Sistemas Ciberfísicos: Big Data y Redes Alámbricas

Sistemas Ciberfísicos

• Sistemas Ciberfísicos es el tema central de esta presentación, Primavera 2025

De la industria 1.0 a la industria 4.0

• Se repasan las cuatro revoluciones industriales y sus características principales.
• La Primera Revolución Industrial se basó en la introducción de equipos de producción mecánicos impulsados por agua y la energía de vapor.
• El primer telar mecánico data de 1784.
• La Segunda Revolución Industrial se centró en la producción en masa gracias al concepto de división de tareas y el uso de energía eléctrica.
• La primera cinta transportadora de un matadero se remonta a Cincinnati en 1870.
• La Tercera Revolución Industrial se apoya en el uso de la electrónica e informática (IT) para promover la producción automatizada.
• El primer controlador lógico programable (PLC) Modicon 084 se creó en 1969.
• La Cuarta Revolución Industrial se basa en el uso de sistemas físicos cibernéticos (cyber physical systems - CPS).
• El grado de complejidad aumenta a medida que se avanza de la industria 1.0 a la 4.0.

Sistemas Ciberfísicos (CPS)

• Un sistema ciberfísico es un dispositivo que integra capacidades de computación, almacenamiento y comunicación para controlar e interactuar con un proceso físico.
• Los sistemas ciberfísicos se encuentran conectados entre sí y a su vez con el mundo virtual y las redes digitales globales.
• Los CPS se enfocan principalmente en comunicación, informática y control, trabajando generalmente en lazo cerrado.

Aplicaciones CPS

• Los CPS tienen aplicaciones en comunicación, consumidor, energía, infraestructura, salud, manufactura, militar, robótica, transporte.

Características de los CPS

• Los CPS requieren resiliencia, privacidad y seguridad cibernética contra ataques e intrusiones.
• El diseño de los CPS soporta la escalabilidad, la gestión de la complejidad, la validación y la verificación.
• Modelos de computación híbridos y heterogéneos, redes, interoperabilidad y sincronización de tiempo son elementos de los CPS.
• Los CPS pueden ser sistemas de retroalimentación adaptativos y predictivos con inteligencia en tiempo real.

Redes

• Los CPS son cada vez más comunes en instrumentos inteligentes que controlan operaciones básicas de presión, nivel y flujo.
• Los sistemas Ciberfísicos combinan ingeniería mecánica, ambiental, civil, eléctrica, biomédica, química, aeronáutica e industrial con modelos y métodos de la ciencia de la computación necesitando técnicas de Big Data para gestionar la información recogida por los sensores.

Redes Alámbricas

• Red alámbrica es un conjunto de equipos conectados galvánicamente por cables Ethernet o conductores que sirven para transportar datos, compartir información, recursos y servicios, incrementando la eficiencia y productividad de la organización.
• Las redes alámbricas permiten mover grandes cantidades de datos a altas velocidades, multimedia profesional.
• Proporcionan buena seguridad y la capacidad de transportar gran cantidad de datos de manera rápida y efectiva.
• Se usan cuando nuestros equipos que manejan datos muy importantes tienen más seguridad y no requieran movilidad, como los servidores.
• Los costos de operación de las redes alambradas son relativamente bajos.
• Ofrecen el máximo rendimiento posible y mayor velocidad (hasta 100 Mbps con cable Ethernet estándar).
• Las redes Voice over IP tienen mayor rendimiento.
• RJ45 da energía a muchos equipos de cómputo.
• Tienen mejores estándares Ethernet en la industria y mayor capacidad de ancho de banda por cables.
• Son aptas para aplicaciones que utilizan un ancho de banda continuo.
• El ROI es cada vez más alto.
• Desventajas: alto costo de instalación, problemas de acceso físico, y dificultad/expectativas de expansión.

