Siber fiziksel sistem, önceleri nispeten bilinmeyen bir kavram olsa da özellikle bilgi teknolojisinin (BT) yaygınlaşmasıyla çok daha aşina bir kavram haline geldi. Dolayısıyla çok daha önemli bir hale geldi. Siber fiziksel sistemler denince aklınıza veri güvenliği geliyorsa Mespact bu konuda sizin için yol gösterici olacak.
Siber Fiziksel Sistem Nedir?
Siber fiziksel sistem ya da kısa haliyle CPS, en kolay anlatımla internet ve kullanıcılarla sıkı bir bağlantısı olan ve bilgisayar algoritmalarıyla yönetilen mekanik bir sistemden oluşan bir platformdur.
Bu platform akıllı sensörler ve aktüatörler tarafından temsil edilir. Platformun fiziksel-mekanik bileşenleri ile yazılım bileşenleri arasında ayrılmaz bir bağ vardır. Bu yazılım bileşenleri bilgisayar ve ağ cihazları tarafından temsil edilir. Bu bilgilerden yola çıkarak siber fiziksel sistemlerin genellikle yazılım temelli olan bilgisayar algoritmaları ile kontrol edilen bir donanım kombinasyonu olduğunu söylemek doğru olacaktır.
Dolayısıyla kişisel bilgisayarların da bir siber fiziksel sistem olduğunu söylemek yanlış olmaz. Ayrıca algoritmik bir düzenle işleyen herhangi bir fiziksel cihaz da bilgisayar olarak kabul edilebilir. O halde siber fiziksel sistemler, yalnızca akla gelen ilk formdaki bilgisayarlar için değil, temelde dijital algoritmalar tarafından kontrol edilen elektronik bir sistemle elde edilen veya elde edilen bu sistemlerin bir uzantısı olarak kabul edilen her şeyi yani tüm dijital bilgisayarları temsil eden bir sistemdir.
Siber Fiziksel Sistemlerin Özellikleri
Siber fiziksel sistem özellikleri şu şekilde sıralanabilir:
- Reaktif Hesaplama: Reaktif sistemler çevre ile devamlı etkileşim içerisindedir. Bu etkileşim girdiler ve çıktılar aracılığı ile sağlanır. Araba seyir kontrol programı, reaktif hesaplama için verilebilecek en temel örnektir.
- Ağ Bağlantısı: Siber ve fiziksel dünya arasındaki iletişim ağ bağlantısı temeli, CPS sistemlerinde kullanılmalıdır.
- Sağlamlık ve Güvenilirlik: CPS’nin verimli güvenirliliği temel bir ihtiyaçtır. Buna ihtiyaç duyulmasının sebebi dinamik ortamlarda güvenli ve etkili çalışmayı sağlayabilmektir.
- Eşzamanlılık: Eşzamanlılık özelliği, birden çok işlemin aynı anda koordineli bir biçimde yürütülmesini tanımlar.
- Gerçek Zamanlı Hesaplama: CPS’ler, gerçek zamanlı hesaplama yapabilme becerisine sahiptir. Bu hesaplama gerçek dünya verilerine dayalı dinamik karar vermeye dayalıdır.
- Güvenlik Açısından Kritik Uygulama: CPS sistemleri için güvenlik, sistemin performansı ve geliştirilmesinden çok daha kritik bir önem taşır.
Siber Fiziksel Sistemlerin Tasarımı
Siber fiziksel sistemler söz konusu olduğunda mühendislik ve yaratıcı disiplinlerden yola çıkılarak elde edilen tasarım pratiğinde standart bir yaklaşım söz konusu değildir. Dolayısıyla CPS için konsept tasarımı, çetrefilli bir sorundur. Yakın geçmişte tasarım disiplini, yeni tasarımları dayatmaktan ziyade iş birliğine açık ortak simülasyondan yaranmayı tercih eder.
Bağlantı, dönüştürme, siber, biliş ve konfigürasyon siber fiziksel sistem tasarlamak için kullanılan temel tasarım adımlarıdır.
- Bağlantı: CPS üretim sistemine sahip cihazlar, kendi kendine bağlantı kurabilmek ve faaliyetleri kendiliğinden anlamak üzere tasarlanabilir.
- Dönüştürme: Bağlantı işlemini kendi kendine yapabilen cihazlardan ve sensörlerden elde edilen veriler, söz konusu olabilecek endişeleri ve o endişelerin özelliklerini değerlendirebilir. Böylelikle makineler, karşılaşılabilecek zorlukları öngörmek için zaten kendinde olan bilgileri kullanabilir.
- Siber: Bütün makineler özelliklerini ve bazı yöntemleri kullanarak kendi klonunu oluşturur. Bunun amacı makinenin, makine sağlığı modelini daha iyi tanımlayabilmesini sağlamaktır. Daha fazla sentez sağlayabilmek için bu klon eşler arasında performansı kontrol etmek için bir karşılaştırma yapılabilir.
- Biliş: Yapılan tüm öz değerlendirmeler ve elde edilen sonuçlar, kullanıcılara karşılaşılabilecek endişeleri, bunların içeriğini ve bağlamını gösteren inografik bir biçimde sunulur.
- Konfigürasyon: Makine veya üretim sistemi, öncelik ve risk kıstaslarına göre ayarlanarak sağlam performans sağlanabilir.
Uygulama Alanları
Siber fiziksel sistemler, gelişen teknolojilerle beraber artan bir kullanım alanına sahip. CPS’in işlevsel, özerk, güvenilir ve kullanılabilir özellikleri optimize edilerek büyük ölçekli sistem uygulamalarını artırmak amaçlanır.
