Przegląd systemów czasu rzeczywistego

Odkryj wpływ, jaki systemy czasu rzeczywistego mają na zastosowania Internetu rzeczy (IoT) w branżach produkcji, opieki zdrowotnej, wydobycia i przetwarzania ropy i gazu, a także robotyki.

Kluczowe informacje

  • System czasu rzeczywistego charakteryzuje się zdolnością do wytworzenia oczekiwanego rezultatu w określonym czasie (terminowość) oraz do skoordynowania niezależnych zegarów i jednoczesnego współdziałania (synchronizacja w czasie).

  • Twardy system czasu rzeczywistego ma bezwzględne terminy, a jeśli te przydzielone przedziały czasowe zostaną przekroczone, nastąpi awaria systemu. W miękkich systemach czasu rzeczywistego system nadal działa, nawet jeśli nie dotrzyma terminu, ale z niepożądaną niższą jakością wyjściową.

  • Zdolność systemu czasu rzeczywistego jest „mierzona” na podstawie dwóch wymagań: opóźnienia i fluktuacji obliczeniowych.

  • Firma Intel oferuje sprzęt i oprogramowanie na poziomie systemu referencyjnego do tworzenia aplikacji czasu rzeczywistego, w których każdy element musi działać w sposób niezawodny i przewidywalny, w określonym oknie czasowym, aby spełnić twarde wymagania czasu rzeczywistego.

BUILT IN - ARTICLE INTRO SECOND COMPONENT

Jeśli chodzi o pomoc firmom w zaspokajaniu rosnących potrzeb w zakresie przetwarzania danych w czasie rzeczywistym za pomocą niezawodnych i przewidywalnych systemów czasu rzeczywistego, firma Intel zapewnia rozwiązania, technologie i partnerów, którzy to umożliwiają.

Potrzeba systemów czasu rzeczywistego 

Rosnąca globalna łączność, zmieniające się wymagania konsumentów dotyczące zawsze dostępnych danych oraz stale włączone, wyposażone w czujniki środowiska korporacyjne prowadzą do tworzenia, gromadzenia i analizowania wykładniczych ilości danych. IDC szacuje, że do 2025 roku będzie 79,41. zettabajtów tworzonych danych, a prawie 30 procent 2 z nich będzie wymagało przetwarzania w czasie rzeczywistym, co będzie wymagało systemów czasu rzeczywistego.

Potrzeba przetwarzania w czasie rzeczywistym jest szczególnie istotna dla firm zajmujących się robotyką, produkcją, opieką zdrowotną i wysoce precyzyjnymi branżami, takimi jak przemysł naftowy, gazowy i energetyczny, które polegają na danych w czasie rzeczywistym w celu ciągłego zwiększania bezpieczeństwa, wydajności i niezawodności.

Jednym z kluczowych czynników zapewniających przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym dla firm z tego typu branż jest zdolność systemu do nadawania priorytetów, zarządzania i wykonywania obciążeń w czasie rzeczywistym w stosunku do obciążeń w czasie nierzeczywistym.
Na przykład, współcześni producenci samochodów w dużym stopniu polegają na robotach współpracujących ze sobą na linii produkcyjnej w celu zmontowania samochodu. Roboty podają sobie nawzajem części, wiercą, spawają lub przeprowadzają inspekcje bezpieczeństwa - wszystkie te czynności wymagają wysokiego poziomu precyzji i skrupulatnego wyczucia czasu. W tym przypadku system czasu rzeczywistego musi mieć możliwość nie tylko przetwarzania danych w określonych, przewidywalnych ramach czasowych, ale także zapewnienia, że zadania krytyczne, takie jak obciążenia związane z bezpieczeństwem, zostaną ukończone przed zadaniami mniej krytycznymi.
Jak więc branże oparte na danych mogą upewnić się, że dane są przetwarzane w odpowiednim czasie i w odpowiedni sposób? Systemy czasu rzeczywistego.

