerdas, dalam arti berpandu dan presisi
perangkat komputasi dan sensor yang dapat dikenakan oleh prajurit
Kendaraan cerdas tidak berawak
Rantai pasokan dan logistik
Keadaan Darurat meliputi perangkat bagi responden pertama, perangkat komunikasi , perangkat pemadam api.
Berikut ini uraian istilah Cyber Physical System atau “Sistem Fisik Siber” menurut bahasa atau arti kata. Definisi dalam dunia engineering dapat dibaca di artikel “Pengertian Cyber Physical System“
Konsep Cyber Physical System (https://ptolemy.berkeley.edu/projects/cps/)
Definisi “Cyber”:
of, relating to, or involving computers or computer networks (such as the Internet)
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.
Cyber Physical System
Definisi Cyber Physical System
Berikut ini definisi Cyber Physical System pada beberapa literatur.
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 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 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.
Cyber Physical System dengan 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.
Sistem Siber Fisikal
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.
Sistem kendali umpan tertutup sebagai CPS
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.
Sistem kendali open loop
Menurut definisi CPS, system ini tidak termasuk dalam CPS. Sistem ini masih termasuk system embedded karena ada elemen komputasi di dalamnya.
Sistem Monitoring
Sistem embedded untuk 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.
