Teadus ja tulevik

Elame juba praegu keset küberfüüsikalisi süsteeme: kuidas see töö- ja argielu muudab?

Elame juba praegu kõik keset küberfüüsikalisi süsteeme ja lihtsaim näide sellest on üsna igapäevaseks saanud paljude tarkade funktsioonidega autod.Foto: Shutterstock

Rubriiki toetab

Targad elektrivõrgud, meditsiini kaugseiresüsteemid, isejuhtivad sõidukid, nutikodu lahendused, tuumajaamades, reisilennukites ja sõjaväes kasutatavad süsteemid või nende komponendid – asjade internet, küberfüüsikalised süsteemid ning pilve- ja tarkvaratehnoloogiad on toonud ning toovad meie ellu aina enam uusi võimalusi ja piltlikult öeldes elame kõik keset küberfüüsikalisi süsteeme.

Teisalt on infotehnoloogia ning füüsilise maailma sidumise oskused veel üsna lapsekingades, valdkonna arengupotentsiaal on tohutu ja aina enam vajatakse spetsialiste, kes  tunneksid arukate süsteemide ülesehitust, oskaksid luua nutikaid lahendusi ja arendada säästvaid tehnoloogiaid. 

Just nimelt sellised mitmekülgsed spetsialistid, kel on olemas teadmiseid robootikast, mehaanikast ja elektroonikast, oskus seadmed ja erinevaid süsteemid omavahel suhtlema panna ning seega perspektiivikad väljavaated tööpõllul, saavad TalTechi telemaatika ja arukate süsteemide eriala bakalaureusekava lõpetanutest.

Õppekohaks saab valida nii Tartu kui ka Ida-Virumaa, seejuures tasub tähele panna, et Virumaa kolledžis on peaerialaks telemaatika, Tartus aga küberfüüsikalised süsteemid.

Mis on küberfüüsikalised süsteemid?

TalTechi Tartu kolledži lektor Ago Rootsi nendib, et vastamist küsimusele mis on küberfüüsikalised süsteemid (KFS), tuleb alustada veidi kaugemalt ehk siis süsteemi kui sellise mõistest. 

Teatavasti on kogu maailm meie ümber ja meie ise selle maailma osana vastastikustes seostes. Need seosed võivad olla otsesemad või kaudsemad, tugevamad või nõrgemad, kuid alati on nad olemas – kui mitte muul moel, siis gravitatsioonilise vastasmõju näol.

Mõiste “süsteem” tuleb inimese käsitlusest, on üsna meelevaldne ja enamasti hõlmab komponente, mis on omavahel enam seotud  ja/või mille mingid omadused vastavad meie poolt püsitatud uurimiseesmärgile.

Ka mistahes ehitis on (enamasti inimese loodud) süsteem. Näiteks targa maja ehitamiseks vajalik materjal ja seadmed tuuakse kokku tänapäeval väga paljudest kohtadest üle Maa. Eriti puudutab see seadmeid, millest enamik pärineb praegu Aasiast ja seda isegi siis, kui need on lõplikult kokku pandud näiteks Ameerikas või Euroopas.

Lõpuks moodustavad nad targa maja näol süsteemi, mis omakorda sisaldab tervet rida alamsüsteeme. Näiteks küttesüsteem, ventilatsioonisüsteem, valvesüsteem, tuleohutussüsteem jne. Kõik see teeb targast majast süsteemide süsteemi.

Küberfüüsiline ehk küberfüüsikaline süsteem (ingl k cyber-physical system, lühendatult CPS) on mehhanism, mis seob läbi infotöötluse füüsilist maailma virtuaalse maailmaga ning võib sisaldada tarkvarasüsteeme, sidetehnoloogiat, sensoreid, ajameid jmt, mis suhtlevad mh sardsüsteemide tehnoloogiat kasutades reaalse maailmaga.

Küberfüüsikaliste süsteemide näideteks on targad elektrivõrgud, meditsiini kaugseiresüsteemid, isejuhtivad sõidukid, nutikodu lahendused jmt, aga ka tuumajaamades, reisilennukites ja sõjaväes kasutatavad süsteemid või nende komponendid. Kuna küberfüüsikaliste süsteemide puhul on sageli tegu turvakriitiliste süsteemidega, mis seovad füüsilist tegelikkust eri infosüsteemidega, siis eeldab see eraldi transdistsiplinaarset lähenemist. 

Küberfüüsikaline süsteem eeldab avatud süsteemis seda läbiva energiavoo (laiendatud mõttes ressursivoo) sihipärast juhtimist. Juhtimine omakorda eeldab vastavat riistvara ja tarkvara  olemasolu. Need kaks lisavad süsteemile nutikuse, mida KFS mõistes kirjeldab sõna „küber“. Tarkvara omakorda eeldab selle loomist, konkreetsele süsteemile kohandamist ja olude muutudes ümberkohandamist. Ideaaliks on siin, et tarkvara kohandub ise – algul uue hoone kui süsteemi iseärasustega ja hiljem muutustega süsteemis.