- Üretim: CPS’nin en fazla kullanıldığı alandır. Böylece tüm üretim prosesi otomatikleştirilir, bütün fabrikalar için tek ama merkezi olmayan bir platform oluşturulur ve tüm süreçler optimize edilir. Tüm bunları sağlayabilmek için CPS imalat endüstrisinde sıkça tercih edilir. Ayrıca CPS kullanımı ile imalat sürecindeki otomasyon, işçilik ve malzeme maliyetlerinden tasarruf sağlanır. Ayrıca üretim süreci de kısaltılmış olur.
- Sağlık ve Tıbbi Cihazlar: Bu alanda Siber fiziksel sistemlerin tercih edilmesinin amacı, hastaların durumlarını uzaktan ve gerçek zamanlı olarak kontrol edebilmektir. Ayrıca CPS özellikle yaşlı veya sürekli kontrol altında olması gereken hastalar için CPS kullanarak yaşanabilecek kazalar tespit edilebilir ve kullanılan sensörlerle uyarıcılar anında devreye girebilir.
- Tarım: Tarım alanında CPS kullanımı pestisit kullanımı ortadan kaldırmak için kullanılır. Bu yöntem verimli olmasının yanında da çevre dostudur. Ayrıca CPS ile iklim, toprak, su vb. gibi toplanan veriler doğru bir şekilde incelenerek tarım yöntemlerinin güçlenmesinde rol oynayabilir.
Karşılaşılan Zorluklar
Sağladığı kolaylıkların yanında elbette siber fiziksel sistemlerin de bazı zorlukları söz konusudur. Bunlar şu şekilde sıralanabilir:
1. Gerçek Zamanlı Sistemlerin Soyutlanması
Sistemlerin öne çıkan özelliklerini gerçek zamanlı olarak soyutlayabilmemize müsaade eden bir çerçeve tasarlamak siber fiziksel tasarımlar için büyük önem taşır. Bunun nedeni çok sayıda sensör ve aktüatör bulundurmasıdır. Mesela siber fiziksel sistem ağının yapısı, fiziksel faktörlerden kaynaklı fonksiyonu, dinamik olarak farklılık gösterebilir.
Buradan elde edilen sonuçla CPS bileşenleri arasındaki hayati etkileşimler, doğru bir şekilde yansıtılmalıdır. Güvenilirlik, esneklik gibi performans seviyesini sağlayabilen gerçek zamanlı bilgi işlem ve iletişim yapılarına ilişkin araştırma yapılması öncelikli ihtiyaçtır.
2. Dayanıklılık ve Güvenlik
CPS’deki mantıksal bilgi işlemler çok fazla belirsizlik içermez. Fakat bunun aksine öngörülmezlik, ekipmanlarda olabilecek hatalar, güvenlik riskleri gibi olası faktörler fiziksel dünya ile etkileşimlerde beraberinde belirsizliği de getirir.
Buradan elde edilecek sonuçla CPS için en önemli faktörler sistem dayanıklılığı ve güvenliktir. Bu faktörleri sağlayabilmek için CPS’nin yapısı, sistemin konumu ve zamanı hakkındaki fiziksel bilgiler kullanılabilir.
3. Hibrit Sistemlerin Modellenmesi ve Kontrolü
Fiziksel ve siber uzay arasında çok temek bir fark bulunur. İlki gerçek zamana bağlı olarak değişirken ikincisi ayrık mantığa yanıt olarak değişim gösterir. CPS tasarımlarında hem fiziksel hem de siber unsurları barındıran hassasiyet ve dikkatle tasarlanmış bir hibrit modelleme ve kontrol mekanizmasına ihtiyaç duyulur.
4. Ağlar Üzerinde Kontrol
Siber fiziksel sistemde ağ bağlantılı kontrol tasarımı ve uygulamasında bazı engellerle karşılaşılabilir. Bunlar genellikle zaman ve olay tabanlı bilgi işlemleri, zamanla değişiklik gösterebilen gecikmelerin yaşanması, iletimde yaşanan aksaklıklar ve hatalar ve sistemin yeniden yapılandırılmasıdır.
Ayrıca araştırmacılar da ağ protokolleri oluştururken bazı sorunlara karşılaşırlar. Bu sorunlar; gerçek zamanlı bilgi işlem kısıtlamaları ile kontrol kanunu tasarımı arasında denge oluşturmak, sürekli ve ayrı zamanlı sistemleri bir köprü ile birbirine bağlayabilmek, büyük ölçekli sistemlerde güvenilirliği ve sağlamlığı oluşturabilmek, hizmet kalitesini sağlayabilmek şeklinde sıralanabilir.
5. Doğrulama
Siber fiziksel sistemde elde edilmesi amaçlanan kriterlerin sağlandığını garanti edebilmek için donanım ve yazılım bileşenleri, işletim sistemleri, ara katman yazılımların tümünün detaylı bir testten geçmesi gereklidir. Siber fiziksel sistemde var olan siber altyapıya kıyasla güvenilirlik açısından çok daha güvenli olması gerekir. Bu doğrulamayı yapmak ve entegre etmek için yeni araçlar ve yöntemler kullanılması şarttır.
Kazım Emre Akarsu, 2012 yılından beri Bilgisayar Mühendisi olarak çalışmaktadır. 2017 yılında Mesnet Bilişim Teknolojileri şirketini kurmuş ve Mespact Dijital İmza Uygulaması’nı geliştirmiştir.