Los sistemas ciberfísicos (CPS por sus siglas en inglés) representan una integración transformadora de los procesos informáticos, de redes y físicos, y se perfilan como una de las tecnologías más importantes de la cuarta y de la quinta revolución industrial; y vienen revolucionado el paradigma de la ingeniería con profundas aplicaciones en muchos aspectos de la sociedad, incluidos los hogares, la energía, la agricultura, la atención médica, el transporte, los negocios y la fabricación (Tushar et al., 2023).
En este artículo, exploraremos el concepto de sistemas ciberfísicos, sus principios, los desafíos que enfrentan, su papel en diferentes industrias y las enormes posibilidades que ofrecen. Además, profundizaremos en varios tipos, ejemplos y cómo la seguridad juega un papel crucial en su desarrollo.
Introducción a los sistemas ciberfísicos
Entonces, ¿qué son exactamente los sistemas ciberfísicos (CPS)? En esencia, los cyber physical systems (CPS) combinan algoritmos computacionales con procesos físicos. Yao et al., (2019) indica que los sistemas ciberfísicos tienen como objetivo crear una interfaz comunicativa entre los mundos digitales y físicos mediante la integración de computación, redes y activos físicos; por su parte, Javaid et al., (2023) destaca que los “sistemas ciberfísicos” son una nueva generación de integraciones de procesos físicos con procesos informáticos y de redes.
En términos más simples, consisten en computadoras y redes integradas que monitorean y controlan procesos físicos a través de un bucle de retroalimentación. Esta conexión entre los reinos físico y digital permite interacciones en tiempo real, lo que conduce a sistemas eficientes y autónomos. Los CPS pueden ser monitoreado, controlado y operado de forma remota con percepción en tiempo real (El-Kady et al., 2023).
Los CPS ya están desempeñando un papel vital en muchos sectores, como la atención médica, el transporte, la energía y la fabricación, para mejorar la eficiencia, la seguridad y el rendimiento. Estos sistemas son capaces de tomar decisiones de manera autónoma, gracias a sensores, actuadores y redes de datos, lo que contribuye a un mundo más inteligente e interconectado.
Historia y evolución de los cyber physical systems (CPS)
El concepto de sistemas ciberfísicos no es nuevo; se remonta a principios de la década de 2000, cuando la National Science Foundation (NSF) reconoció el potencial de integrar la computación con los procesos físicos. El término «sistemas ciberfísicos» (CPS) fue acuñado oficialmente por Helen Gill en 2006 en un taller organizado por NSF (Alguliyev, et al., 2018), lo que llevó al lanzamiento de programas de investigación y financiación dedicados a los CPS.
Desde entonces, los sistemas ciberfísicos han evolucionado debido a los avances en la potencia informática, la inteligencia artificial y las redes. El uso generalizado de la Internet de las cosas (IoT) y las tecnologías 5G también han acelerado el desarrollo de los CPS, acercándonos a la realización de la visión de sistemas inteligentes interconectados. En este sentido, Chui et al., (2023) pronostica que a medida que IoT se convierta en una arquitectura de red dominante, desempeñará un papel más crítico en el desarrollo de CPS.
Principios de los sistemas ciberfísicos
El diseño y el funcionamiento de los CPS se basan en varios principios clave, que garantizan que estos sistemas puedan funcionar de forma autónoma, segura y eficiente:
- Integración: los CPS integran estrechamente la computación con los procesos físicos, lo que significa que los componentes de software y hardware funcionan en tándem.
- Bucles de retroalimentación: se basan en la retroalimentación continua de los sistemas físicos, utilizando sensores para recopilar datos y actuadores para implementar decisiones.
- Operaciones en tiempo real: los CPS deben procesar datos y reaccionar a los cambios en el entorno físico en tiempo real para garantizar la precisión y la seguridad.
- Autonomía y toma de decisiones: los CPS pueden tomar decisiones sin intervención humana, aunque esto requiere algoritmos avanzados y capacidades de aprendizaje automático.
Estos principios permiten que los CPS se adapten y respondan a los cambios en su entorno, lo que los hace muy versátiles para aplicaciones en una amplia gama de industrias.
Tipos de sistemas ciberfísicos
Los sistemas ciberfísicos se pueden clasificar en varios tipos, según su complejidad, funcionalidad y área de aplicación. Estos son algunos de los tipos principales:
- Sistemas de control en red (NCS): estos sistemas implican el uso de tecnología de red para controlar sistemas físicos de forma remota.