Redes Inalámbricas

• Una red inalámbrica designa la interconexión de nodos por ondas electromagnéticas.
• Una de sus principales ventajas es la reducción de costos al eliminar las conexiones físicas.
• Una desventaja es la necesidad de una seguridad más exigente y robusta para evitar el robo de información.
• Los estándares más comunes son 802.11b y g, encontrados en la mayoría de equipos (laptops), transmitiendo a 2.4 GHz, y ofreciendo velocidades de 11 Mbps y 54 Mbps respectivamente.
• El estándar 802.11n opera a 2.4 GHz a una velocidad de 108 Mbps.
• El estándar 802.12 define el acceso con prioridad por demanda (Demand Priority Access) a una LAN, 100BaseVG-AnyLAN.
• El estándar 802.14 define los estándares de módem por cable.
• El estándar 802.15 define las redes de área personal sin cable (WPAN, Wireless Personal Area Networks).
• El estándar 802.16 define los estándares sin cable de banda ancha.

Tipos de Redes Inalámbricas

• WPAN (Wireless Personal Area Network): Bluetooth, velocidad <1 Mbps, alcance corto, aplicaciones peer-to-peer.
• WLAN (Wireless Local Area Network): 802.11a/b/g/n, velocidad 2-110+ Mbps, alcance medio, redes privadas de empresa.
• WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): 802.16 MMDS, LMDS, velocidad 22+ Mbps, alcance medio-largo, bucle fijo de abonado final.
• WWAN (Wireless Wide Area Network): GSM, 2.5-3G, HSDPA - HSUPA, velocidad <14 Mbps, alcance largo, PDA, teléfonos móviles y acceso celular.

Conexión de Dispositivos

• Los dispositivos de conexión son elementos de hardware usados para lograr un paso de información exacta e instantánea.
• Se clasifican en Activos y Pasivos.

Clasificación de Dispositivos

• Activos: Dispositivo electrónico que distribuye señales de banda ancha a equipos de una red, a través de switch-routers.
• Pasivos: Elementos utilizados para interconectar los enlaces de una red de datos, según normativas internacionales (armarios, tomas, paneles, canalizaciones).
• HUB: Un dispositivo simple que se añade para reforzar la señal del cable debido a la atenuación.
• Repetidor: Regenera las señales de red principalmente en sistemas de cables lineales como Ethernet.
• Bridge: Interconecta las redes y proporciona un camino de comunicación entre segmentos de red o subredes.
• Gateway: Actúa como traductor entre dos sistemas que no utilizan los mismos protocolos, modificando el empaquetamiento de la información para acomodarse al sistema destino.
• Router: Conmutadores de paquetes que operan al nivel de red del modelo de protocolo de Interconexión de sistemas abiertos.
• Switch: Dispositivos utilizados para entregar todo el ancho de banda a un segmento de red en una fracción de tiempo, realizando transferencia de tráfico de transmisión y disminuyendo el dominio de colisión al mínimo.
• Modem: Envía una señal modulada usando otra señal portadora para enviar señales o recibir datos digitales y los transforma a datos analógicos.
• Tarjeta de Red: Permite conectar la estación de trabajo con el medio físico de transmisión.

Componentes Pasivos de una Red

• Conector BNC: Tipo de conector para uso con cable coaxial.
• Conector RJ45: Conector principal utilizado con tarjetas de red Ethernet para transmitir información a través de cables de par trenzado.
• Cubre Conector: Protege el conector macho en cables de hasta 6.5mm de diámetro, fabricado en PVC.
• Doblador de Puntos: Construido en policarbonato para ampliar las señales a transmitir por un cable de pares trenzados.
• Cable de par trenzado: Consta de dos hilos de cobre aislados y entrelazados (UTP y STP).
• Cable STP: Utiliza una envoltura con cobre trenzado protectora y una lámina rodeando cada uno de los pares de hilos.
• Cable UTP: Conductor de cobre desnudo con aislamiento de polietileno.
• Cable coaxial: Núcleo de hilo de cobre rodeado por un aislante, un apantallamiento de metal trenzado y una cubierta externa.
• Cable de fibra óptica: Las señales se transportan como señales digitales de datos en forma de pulsos modulados de luz.
• Fibras ópticas: Se usan en la transmisión de datos, telecomunicaciones, redes de fibra óptica, transmisiones de alta densidad de datos, etc.

