Adaptar sistemas dinâmicos em tempo real

Sistemas lógicos para controle de tráfego, locais de produção, logística de trens e muito mais

Os sistemas lógicos baseados no conhecimento ajudam a encontrar configurações otimizadas para comutadores e intertravamentos ferroviários. Até agora, porém, eles nunca tinham sido usados para controlar áreas altamente dinâmicas como tráfego rodoviário ou redes de comunicação. O projeto de pesquisa DynaCon, que foi concluído no final de 2020 e incluiu a Siemens como participante, agora encontrou soluções que não só são viáveis como também mais rápidas e mais confiáveis do que outros métodos de IA.

 

O tráfego rodoviário de amanhã está em rede. Semáforos, sinais de mensagem, trens, ônibus e eventualmente, até automóveis elétricos autônomos estarão todos se comunicando ativamente para identificar o percurso mais rápido de A a B, garantir uma distância mínima de segurança, evitar engarrafamentos e responder de forma flexível a acidentes e trabalhos na estrada. No entanto, isto exige que as câmeras nos carros e nos cruzamentos, os sensores eletromagnéticos na superfície da estrada e as unidades transmissoras nos veículos transmitam um fluxo contínuo de dados - dados que devem ser constantemente avaliados e aplicados à situação do trânsito. 

 

A gestão do tráfego em tempo real será possível nos próximos anos quando os centros de controle de tráfego começarem a agir de forma mais autônoma. Isto requer inteligência - inteligência artificial - que vem em várias formas. No caso da aprendizagem mecânica, por exemplo, quanto mais dados são alimentados no sistema, melhor ele pode reconhecer padrões e regularidades. Os modelos de simulação que permitem previsões baseadas em dados empíricos são outra forma de modelagem da realidade.

Reconfiguração em tempo real

Mas nos casos em que sistemas complexos precisam atingir um nível ótimo de desempenho - como um fluxo suave de tráfego - o mais rápido possível, os sistemas lógicos baseados no conhecimento são o caminho mais rápido para se chegar a uma solução. Eles aplicam dados e regras específicas de cada área, a fim de encontrar instantaneamente soluções viáveis. Há mais de vinte anos, a indústria vem utilizando esta abordagem para aplicações não críticas de tempo, como a identificação de configurações que reduzam os custos de fabricação de novos sistemas telefônicos ou de intertravamentos ferroviários. Uma situação semelhante é a conversão de instalações de produção que requerem reconfigurações constantes ao longo do seu desenvolvimento.

 

O que tem faltado até agora é a opção de controlar de forma flexível sistemas dinâmicos em tempo real com a ajuda de sistemas lógicos baseados no conhecimento. Este foi o foco do projeto de pesquisa DynaCon (configuração (re)dinâmica baseada no conhecimento de sistemas ciberfísicos), um projeto de três anos concluído no final de 2020 que foi liderado pela Universidade de Klagenfurt e incluiu outros cinco parceiros da indústria e da pesquisa acadêmica, um dos quais foi a Siemens AG.

Redução dos custos de desenvolvimento e manutenção

O objetivo do projeto era usar fluxos de dados para controlar sistemas altamente dinâmicos como tráfego, redes de comunicação e logística ferroviária sem um tempo de atraso apreciável. Como todos esses sistemas têm componentes mecânicos e eletrônicos em rede que podem ser controlados digitalmente, eles também são chamados de sistemas ciberfísicos. "Eles exigem uma reconfiguração constante para otimizar seu comportamento geral", diz Gerhard Friedrich do Instituto de Inteligência Artificial e Segurança Cibernética da Universidade de Klagenfurt.

Então, como funciona este tipo de sistema de controle lógico baseado no conhecimento? O primeiro passo da equipe do DynaCon foi preparar o conhecimento sobre uma planta ou sistema específico, formulando-o como declarações lógicas armazenadas em uma base de dados. Estas afirmações vão desde as simples - por exemplo, quando um semáforo num cruzamento é verde, o semáforo para o cruzamento deve ser vermelho - até fórmulas de densidade de tráfego que alteram o horário dos semáforos quando um determinado valor limite é atingido

O conhecimento detalhado do sistema é necessário

Cada passo individual é importante para encontrar a solução, porque cada decisão elimina outras opções disponíveis. Por exemplo, a escolha de uma carroçaria específica numa linha de montagem limita a gama de peças adicionais que podem ser instaladas, quer se trate de um amortecedor, grelha de radiador ou pára-brisas. "Atingir este tipo de controle requer conhecimento detalhado do sistema", diz Andreas Falkner, do departamento de pesquisa tecnológica da Siemens. "Ao mesmo tempo, as regras lógicas que são usadas geralmente podem ser aplicadas também a outras áreas, com apenas uma mudança nas variáveis".

 

Os algoritmos e programas desenvolvidos no âmbito do DynaCon já foram usados várias vezes em testes, inclusive para controlar as redes de comunicação de um provedor de internet, para a logística do tráfego de carga, para a distribuição de energia e para o tráfego urbano. O último desenvolvimento em tecnologia de controle não só é muito mais rápido do que as soluções anteriores, como também resulta em soluções de maior qualidade e reduz os custos de desenvolvimento e manutenção. É claro que estas adaptações rápidas não seriam necessárias se tudo prosseguisse de acordo com planos pré-concebidos, dia após dia, mas isso raramente acontece.

A Dynacon utiliza a reciclagem inteligente

Como a equipe do DynaCon conseguiu projetar programas baseados no conhecimento de tal forma que eles podem controlar sistemas dinâmicos em tempo real com base em inúmeros fluxos de dados? Hardware mais poderoso não é suficiente. Também é preciso eficiência. Este processo de identificação instantânea de soluções utiliza apenas as partes da base de conhecimento que realmente necessita. Se o que está atualmente sendo montado em uma linha de produção é um carro esporte, não tem interesse em dados relevantes para caminhões de entrega.

 

Também está constantemente filtrando quaisquer condições ambientais relevantes. Por exemplo, um pavimento molhado de chuva é relevante, enquanto uma única nuvem que obscurece momentaneamente o sol não o é. DynaCon também pratica a reciclagem inteligente: Quando uma solução nova e específica para uma situação é encontrada, ela é generalizada e incorporada na base de dados de conhecimento para uso quando situações similares surgem.

Pode ser facilmente integrado em vários sistemas de controle

Agora que o projeto de pesquisa terminou, a equipe do DynaCon não pode apontar apenas pedidos de patente e divulgação de invenções. Os programas de controle inovadores estão agora definidos para serem utilizados em novos projetos-piloto - e não é necessário qualquer esforço adicional significativo. De acordo com Falkner, "O programa pode ser importado para uma variedade de sistemas de controle sem qualquer dificuldade"

Christian Lettner, Hubertus Breuer, Junho 2021

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