سیستم‌های فیزیکی در آینده هوشمند و متصل به شبکه خواهند بود
با افزایش پیشرفت‌های تکنولوژیکی انتظار می‌رود در سال‌های آینده، سیستم‌های فیزیکی سایبری مانند شهرهای هوشمند، ربات‌های مشارکتی، وسایل نقلیه خودران یا سیستم‌های حمل و نقل بسیار هوشمند، الکتریکی و متصل به شبکه باشند.
سیستم‌های فیزیکی سایبری آینده (CPS) مانند شهرهای هوشمند، ربات‌های مشارکتی، وسایل نقلیه خودران یا سیستم‌های حمل و نقل انتظار می‌رود بسیار هوشمند، الکتریکی و متصل به شبکه باشند. سوال محوری این مطالعه در مورد چگونگی تأثیر این ویژگی‌های جدید بر آموزش و تحقیقات مربوط به CPS در سال ۲۰۳۰ است، تاریخی که توسط سازمان ملل متحد برای دستیابی به دستور کار توسعه پایدار مشخص شده است.
بر همین اساس طبق اعلام مرکز ملی فضای مجازی، چهار سناریو در نظر گرفته شده است. سناریوهای به دست آمده عبارتند از: "سناریوی ترمیناتور" که یک آینده پادآرمان شهری را نشان می‌دهد که در آن تنها سود بیشتر نیروی محرک پیشرفت فناوری است و اهداف توسعه پایدار محقق نمی‌شوند. در مقابل، سناریوی "غول آهنین" نمایانگر اجرای موفقیت‌آمیز اهداف توسعه پایدار است که در آن توسعه فناوری نیروی تحقق این اهداف است.
سناریوی موسوم به "پیشرفت آهسته"، آینده‌ای را نشان می‌دهد که پیشرفت‌های تدریجی فناوری در آن وجود دارد، اما هنوز توسعه پایدار به مسئله‌ای جدی تبدیل نشده است. سناریوی "انسانگرایی" آینده‌ای را نشان می‌دهد که در آن توسعه فناوری کند اتفاق می‌افتد و در عین حال اهداف توسعه پایدار با موفقیت اجرا می‌شوند.
جرالد دیویس -رئیس اجرایی سناریوهای انرژی جهانی- در شورای جهانی انرژی بیان می‌کند: «سناریوها داستان‌هایی درباره آینده هستند، اما هدف از آنها تصمیم‌گیری بهتر در زمان حال است.» بنابراین هدف از ساخت سناریو تجزیه و تحلیل آینده به صورت معقول و منطقی به جای تمرکز بر پیش بینی‌های کوتاه مدت است. آنچه که مسلم است CPS فقط شامل سیستم‌های نرم‌افزاری، فناوری ارتباطات، سنسورها، محرک‌ها و فناوری‌های جاسازی‌شده نیست، بلکه به عنوان نیروی محرکه تحول دیجیتال پذیرفته میشود.
افزایش استفاده از این سیستم‌ها و مشارکت آنها در دیجیتالی شدن و نوآوری آشکار است، اما هنوز سوالاتی در مورد چگونگی طراحی، پیاده‌سازی و استفاده از این سیستم‌ها و مقابله با چالش‌هایی که ویژگی‌های جدید این سیستم‌ها به همراه دارد، وجود دارد و CPSهای آینده، مانند شهرهای هوشمند، ربات‌های مشترک، وسایل نقلیه خودران، سیستم‌های حمل و نقل هوشمند و غیره، صرفاً نسخه‌های جدیدتری از سیستم‌هایی که امروز در حال توسعه و استفاده هستیم، نیستند. بلکه انتظار می‌رود این سیستم‌ها ویژگی‌های متفاوتی نسبت به سیستم‌های امروزی نشان دهند. این ویژگی‌های جدید چالش‌های جدیدی به همراه می‌آورد که تحقیقات و آموزش مهندسی ما برای آنها طراحی نشده است.