Näitena toodud tark maja on küberfüüsikaline süsteem. Siin energiavoo juhtimist tegev riist- ja tarkvara peab suutma tagada süsteemi eesmärgi, milleks on maja puhul mugav sisekliima, kasutusmugavus ja turvalisus. See kõik peab olema saavutatud optimaalse ressursikuluga.

Kuidas muudab küberfüüsikaliste süsteemide laialdane levik argielu?

TalTechi Tartu kolledži küberfüüsikaliste süsteemide insener Taavi Kase selgitab, et see, kuidas muudab küberfüüsikaliste süsteemide hoogne levik töö- või argielu, sõltub näiteks sellest, kellena inimene töötab. Tarkvara arendaja elu see vast väga ei mõjuta, muidugi kui just ametiks ei ole arendada targa maja või tööstuse tarkvara. Ka koristaja igapäeva targad süsteemid ilmselt väga ei mõjuta. Samas automaatikute või tehaste töötajate elu muutub üsna palju. 

Tänapäeval muutub tööstus järjest automatiseeritumaks – selliseks, kus omavahel peavad moel või teisel koostööd tegema ka robotid. Sama kehtib ka laonduse kohta, kus automatiseeritud tõstukid liigutavad kaupa iseseisvalt ja inimese ülesanne on ainult öelda mida, kui palju ja kuhu viia tuleb. Tõstukitele antakse see info ette ja nemad tegelevad edasi juba autonoomselt.

Ka autojuhtide elu on KFS juba mõjutanud läbi erinevate juhiabisüsteemide (nt adaptiivne püsikiiruse hoidja, sõidurea hoidja, kokkupõrkehoiatussüsteemid) kuni selleni välja, et suurema osa auto juhtimist teevad uuemad autod (nt Tesla) juba ise ära.

Automaatikud, elektrikud jpt taoliste erialade esindajad peavad nüüdsel ajal olema valmis tegelema ka erinevate seadmete programmeerimisega. Samuti peavad nad tundma erinevaid nutikodu ja tööstusautomaatika seadmeid, et need omavahel koos tööle panna. Just sellised teadmised telemaatika ja arukate süsteemide eriala õppides omandataksegi.

Kiiresti arenev ja perspektiivikas valdkond

TalTechi Tartu kolledžis saab pärast põhiainete läbimist spetsialiseeruda küberfüüsikalistele süsteemidele. Selgeks saab arukate süsteemide ülesehituse, säästvate tehnoloogiate arendamise ja programmeerimise. 

Ago Rootsi selgitab, et bakalaureuse tasemel on terve rida nn üldõppeaineid, mis pole küberfüüsikaliste süsteemide vaatenurgast käsitletavad. Samas ilma nende teadmisteta ei saa vajalikku baasi küberfüüsikaliste süsteemide käsitlemiseks. 

“Selleks on vajalik suhteliselt laiapõhjaline tehnikavaldkonna tundmine ja programmeerimise – eelkõige riistvara programmeerimise oskus,” ütleb ta ning lisab, et siiski on ka otseselt KFS õppeaineid, nt on õppekavas olemas aine nimega küberfüüsikalised süsteemid ja ka valikainena Eluslabori projekt.

Kõik kokku annab pigem eelteadmised koos oskusega neid küberfüüsikalise süsteemi kontekstis vaadelda ja sealt edasi peaks lõpetanu juba magistriõppes mõnes KFSi kitsamas valdkonnas erialasse sügavuti minema. 

“Tänapäeva inimene sisuliselt elab keset küberfüüsikalisi süsteeme ja kasutab neid igapäevaselt. Kõike seda üks peaeriala haarata ei suuda. Seoses Eluslaboratooriumi (vaata täpsemalt kõrvalloost – toim.) kui õpikeskkonna olemasoluga on õppetöös mõningane rõhuasetus targa maja küsimustele. Mõningane suund hoonetele kui küberfüüsikalistele süsteemidele, haakub ka meie kolledžis õpetatavate ehitusvaldkonna erialadega.”

Missugused on tulevikuväljavaated?

Taavi Kase märgib, et telemaatika ja arukate süsteemide õppekaval keskendutakse eelkõige baasteadmiste andmisele elektroonika, side, tarkvaraarenduse, 3D-modelleerimise ja automaatikavaldkondades. 

“Paraku ilma nende teadmisteta pole KFS maailmas just palju teha. Kindlasti on vajalik huvi füüsika ja matemaatika vastu, sest nende tundmine lihtsustab ka muude teadmiste omandamist. Samuti võib olla huvi robootika ja programmeerimise vastu,” täpsustab ta ning lisab, et tudengid saavad spetsialiseeruda endale sobivamale valdkonnale läbi praktikate, mida on kokku umbes ühe poolaasta jagu. 