- Sistemas integrados: CPS de pequeña escala utilizados en dispositivos cotidianos como teléfonos inteligentes, relojes inteligentes y sistemas domésticos inteligentes.
- Sistemas de infraestructura crítica: CPS que administran infraestructura esencial como redes eléctricas, sistemas de suministro de agua y redes de transporte.
- Sistemas de automatización industrial: CPS utilizados en instalaciones de fabricación y producción, que permiten el monitoreo y la optimización de procesos en tiempo real.
- Sistemas ciberfísicos médicos: Estos sistemas se utilizan en el cuidado de la salud para tareas como el monitoreo de pacientes en tiempo real y la robótica quirúrgica.
Cada uno de estos tipos tiene aplicaciones y desafíos específicos, pero todos comparten el objetivo común de hacer que los sistemas físicos sean más inteligentes y receptivos.
Sistemas ciberfísicos y la cuarta revolución industrial
La cuarta revolución industrial, también conocida como Industria 4.0, se refiere a la tendencia actual de automatización e intercambio de datos en tecnologías de fabricación. Los CPS son un impulsor clave en esta revolución, ya que permiten la fusión de procesos digitales y físicos.
Las fábricas impulsadas por sistemas ciberfísicos se conocen como fábricas inteligentes, donde las máquinas pueden comunicarse de forma autónoma, tomar decisiones y optimizar la producción sin intervención humana. Esto mejora drásticamente la productividad, reduce el desperdicio y garantiza un enfoque más sostenible para la fabricación.
Además, los CPS desempeñan un papel vital en la gestión de la cadena de suministro, la logística y el mantenimiento predictivo, lo que consolida aún más su importancia en la cuarta revolución industrial.
Ejemplos de sistemas ciberfísicos en varias industrias
Las aplicaciones de los sistemas ciberfísicos son amplias y abarcan diferentes sectores, y en la actualidad desempeñan un papel clave en la industria moderna (Duo et al., 2022). Al respecto, Alguliyev et al., (2018) detalla que los CPS son la base para el desarrollo de: fabricación inteligente, medicina inteligente, edificios e infraestructuras inteligentes, ciudades inteligentes, vehículos inteligentes, dispositivos wearables, sistemas móviles, sistemas de defensa, meteorología, etc.
A continuación, se muestran algunos ejemplos notables de sistemas ciberfísicos en varias industrias:
- Atención médica: los CPS médicos incluyen marcapasos, sistemas de cirugía robótica y dispositivos de monitoreo de pacientes en tiempo real. Estos sistemas mejoran la calidad de la atención, permiten el diagnóstico remoto y brindan datos de salud en tiempo real para una mejor toma de decisiones. Los resultados de la investigación de Liu et al., (2023) nos brindan un ejemplo del uso del CPS en el sector salud; ellos exploraron la aplicación de IA explicable (XAI) en el contexto del análisis de imágenes médicas dentro de los sistemas ciberfísicos médicos (MCPS) para mejorar la transparencia y la confiabilidad.
- Transporte: Los vehículos autónomos son los principales ejemplos de CPS en el transporte, ya que utilizan datos en tiempo real de sensores y sistemas GPS para navegar por las carreteras, evitar colisiones y optimizar las rutas.
- Energía: Las redes inteligentes utilizan CPS para controlar el uso de energía, gestionar la distribución y predecir la demanda de energía, lo que garantiza un suministro de energía estable y eficiente.
- Fabricación: En las fábricas inteligentes, CPS controla y monitorea las líneas de producción, utilizando datos en tiempo real para optimizar los flujos de trabajo y minimizar el tiempo de inactividad. Zhang et al., (2022) destaca que la utilización de los CPS en entornos industriales ha dado lugar a los sistemas ciberfísicos industriales (ICPS), que permiten la cooperación en las instalaciones industriales y entre todos los interesados de la cadena de valor. Por su parte, Ryalat et al., (2023) describe el diseño de un sistema ciberfísico inteligente que cumple con el marco innovador de fábrica inteligente para la Industria 4.0 e implementa las tecnologías centrales industriales, informáticas, de información y de comunicación de la fábrica inteligente.
- Agricultura: Las técnicas de agricultura de precisión utilizan CPS para monitorear las condiciones del suelo, los patrones climáticos y la salud de los cultivos, lo que permite a los agricultores optimizar el uso de los recursos y aumentar los rendimientos.
- Construcción: Akanmu et al., (2021) indica que para acelerar la innovación, los gemelos digitales y los sistemas ciberfísicos serán una necesidad para avanzar en la automatización y el control en tiempo real con estas tecnologías; además describe la integración ciberfísica de las tecnologías emergentes con la construcción física o la instalación construida como el gemelo digital y los sistemas ciberfísicos de próxima generación.