Esquema de Red de Área Local (LAN)

• Los componentes de una LAN pueden ser un firewall, notebooks, servidores, routers, switches, computadoras y el internet

Internet de las Cosas (IoT)

• El Internet de las cosas (IoT) es un término común con aplicaciones en muchos campos, redes de sensores-actuadores y sistemas embebidos.
• Implica el uso de dispositivos físicos habilitados para Internet, redes de sensores con sistemas embebidos en tiempo real y redes dinámicas de dispositivos y sistemas embebidos.

Instrumentación Inteligente

• Los procesos industriales requieren controlar y mantener constantes magnitudes como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el pH, la conductividad, la velocidad, la humedad, etc.
• Es necesario medir, convertir, transmitir, controlar y registrar variables para optimizar recursos.
• Los instrumentos de control y medición deben mantener y regular las variables de un proceso en condiciones idóneas.

Evolución de la Instrumentación

• En 1950, los sistemas se adaptaban a una tarea de análisis específica.
• En 1980, la instrumentación virtual se desarrolla con el uso de software y hardware de instrumentación modular.
• Actualmente se usan sistemas de instrumentación basados en software y instrumentación embebida.

Industria 4.0

• Fábrica 4.0 es un sinónimo de (Fábrica Inteligente, Industria 4.0, Fábrica del Futuro).
• Busca apostar por una nueva revolución de los procesos industriales en fábricas automatizadas capaces de producir productos personalizables.
• Las primeras dos revoluciones se basaron en equipos impulsados por vapor, la división del trabajo y la producción en serie mediante energía eléctrica.
• La tercera está ligada a los sistemas de información digital, la internet y los sistemas ciberfísicos.
• Es una rápida transformación que fusiona el mundo virtual de las tecnologías de la información con el mundo físico de las máquinas e Internet, dando lugar a procesos más automatizados y autocontrolados en tiempo real.
• Permite la producción a pequeña escala, personalizada, junto a la producción en masa, optimizando procesos y reduciendo inventarios para mejorar la flexibilidad y la velocidad de respuesta permitiendo productos más individualizados, una producción variable, eficiente y escalable.
• Las máquinas y productos manufacturados pueden interactuar entre sí dentro de la planta, permitiendo una logística más flexible.
• La fábrica del futuro se basa en el Internet Industrial de las Cosas (IIoT).
• Las previsiones de inversión en el IIoT ascienden a 500.000 millones de dólares para 2020.
• Las expectativas de creación de negocio son de 15.000 millones de dólares para 2030.
• Se considera al IIoT una fuente de oportunidades para las empresas.
• Responde a combinar la información generada por los sensores y la analítica industrial y embedded software en la maquinaria.
• El Internet Industrial de las Cosas se basa en la inteligencia distribuida, conectividad entre los dispositivos, comportamiento autónomo y automatización basada en normas estándares y sistemas abiertos.

Ejemplos de IIoT

• En una máquina de envasado, un controlador de movimiento puede enviar comandos y recibir retroalimentación desde el modelo 3D en sí mismo, permitiendo optimizar la funcionalidad de la máquina y realizar pruebas mediante máquinas virtuales.
• El control de válvulas en una refinería se realiza vía transmisores acústicos inalámbricos para mejorar el cumplimiento regulatorio y reducir las pérdidas de hidrocarburos.
• En una fábrica inteligente, los sistemas de instrumentación detectan rápidamente cambios en los procesos, determinan la probabilidad de falla de un componente y programan el mantenimiento de ese componente.

Arquitectura IoT

• Un aspecto clave de IoT es el muestreo aperiódico o disparado por eventos.
• El procesamiento y control de señales digitales asumen que la muestra de datos se realiza de forma periódica.
• Las series de tiempo consumen demasiada energía en los nodos y demasiado ancho de banda en la red.
• La computación distribuida sobre sensores de eventos se fomenta para reducir potencia y consumo de ancho de banda.
• El reconocimiento de eventos reduce la cantidad de ancho de banda de red consumido y el consumo de energía.
• La computación en la nube (servidores centralizados) o la computación en la niebla (servidores más cercanos al borde) se pueden usar para realizar un procesamiento adicional en esos eventos extraídos.