Vaadates eriala seniseid lõpetajaid ja seda kus nad täna töötavad, on tulevikuväljavaated väga laiad. On näiteks lõpetajad, kes alustasid juba õpingute ajal enda start-up-ettevõttega, mis tegeleb ventilatsiooni automaatikaga. Samuti on mindud tööle tarkvara arendajatena, aga ka elektriettevõtetesse ja mujale.

Võimaluste paljusust näitavad ka tudengite koostatud lõputööd, mis on üsna erinevatest valdkondadest, näiteks on uuritud seadmete prototüüpimist koos kasutatava tarkvaraga, tarkvara arendust mingis ettevõttes või ka kolledži Eluslabori jaoks, laosüsteemide automatiseerimist ja muudki.

Vastuvõtt TalTechi algavaks õppeaastaks juba käib, dokumente võetakse vastu kuni 6. juulini 2022. Avaldusi kõikidele õppekavadele saab esitada vastuvõtu infosüsteemis SAIS.

Mis on eluslaboratoorium?

Eluslaboratooriumis ehk TalTechi Tartu kolledži Puiestee tänava õppehoones omandatud praktilised oskused on väärtuslikuks lisaks teoreetilistele teadmistele.Foto: TalTech

TalTechi Tartu kolledži küberfüüsikaliste süsteemide insener Taavi Kase avaldab, et Eluslaboratoorium on teaduslik idee, mis hõlmab mitmesuguseid teadusharusid: innovatsiooni haldamist, kasutajakeskset disaini, ettevõtlust, tunnetusteadust, organisatsiooniteooriat, juhtimismudeleid, kontekstiteadlikust, inimese ja arvuti vahelist suhtlust, infoteadust ja sotsiaalinformaatikat.

Eluslaboratooriumi ideeks on toodete loomisel ja/või arendamisel kaasata võimalikult palju kasutajaid, töötajaid, tarbijaid, organisatsioone ja firmasid; disainiprotsess suunatakse vastavalt kasutajate tagasisidele ja ei eelistata kindlat tehnoloogiat, vaid ollakse avatud ja neutraalne.

Eluslaboratoorium on uurimismeetod, mida kasutatakse eelkõige keerukamate süsteemide käsitlemisel. Süsteemidel on omadusi, mis selle komponentidel eraldivõetuna ei ilmne. Nt uurides maja sisekliimast ainult temperatuuri kõikumisi ei tule välja see, kuidas inimesed automaatikat kasutavad. Nt kui ööseks ununevad aknad lahti või kui inimesed seavad külma ruumi kütte maksimaalsele ja kui ruum läheb liiga palavaks, keeratakse küte lihtsalt kinni, kuni hakkab jälle külm.

TalTechi Tartu kolledži lektor Ago Rootsi täiendab, et Eluslaboratooriumiks on kolledži kontekstis Puiestee 80A õppehoone koos selle tehnosüsteemidega.

“Kasutame siin nimetuse alguses suurtähte, et mitte segada meetodiga. Siia kuulub ka MongoDB andmebaas (koos kasutajaliidesega tuntud ka kui MeiePilv), millega Eluslaboratooriumi automaatikasüsteem on mõlemasuunaliselt seotud: sinna salvestatakse automaatika tagasisideandurite abil kogutud informatsioon ja automaatika seisundiinfo ning sealt saab automaatikasüsteem maha lugeda etteantud seadesuurusi nagu näiteks temperatuur, mida automaatika peab mingis ruumis hoidma,” räägib Rootsi.

Ta sõnab ka, et Eluslaboratooriumi riistvara- ja tarkvaraarendus on pidev protsess, millesse kaasatakse ka üliõpilasi. “Eluslaboratooriumis kasutame samanimelist uurimismeetodit: oleme siin kõik nii uurijad kui ka selle küberfüüsikalise süsteemi komponendid.” 

Eluslaboratoorium on ühtlasi KFSi peaeriala õpikeskkond, mis võimaldab läbi viia paljude erinevate õppeainete praktikume, projektipõhist õpet ning teha lõputöid selle edasiarendamisel. Arenguruumi on aga piiramatult.

Võimalikult mugav sisekliima ja mugavalt toimivad süsteemid võimalikult vähese energiakuluga on keerukas probleemide kompleks. Selles valdkonnas omandatud praktilised oskused on väärtuslikuks lisaks stuudiumi vältel omandatud teoreetilistele teadmistele.

Selles rubriigis vahendame maailma teadusuudiseid, tulevikuvaateid ning oma kõige põnevamaid tegemisi.

Populaarsed lood mujal Geeniuses

Ära jää ilma päeva põnevamatest lugudest

Telli Geeniuse uudiskiri

Saadame sulle igal argipäeval ülevaate olulisematest Geeniuse teemadest.