سه ویژگی این سیستم‌ها که با سیستم‌های امروزی تحقیقات مهندسی و آموزش ما متفاوت است عبارتند از: هوشمندی، اتصال به شبکه و الکتریکی بودن. علاوه بر فرصت‌هایی که این ویژگی‌ها فراهم می‌کنند، چالش‌های جدیدی نیز وجود دارد که تحقیقات و آموزش مهندسی ما، آماده مقابله با آنها نیست.
در واقع اصطلاح «سیستم‌های فیزیکی سایبری» در حدود سال ۲۰۰۶ توسط هلن گیل در بنیاد ملی علوم (NSF) ابداع شد. در سال ۲۰۰۷، سمپوزیوم IEEE Real-Time Systems سیستم‌های فیزیکی سایبری را به عنوان یک بخش ویژه به سمپوزیوم اضافه کرد و در همان سال، شورای مشاوران رئیس جمهور ایالات متحده در بخش علوم و فناوری CPS را به عنوان اولویت اصلی اعلام کرد. در سال ۲۰۰۸، اولین هفته CPS برگزار شد که اکنون به عنوان یکی از رویدادهای برتر CPS شناخته میشود و پنج کنفرانس برتر تحقیق CPS را در آن گرد هم آورد. در سال ۲۰۰۹، بنیاد ملی علوم برنامه CPS را آغاز کرد و در سال ۲۰۱۰ ACM و IEEE از همایش CPS حمایت کردند، پس از آن کنفرانسها درباره CPS به سرعت افزایش یافت.
در سال ۲۰۱۳، کمیسیون اروپا کارگاهی با عنوان "سیستم‌های سایبری-فیزیکی: ارتقا ظرفیت نوآوری اروپا" را برای شناسایی چالش‌های صنعتی، علمی، فناوری و اقتصادی – اجتماعی، نقاط قوت اروپا، ذی‌نفعان و اولویت‌های نوآوری در حوزه CPS ترتیب داد. ابتکارات صنعتی نسل ۴.۰ آلمان به عنوان نتیجه مستقیم طرح CPS ایالات متحده آغاز شد. پس از آن، تعداد بیشتری از پروژه‌های اقدام، هماهنگی و پشتیبانی در اروپا راه‌اندازی شدند. این مطالعات،PS را به عنوان اصلی‌ترین و توانمندترین بخش فناوری و متحول‌کننده رهبری اقتصادی در سیستم‌های جاسازی‌شده و فناوری‌های اطلاعاتی و ارتباطی، با اهمیت اجتماعی و اقتصادی معرفی کرده است.
سناریو A: ترمیناتور
سناریوی A جهانی را در سال ۲۰۳۰ نشان می‌دهد که در آن هیچ یک از اهداف توسعه پایدار صرف نظر از توسعه سریع تکنولوژیکی محقق نمی‌شود. وقتی سرعت سریع تغییر با فناوری‌های غیرقانونی ترکیب شود، دنیای ۲۰۳۰ نسبت به یک دهه قبل کاملاً متفاوت به نظر می‌رسد. ویژگی‌های کلیدی این سناریو عبارتند از: توسعه اطلاعاتی بی‌رویه، اتصال بالا، نفوذ اینترنت در همه چیز، کند شدن تلاش‌ها برای الکتریکی شدن، داده‌ها در کنترل چند شرکت انحصاری قدرتمند، سیستم‌های کاملاً خودکار فیزیکی سایبری، تغییر در بازار کار از کارگران غیرمتخصص به افراد با مهارت‌های بسیار بالا، از دست دادن مکانیسم‌های یادگیری مادام‌العمر، شرایط آموزش عالی بسیار رقابتی، اخلاق داده‌ها در اولویت قرار نگرفته و در نتیجه عدم اعتماد به فناوری. در این دنیا قدرت توسط چند شرکت فناوری کنترل میشود.
