Na krawędzi chmury – niezawodność zautomatyzowanego świata

Współdzielenie rowerów, inteligentne domy lub samochody autonomiczne: nasze postrzeganie świata i sposób, w jaki się w nim poruszamy, staje się coraz bardziej zależne od procesów cyfrowych. Informatyk Christos Tsigkanos pracuje nad modelami matematycznymi zaprojektowanymi po to, aby systemy na styku świata fizycznego i cyfrowego zapewniły niezawodne usługi pomimo zalewu danych i ogólnej nieprzewidywalności.

Dwadzieścia lat temu mało kto przewidziałby, że będziemy nosili w kieszeni małe komputery, a nawet że będziemy w stanie z nimi rozmawiać. W podobnym duchu wielu ludzi wciąż nie zdaje sobie sprawy, że to dopiero początek: „Dopiero w ciągu najbliższych kilku lat zobaczymy prawdziwe pojawienie się wszechobecnych systemów, które są coraz bardziej splecione z tkanką naszego społeczeństwa”, mówi Christos Tsigkanos, informatyk, który prowadzi badania nad „przestrzeniami złożonymi” między światem fizycznym a cyfrowo obliczonym światem. W przyszłości prawdopodobnie nie będziemy musieli nawet komunikować naszych intencji komputerowi, zauważa Tsigkanos, ponieważ moc obliczeniowa będzie przewidywać  potrzeby w czasie rzeczywistym. Może to dotyczyć zautomatyzowanych procesów w fabrykach, prostych codziennych rzeczy, takich jak oświetlenie lub ogrzewanie, które są włączane tylko wtedy, gdy ktoś ich potrzebuje, lub pojazdów, które nie tylko organizują się za pomocą cyfrowego wymiaru, którego sami nawet nie jesteśmy świadomi, ale mogą również poruszać się autonomicznie po mieście lub obszarach dotkniętych katastrofą. Są to złożone systemy, które są ze sobą połączone.

Jedyną stałą jest zmiana

Ciągła zmiana, tylko części przewidywalna, stanowi szczególne wyzwanie na tym styku sfery fizycznej i cyfrowej. Zmiana ta jest spowodowana działaniami człowieka, trendami pogodowymi, nagłymi wyjątkowymi zdarzeniami i wieloma innymi czynnikami. Jedynym więc pewnikiem jest to, że nastąpi zmiana. „W informatyce nazywamy to dynamiką i musimy wziąć ją pod uwagę przy projektowaniu każdego takiego systemu” – wyjaśnia Tsigkanos.
Tsigkanos nazywa powiązany z nim projekt badawczy Edenspace. Chociaż nie obiecuje Raju, dąży do świata, w którym pomocne technologie spełniają swoje zadania, a przede wszystkim są niezawodnie. „Stosujemy podejście oparte na matematyce i polegamy na tak zwanych metodach formalnych, które doskonale nadają się do weryfikacji, czy systemy działają poprawnie” – mówi Tsigkanos. Jego celem jest zapewnienie stabilnego modelu dla takich systemów rozproszonych, które obejmują dane, przetwarzanie i użytkowników, którzy mogą nie znajdować się w tym samym miejscu i często się przemieszczać.

Lepsze udostępnianie rowerów

Systemy wypożyczania rowerów są prostym przykładem rozproszonego systemu pomiędzy przestrzenią fizyczną i cyfrową. Rowery mają kilka czujników i informacji o lokalizacji i użytkownikach, ale nie dużą moc obliczeniową. W związku z tym informacje z czujnika muszą być w jakiś sposób przesyłane. Według Tsigkanos dane nie mogą być przesyłane bezpośrednio do centralnej lokalizacji – nawet jeśli jest to chmura cyfrowa – ponieważ byłoby to zbyt kosztowne i czasochłonne. Zamiast tego system wykorzystuje tak zwane edge computing, co oznacza system obliczeniowy, który leży między chmurą a urządzeniami końcowymi i zapewnia infrastrukturę obliczeniową dla roweru. Gdy rower zbliża się do urządzenia brzegowego, udostępnia i odbiera informacje. W ten sposób dane są przesyłane szybciej, niż gdyby wszystko musiało być wysyłane do i z centralnego punktu.