Sistemas Manejados por Eventos

• El evento es un tipo de datos fundamental en los sistemas de IoT que son impulsados por eventos, tratando el tiempo como un concepto de primera clase considerando la relación entre eventos en secuencias.
• La simulación de sistemas impulsada por eventos se usa para modelar sistemas de ingeniería.
• La naturaleza descentralizada de los sistemas de IoT implica definir la naturaleza del evento.

Componentes de Arquitectura IoT

• La planta o el entorno es el sistema físico con el que interactúa el sistema de IoT
• Un conjunto de dispositivos forman los layers de la red llamados nodos.
• Un nodo puede ejecutar o no el Protocolo de Internet y conectarse a concentradores por IP.
• Los procesadores de niebla realizan operaciones en conjuntos locales de nodos y concentradores, reduciendo la latencia.
• Los servidores en la nube brindan servicios computacionales, almacenando datos y resultados.

Protocolos de IoT

• Se han propuesto varios protocolos para IoT no habiendo convergido en un único estándar.
• Dado la prevalencia de modelos orientados a eventos, es necesario un protocolo que admita comunicación entre eventos.
• HTTP utiliza un patrón de diseño de solicitud/respuesta.
• Un protocolo publish/subscribe requiere menos acoplamiento.
• Los sistemas pub/sub suelen estar mediados por brokers que reciben mensajes de los editores y los envían a los suscriptores.
• Los brokers pueden interactuar mediante un protocolo puente.
• El Servicio de distribución de datos (DDS) se gestionan en tiendas locales, y los editores y suscriptores se descubren dinámicamente en la red.
• El Protocolo de publicación/suscripción en tiempo real (RTPS) proporciona propiedades de QoS (Quality of Service), tolerancia a fallas y niveles de seguridad.

Protocolos Orientados a IoT

• Se dividen en aquellos vinculados a una capa física específica y los que no lo están.
• En general, depende si usan o no el Protocolo de internet (IP)

Bluetooth Low-Energy (BLE)

• Tecnología inalámbrica de corto alcance que permite aplicaciones en la tecnología portátiles para comunicarse con otros dispositivos inteligentes.
• Se debe recordar que BLE no está diseñado para transferir archivos de gran tamaño y tiene acceso a Internet a través de 6LoWPAN.

WiFi

• Es la opción preferida para la integración de IoT, con velocidades de transferencia rápidas junto con la capacidad de controlar una gran cantidad de datos.
• Su inconveniente es el consumo de energía que requiere.

ZigBee

• Está diseñado más para los industriales y menos para los consumidores "domésticos", funcionando a 2.4 Ghz, transfiriendo datos a pequeñas tasas, proporcionando soluciones escalables, seguras y de bajo consumo junto con un alto número de nodos
• Su uso se ha unificado a un único estándar haciéndolo más práctico

MQTT IoT

• Es un protocolo de mensajería y la forma completa es Message Queue Telemetry Transport.
• Desarrollado en 1999 por Arlen Nipper (Arcom) y Andy Stanford-Clark (IBM).
• Se usa principalmente para monitorear desde un área remota (IoT), para la tarea de obtener datos de dispositivos eléctricos y transmitirlos a infraestructura de IT.
• Constra de un suscriptor, publicador y broker los cuales necesitan autorización.
• Es apto para dispositivos en IoT que proporcionan funciones de enrutamiento en un ancho de banda bajo con poco consumo de energía.

CoAP

• El CoAP o Protocolo de aplicación restringida es un protocolo de utilidad y productividad que se usa entre dispositivos inteligentes.
• Los sistemas de IoT basados en protocolos HTTP pueden funcionar muy bien con los protocolos de red de CoAP IoT también en dispositivos móviles y otras comunidades sociales, ayudando a deshacerse de la ambigüedad a través de estrategias HTTP.

¿Qué protocolo elegir?

• Es necesario conocer (elegir) entre otras características al seleccionar un protocolo: ancho de banda, rango, consumo de energía, cantidad de nodos, seguridad e interferencia del medio ambiente

Exploramos la integración de Big Data en sistemas ciberfísicos y cómo la ingeniería multidisciplinaria impulsa su desarrollo. Analizamos la preferencia por redes alámbricas en escenarios específicos y su capacidad Power over Ethernet. Justificamos la inversión en infraestructura alámbrica para un ROI a largo plazo.