داده‌ها پیشرفت‌های مرتبط با هوشمندی را به پیش برده‌اند و راه‌حل‌های نوآورانه جدید در هر زمینه توسعه یافته است. با این حال، توزیع مزایای این نوآوری‌ها و پیشرفت‌ها با همه به اشتراک گذاشته نمی‌شود زیرا هیچ مکانیسم اخلاقی وجود ندارد که این نتیجه را تضمین کند. موضوعات مربوط به توزیع مزایا و عدم اولویت‌بندی اهداف توسعه پایدار منجر به کاهش اعتماد به فناوری میشود. تغییر در بازار کار به کارگران ماهر نیاز دارد و این منجر به افزایش نابرابری در درآمد میشود. با این حال، فضای آموزش عالی رقابتی و نه میان رشته‌ای نه تنها به این چالش‌ها پاسخ نمی‌دهد بلکه به دلیل ذهنیت سود محور از آنها چشم‌پوشی می‌کند.
آموزش عالی درمورد موضوعات مرتبط با CPS، برنامه‌های درسی علوم داده را به برنامه‌های خود اضافه می‌کند، با این وجود تحقیقات بسیار مهم در کنترل شرکت‌های قدرتمند است – جنبه‌های اجتماعی داده‌ها با آموزش CPS یکپارچه نیستند و توسط سازمان‌های بودجه ریز پشتیبانی نمی‌شوند. علیرغم توسعه قوی فناوری، فاقد اخلاق داده‌های اولویت دار و SDG، هنوز تقاضای زیادی برای تحقیق و آموزش در مورد فناوری CPS وجود دارد.
با این حال، این امر منجر به تأکید بر کاربردهای نظامی / سلاح‌های مبتنی بر هوش مصنوعی، فناوری‌های نظارت دائمی و کنترل افراد میشود. عدم اعتماد به این معنی است که امنیت برای موفقیت استفاده از CPS ضروری است و از این رو، تحقیقات باید روی این موارد متمرکز شوند. علاوه بر این، دسترسی به داده‌ها تهاجمی میشود، زیرا از یک طرف داده‌ها از طریق اینترنت اشیا فراوان است و از طرف دیگر، داده‌ها توسط چند شرکت بزرگ کنترل می‌شوند. آیا می‌توان CPS جدید را بدون دستکاری به همه چیز متصل کرد؟
سناریو B: غول آهنی
سناریو B جهانی را در سال ۲۰۳۰ نشان می‌دهد که در آن همه اهداف توسعه پایدار محقق میشود و پیشرفت‌های سریع تکنولوژیکی در آن وجود دارد. تحولات سریع فناوری با اهداف توسعه پایدار برای جهانی محافظت شده بدون فقر که در آن بیشتر مردم از صلح و رفاه برخوردار هستند، ادغام شده‌اند. ویژگی‌های کلیدی این سناریو عبارتند از: توسعه هوشمندی تنظیم شده، اتصال بالا و در نتیجه اینترنت اشیا همگانی، الکتریکی شدن بالا، داده‌های باز، سیستم‌های خودکار فیزیکی سایبری که در آن انسان و ماشین با هم کار می‌کنند، تغییر در بازار کار از غیر ماهر به کارگران ماهر بسیار زیادی که از طریق محیط‌های یادگیری مادام‌العمر، شرایط آموزش عالی مشارکتی و بین رشته‌ای آموزش دیده‌اند.
اخلاق داده‌ها نه تنها اولویت‌بندی می‌شوند بلکه سازوکارهای پشتیبانی نیز توسعه می‌یابند و در نتیجه اعتماد به فناوری‌های تازه توسعه‌یافته بسیار زیاد است. اهداف توسعه پایدار برای بهبود برابری، تنوع و حمایت از کاهش تغییرات آب و هوایی در اولویت قرار دارند و منابع برای دستیابی به این اهداف تأمین می‌شوند. در حالی که پیشرفت‌های فناوری هنوز از طریق مقررات لازم در حال تغییر جهان هستند، دنیای آموزش و تحقیقات توانسته از فناوری‌های نوظهور به نفع همه برای ساختن جهانی پایدار استفاده کند. این تغییرات و فرصت‌های برابر اعتماد به فناوری را بهبود بخشیده است.