Im więcej żądań otrzymują urządzenia brzegowe, tym trudniejsza staje się właściwa koordynacja wymagań dotyczących mocy obliczeniowej, transmisji danych i komunikacji sieciowej, przy jednoczesnym zapewnieniu prawidłowego funkcjonowania wszystkich części systemu. Jest to jednak konieczne, aby móc polegać na wynikach – i jest to dziedzina, na której koncentrują się badania Tsigkanosa. Jeśli system zauważy na przykład, że niektóre dane są opóźnione lub nie zgadzają się z innymi danymi, powinien wysłać ostrzeżenie, że system nie działa prawidłowo w danym momencie, zamiast dokonywać błędnych prognoz.

Jeśli ekstrapoluje się możliwości tylko dla systemów wypożyczania rowerów, można zintegrować informacje o wydarzeniach lub pogodzie, aby wiarygodnie przewidzieć, gdzie rowery będą potrzebne w następnej kolejności. Dzięki systemowi zniżek lub punktów bonusowych użytkownicy mogą być zachęcani do parkowania rowerów bliżej tych lokalizacji. Autonomiczne samochody mogłyby tam same dotrzeć. Ale gdyby system był podatny na błędy, nie byłoby to w ogóle pomocne, a pojazdy znalazłyby się w niewłaściwym miejscu.

Niezawodny świat przyszłości

Z drugiej strony, jeśli systemy rozproszone są rzeczywiście niezawodne, mogłyby znacznie skuteczniej koordynować pomoc w czasie rzeczywistym na przykład na obszarach dotkniętych klęskami żywiołowymi, bez polegania na centralnym połączeniu danych. Drony mogą zbierać dane i przekazywać je karetkom pogotowia lub pojazdom komercyjnym na ziemi, aby jak najszybciej dostarczyć pomoc humanitarną i zespoły reagowania kryzysowego tam, gdzie są najbardziej potrzebne – lub usunąć je z drogi w odpowiednim czasie. „Musisz zaplanować z wyprzedzeniem, w jaki sposób takie przepływy danych mogą być koordynowane i dostosowywane – nie możesz tego zrobić za pomocą systemu, który jest gotowy i działa. Dynamika musi być brana pod uwagę zarówno w projekcie, jak i działaniu systemu”, mówi Tsigkanos. Niezależnie od tego, czy celem jest ratowanie życia ludzkiego, czy prawidłowa ocena, gdzie potrzebne są rowery, wyzwanie związane z zaprojektowaniem takich systemów w taki sposób, aby były niezawodne, pozostaje porównywalne. Model Tsigkanos oferuje sposób na budowanie systemów, które albo niezawodnie spełniają stawiane im wymagania, albo nawet dostosowują się, gdy tego nie robią.

Christos Tsigkanos studiował informatykę w Atenach i Amsterdamie, a doktorat uzyskał w Mediolanie w 2017 roku, a następnie w Wiedniu i Bernie. W niedalekiej przyszłości Tsigkanos obejmie profesurę w Atenach. W swoich badaniach interesuje się krytycznymi systemami i metodami tworzenia niezawodnych systemów oprogramowania. Projekt Lise-Meitner Edenspace: Engineering Dependable Cyber-Physical Spaces otrzymał około 173 000 EUR dofinansowania z Austriackiego Funduszu Naukowego FWF i został ukończony w styczniu 2022 r.

Publikacje

• Tsigkanos C., Bersani M., Frangoudis P., S. Dustdar S.: Edge-based Runtime Verification for the Internet of Things, in: IEEE Transactions on Services Computing, Vol. 15, 2022
  Avasalcai C., Tsigkanos C., Dustdar S.: Resource Management for Latency-Sensitive IoT Applications with Satisfiability, in: IEEE Transactions on Services Computing Vol. 15, 2022
• Tsigkanos C., Li N., Hu Z., Jin Z., Ghezzi C.: Scalable Multiple-View Analysis of Reactive Systems via Bidirectional Model Transformations, in: IEEE/ACM Automated Software Engineering (ASE), 2020 – ACM SIGSOFT Distinguished Paper Award