- Gestión del agua: Debido a efectos del cambio climático la gobernanza del agua enfrenta una serie de desafíos en donde los sistemas ciberfísicos podrían tener un rol importante. Alexandra et al., (2023) publicó una revisión científica sobre el uso de los CPS en la gestión y gobernanza del agua, y destacan destacan sus diversas funciones en todo el ciclo del agua, incluso en entornos rurales, urbanos y costeros.
Desafíos de los sistemas ciberfísicos
Si bien los CPS ofrecen muchos beneficios, es necesario abordar varios desafíos de los sistemas ciberfísicos para liberar todo su potencial:
- Riesgos de seguridad: A medida que los CPS interactúan con la infraestructura crítica, se convierten en objetivos de ciberataques, lo que podría tener consecuencias catastróficas.
- Integración: Lograr una integración perfecta entre sistemas físicos, software y redes sigue siendo una tarea compleja, especialmente en industrias con infraestructura heredada.
- Procesamiento en tiempo real: Los CPS deben procesar grandes volúmenes de datos en tiempo real, lo que requiere recursos informáticos avanzados y algoritmos que puedan manejar la carga de trabajo de manera eficiente.
- Regulación y estandarización: Existe la necesidad de regulaciones y estándares claros para garantizar que los CPS puedan operar de manera segura y eficaz en diferentes industrias.
Abordar estos desafíos es esencial para el avance continuo de los sistemas ciberfísicos y su adopción a mayor escala.
Desventajas de los sistemas ciberfísicos
Si bien los CPS son muy prometedores, existen desventajas notables de los sistemas ciberfísicos que se deben considerar:
- Alto costo: Implementar CPS requiere una inversión sustancial en hardware, software e infraestructura de red. La configuración inicial puede ser prohibitivamente costosa para las empresas más pequeñas.
- Complejidad: el diseño y el mantenimiento de los CPS pueden ser extremadamente complejos debido a la necesidad de una estrecha integración entre los componentes físicos y digitales.
- Vulnerabilidades de seguridad: la interconectividad de los CPS los hace vulnerables a los ciberataques, que podrían provocar violaciones de datos, fallas del sistema o incluso daños físicos en sistemas de infraestructura crítica.
- Dependencia de la conectividad a Internet: muchos CPS dependen de una conexión a Internet estable para funcionar correctamente. Cualquier interrupción puede provocar fallas o ineficiencias del sistema.
A pesar de estas desventajas, los beneficios a largo plazo de los CPS a menudo superan los inconvenientes, especialmente cuando se cuenta con la seguridad y la infraestructura adecuadas.
Sistemas ciberfísicos y problemas de seguridad
Uno de los problemas más críticos en torno a los CPS es la seguridad en los sistemas ciberfísicos. Como estos sistemas administran servicios esenciales, una violación podría provocar interrupciones significativas, incluida la falla de las redes eléctricas, los sistemas de transporte o incluso dispositivos médicos que salvan vidas. Duo et al., (2022) destaca que los ataques cibernéticos pueden causar daños significativos a los sistemas industriales, por lo que ha ganado cada vez más atención por parte de investigadores y profesionales.
La seguridad en los sistemas cibernéticos implica proteger las capas físicas, cibernéticas y de comunicación de ataques, asegurando que los datos estén encriptados, el acceso controlado y los sistemas de monitoreo estén en funcionamiento para detectar cualquier anomalía. El desafío radica en crear marcos de seguridad robustos sin sacrificar el rendimiento y las capacidades en tiempo real de los sistemas ciberfísicos.
Canonico y Sperlì (2023) estudiaron los problemas de seguridad que pueden afectar al sistema de control industrial (ICS) que supervisa un establecimiento industrial; ellos proporcionan una clasificación de los ataques existentes según la metodología utilizada por el atacante, y proponen una clasificación de las contramedidas defensivas en enfoques basados en modelos e inteligencia artificial. Mientras que Somers et al., (2023) destaca el uso de gemelos digitales para realizar pruebas de seguridad en los sistemas ciberfísicos.
Finalmente, Cassottana et al., (2023) propone un marco de flujo de trabajo estandarizado para evaluar la resiliencia de los CPS antes y después de la ocurrencia de una interrupción.
El futuro de los sistemas ciberfísicos
El futuro de los sistemas ciberfísicos es emocionante y desafiante. A medida que avanzamos en la era de la cuarta revolución industrial, los sistemas cibernéticos seguirán impulsando la innovación en industrias como la atención médica, el transporte y la energía.