حتی اگر بسیاری از مشاغل ناپدید شده باشند، مشاغل جدید ظهور کردند. از طریق استراتژی‌های آموزش و پرورش و آموزش‌های مادام‌العمر، افراد به راحتی با تعاریف جدید کار سازگار می‌شوند و مهارت‌های جدید را به سرعت و به آسانی کسب می‌کنند. این بدون آموزش میان‌رشته‌ای در آموزش عالی که بسیاری از افراد را قادر به تأمین نیازهای مشاغل جدید می‌کند، امکان‌پذیر نبود. آموزش مربوط به داده‌ها تقریباً در همه رشته‌ها جاسازی شده است. علاوه بر این، پیامدهای اخلاقی و اجتماعی داده‌ها و فناوری به خوبی برای همه قابل درک است.
برای تحقیق و آموزش CPS، این بدان معنی است که تمرکز به ادغام انسان و ماشین تغییر یافته است. ما در آستانه رسیدن به نقطه تکین هستیم و افراد باید به طور مداوم مهارت و درک خود را از نحوه اداره داده‌ها در یک محیط شدیدا متغیر و پیچیده بهبود بخشند. از طریق اینترنت اشیا همگانی، دسترسی به داده‌ها بسیار زیاد و همچنین باز است. آموزش در یک محیط مشارکتی برای مقابله با چگونگی تمایز بین اعتماد در مقابل داده‌های جعلی انجام می‌گیرد. به نظر می‌رسد نتایج تحقیقات به دلیل پیشرفت سریع، مدت زمان بسیار کوتاهی دارند و محققان باید با موضوعات و بودجه‌های جدید بسیار به‌روز باشند.
سناریو C: انسانگرایی
سناریو C دنیایی را در سال ۲۰۳۰ نشان می‌دهد که در آن اهداف توسعه پایدار محقق می‌شوند اما پیشرفت‌های تکنولوژیکی تدریجی است. پیشرفت‌های فنی یک نیروی محرک نیستند و پیوندی نسبتاً ضعیف با اهداف توسعه پایدار دارند. از ویژگی‌های کلیدی این سناریو می‌توان به ترکیدن حباب هوش مصنوعی، استفاده مداوم از اینترنت اشیا، الکتریکی شدن موفقیت آمیز، استفاده نکردن از داده‌ها، اتوماسیون کند، افزایش مشاغل کارگران ماهر پایه، یادگیری مادام‌العمر متمرکز بر پایداری، و استفاده اولویت‌دار از داده‌ها، درک اخلاق، آموزش عالی مشترک و اعتماد نسبی به فناوری‌های جدید اشاره کرد.
در این جهان، پیشرفت فناوری که زمانی به عنوان یک فرصت تلقی می‌شد، اتلاف وقت، انرژی و پول محسوب میشود. نیازهای نسل آینده، دستیابی به اهداف توسعه پایدار و تأثیرات غیرمنتظره چندین فناوری، از جمله افزایش کاربردهای هوش مصنوعی، استراتژی‌های متفاوت برای شیوه‌های سنتی کار، یادگیری و زندگی است. از آنجا که اعتماد به فناوری کاهش یافته است، بودجه تحقیقات مربوط به CPS در حال کاهش است. آموزش CPS به آرامی از روش‌های داده‌محور دور میشود، اما جنبه‌های اخلاقی داده‌ها و پیامدهای اجتماعی تغییرات سریع فناوری هنوز مورد توجه بسیاری از محققان است.
انفجار حباب هوش مصنوعی به این معنی بود که محققان باید دوباره به آزمایشگاه‌های خود برگردند تا روش‌های جدیدی را برای ادغام CPS با روش‌های جدید کار امتحان کنند. دانشجویان به تأیید جدیدی درباره آینده احتمالی CPS احتیاج دارند، زیرا اعتماد به داده‌ها مجدداً زیر سوال رفته است. توجه بسیاری به توسعه پایدار معطوف است و تا حدی به نظر می‌رسد که توسعه CPS سهم بیشتری در این امر داشته باشد. بنابراین، اگرچه CPS و توسعه فناوری بخش‌های اساسی جامعه هستند، اما توجه به آنها نسبتاً کم است. محققان به هر حال بودجه کار خود را پیدا می‌کنند، اما منابع زیادی وجود ندارد.