Con el desarrollo continuo de la IA, la IoT y la computación de frontera, los sistemas cibernéticos se convertirán en una herramienta aún más importante, autónomos y capaces de manejar tareas complejas. Sin embargo, abordar los desafíos éticos y de seguridad asociados con los CPS será fundamental para garantizar su adopción segura y generalizada.
En conclusión, los sistemas ciberfísicos representan la convergencia de los mundos físico y digital, y ofrecen oportunidades sin precedentes para la eficiencia, la automatización y la innovación. A medida que continúen las investigaciones y el desarrollo, es probable que los CPS desempeñen un papel aún más destacado en la configuración del futuro de las industrias en todo el mundo.
Referencias
Akanmu, A. A., Anumba, C. J., & Ogunseiju, O. O. (2021). Towards next generation cyber-physical systems and digital twins for construction. Journal of Information Technology in Construction, 26.
Alexandra, C., Daniell, K. A., Guillaume, J., Saraswat, C., & Feldman, H. R. (2023). Cyber-physical systems in water management and governance. Current Opinion in Environmental Sustainability, 62, 101290. https://doi.org/10.1016/j.cosust.2023.101290
Alguliyev, R., Imamverdiyev, Y., & Sukhostat, L. (2018). Cyber-physical systems and their security issues. Computers in Industry, 100, 212-223. https://doi.org/10.1016/j.compind.2018.04.017
Canonico, R., & Sperlì, G. (2023). Industrial cyber-physical systems protection: A methodological review. Computers & Security, 135, 103531. https://doi.org/10.1016/j.cose.2023.103531
Cassottana, B., Roomi, M. M., Mashima, D., & Sansavini, G. (2023). Resilience analysis of cyber-physical systems: A review of models and methods. Risk Analysis, 43(11), 2359-2379. https://doi.org/10.1111/risa.14089
Chui, K. T., Gupta, B. B., Liu, J., Arya, V., Nedjah, N., Almomani, A., & Chaurasia, P. (2023). A Survey of Internet of Things and Cyber-Physical Systems: Standards, Algorithms, Applications, Security, Challenges, and Future Directions. Information, 14(7), 388. https://doi.org/10.3390/info14070388
Duo, W., Zhou, M., & Abusorrah, A. (2022). A survey of cyber attacks on cyber physical systems: Recent advances and challenges. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, 9(5), 784-800.
El-Kady, A. H., Halim, S., El-Halwagi, M. M., & Khan, F. (2023). Analysis of safety and security challenges and opportunities related to cyber-physical systems. Process Safety and Environmental Protection, 173, 384-413. https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.03.012
Javaid, M., Haleem, A., Singh, R. P., & Suman, R. (2023). An integrated outlook of Cyber–Physical Systems for Industry 4.0: Topical practices, architecture, and applications. Green Technologies and Sustainability, 1(1), 100001. https://doi.org/10.1016/j.grets.2022.100001
Liu, W., Zhao, F., Shankar, A., Maple, C., Peter, J. D., Kim, B. G., … & Lv, J. (2023). Explainable ai for medical image analysis in medical cyber-physical systems: Enhancing transparency and trustworthiness of iomt. IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics.
Ryalat, M., ElMoaqet, H., & AlFaouri, M. (2023). Design of a Smart Factory Based on Cyber-Physical Systems and Internet of Things towards Industry 4.0. Applied Sciences, 13(4), 2156. https://doi.org/10.3390/app13042156
Somers, R. J., Douthwaite, J. A., Wagg, D. J., Walkinshaw, N., & Hierons, R. M. (2023). Digital-twin-based testing for cyber–physical systems: A systematic literature review. Information and Software Technology, 156, 107145. https://doi.org/10.1016/j.infsof.2022.107145
Tushar, W., Yuen, C., Saha, T. K., Nizami, S., Alam, M. R., Smith, D. B., & Poor, H. V. (2023). A survey of cyber-physical systems from a game-theoretic perspective. IEEE Access, 11, 9799-9834.
Yao, X., Zhou, J., Lin, Y. et al. Smart manufacturing based on cyber-physical systems and beyond. J Intell Manuf 30, 2805–2817 (2019). https://doi.org/10.1007/s10845-017-1384-5
Zhang, K., Shi, Y., Karnouskos, S., Sauter, T., Fang, H., & Colombo, A. W. (2022). Advancements in industrial cyber-physical systems: An overview and perspectives. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 19(1), 716-729.