سناریو D: پیشرفت کند
سناریوی D نشان‌دهنده جهانی در سال ۲۰۳۰ است که در آن پیشرفت‌های فناوری و اهداف توسعه پایدار به آرامی در حال پیشرفت هستند. در این سناریو، جهان و اروپا هنوز به دنبال دستیابی به اهداف توسعه پایدار هستند، که هنوز به آنها نرسیده‌اند، در حالی که پیشرفت فناوری از سال ۲۰۱۹ توسعه زیادی به خود ندیده است. از ویژگی‌های کلیدی این سناریو می‌توان به تلاش اندک برای تنظیم مقررات توسعه اطلاعات، افزایش اتصال به شبکه، پیشرفت آهسته تلاش‌ها برای الکتریکی شدن، کنترل عمده داده‌ها در انحصار چند شرکت قدرتمند و در عین حال افزایش حرکت به سمت ابتکارات داده باز، افزایش استفاده از سیستم‌های سایبر فیزیکی خودکار، و تغییر کند در بازار کار اشاره کرد.
گزینه‌های یادگیری مادام‌العمر از کارگران غیرمتخصص تا مهارت بالا وجود دارد اما به عنوان یک اولویت، آموزش عالی رقابتی، تحولات کند در اخلاق داده‌ها و در نتیجه اعتماد اندک به توسعه فناوری دیده میشود. در جهان این سناریو، افزایش استفاده از فناوری و داده‌های تولیدشده هنوز تحت کنترل چند انحصار است، با بحث‌های مداوم در مورد چگونگی مقابله با این انحصار، اما مقرراتی وجود ندارد و مناطق مختلف جهان استراتژی‌های مختلفی را برای کنار آمدن با آن تهیه کرده‌اند و پیامدهای اخلاقی و اجتماعی فناوری و استفاده از داده‌ها هنوز در اولویت قرار ندارند، با این وجود گروه‌های تحقیقاتی و برنامه‌های دانشگاهی این عوامل را بررسی می‌کنند.
مشابه دنیای امروز، الکتریکی شدن وسایل نقلیه توسط برخی کشورها پشتیبانی میشود، اما نیروی محرکه آن کشورها نیست. همه اینها سرعت اجرای اهداف توسعه پایدار را کاهش می‌دهد و جهان هنوز فرصتی برابر برای همه فراهم نمی‌کند. تحقیق و آموزش CPS بر دستیابی به داده‌ها از راه‌های درست و در زمان‌های مناسب متمرکز است. اکنون جنبشی برای افزایش گشودگی و اجازه تسلط شرکت‌های بزرگ بر بازار وجود ندارد.
به لطف پیشرفت نسبتاً کند فناوری، امکاناتی در ایجاد مجموعه‌های جدیدی از مقررات، توافق نامه‌ها، روش‌ها، بهترین شیوه‌ها/استانداردها، مقررات (برای اجتناب از مشکلات و عوارض جانبی با فناوری‌های جدید) وجود دارد. دانشجویان به دنبال فهم این هستند که چگونه اتوماسیون می‌توانند از توسعه پایدار پشتیبانی کند، که علیرغم عدم موفقیت در دستیابی به SDG و دستور کار ۲۰۳۰، یک موضوع بسیار مهم در جامعه است. هنوز هم در یافتن راه‌های جدید عزم وجود دارد – سوال این است که چگونه؟ این یکی از مسائلی است که جامعه پژوهشی در این جهان سعی در حل آن دارد.
این مطالعه نشان می‌دهد که چگونه عدم قطعیت‌ها و روند فعلی ممکن است آینده‌های متفاوتی را برای آموزش و تحقیقات CPS ایجاد کند. حتی اگر سناریوهای ارائه‌شده در این مطالعه تنها چند مورد از بسیاری از آینده‌های احتمالی باشد، برای کمک به محققان، مربیان و موسسات برای ایده‌پردازی، تجسم و درک آینده بسیار ارزشمند هستند. این مطالعه نشان می‌دهد که پیشرفت‌های تکنولوژیکی همچنان در حال افزایش است و همگام بودن با سرعت این تحول برای همه چالش‌برانگیز است.