IDC szacuje, że do 2025 roku będzie 79,41 zettabajtów tworzonych danych, a prawie 30 procent 2 z nich będzie wymagało przetwarzania w czasie rzeczywistym, co będzie wymagało zastosowania systemów czasu rzeczywistego.

Co to jest system czasu rzeczywistego?

Termin „system czasu rzeczywistego” odnosi się do dowolnego systemu przetwarzania informacji ze składnikami sprzętowymi i programowymi, które wykonują funkcje aplikacji czasu rzeczywistego i mogą reagować na zdarzenia w przewidywalnych i określonych granicach czasowych. Typowe przykłady systemów czasu rzeczywistego obejmują systemy kontroli ruchu lotniczego, systemy kontroli procesów oraz systemy autonomicznej jazdy.

Zalety systemów czasu rzeczywistego dla aplikacji

Systemy czasu rzeczywistego oferują szereg korzyści:

Zalety
Bardziej precyzyjne odmierzanie czasu Systemy czasu rzeczywistego są przeznaczone do wykonywania zadań, które muszą być realizowane w ściśle określonych terminach cyklu (z dokładnością do mikrosekund).
Wyższa przewidywalność i niezawodność Ponieważ systemy czasu rzeczywistego przetwarzają dane w określonych, przewidywalnych ramach czasowych, wykonanie zadań lub obciążeń roboczych jest praktycznie gwarantowane, co zwiększa niezawodność systemów krytycznych dla biznesu.
Priorytetyzacja obciążeń w czasie rzeczywistym Gdy określone zadania wykonywane w czasie rzeczywistym muszą zostać ukończone w wyznaczonym terminie, aby uniknąć krytycznej awarii systemu, możliwość nadania priorytetu niektórym zadaniom nad innymi ma pierwszorzędne znaczenie. Niektóre, ale nie wszystkie, systemy czasu rzeczywistego mają taką możliwość w zakresie priorytetyzacji obciążenia pracą lub zadań.

Komponenty systemu czasu rzeczywistego 

Aby system czasu rzeczywistego był zdolny do obliczeń w czasie rzeczywistym, musi spełniać dwa wymagania:

  • Terminowość: Zdolność do osiągnięcia oczekiwanego rezultatu w określonym terminie.
  • Synchronizacja czasu pracy: Zdolność agentów do koordynowania niezależnych zegarów i działania razem w unisonie.

Oceniając systemy czasu rzeczywistego, firmy mogą mierzyć wartość każdego systemu pod względem tego, jak bardzo jest on przewidywalny w realizacji zdarzeń lub zadań. Przewidywalność może być dalej oceniana poprzez zbadanie systemu:

  • Latencja: Pomiar czasu pomiędzy dwoma zdarzeniami
  • Obliczenia fluktuacji: Zmienność opóźnienia między iteracjami

Inną ważną cechą systemów czasu rzeczywistego jest ich zdolność do równoczesnego wykonywania zadań w czasie rzeczywistym i nierzeczywistym w celu uniknięcia krytycznej awarii systemu.

Wreszcie, ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób systemy czasu rzeczywistego są zazwyczaj kategoryzowane. Są one oznaczane jako miękkie systemy czasu rzeczywistego lub twarde systemy czasu rzeczywistego w oparciu o ograniczenia czasowe.

Miękkie systemy czasu rzeczywistego i twarde systemy czasu rzeczywistego

Koncepcja czasu rzeczywistego może być stosowana w różnych przypadkach użycia. Większość z tych przypadków użycia, takich jak przeglądanie stron internetowych i gry, mieści się w klasyfikacji „miękkiego czasu rzeczywistego”.

Miękki czas rzeczywisty to sytuacja, w której system kontynuuje działanie, nawet jeśli nie jest w stanie wykonać zadania w wyznaczonym czasie. Jeśli system nie dotrzyma terminu, nie spowoduje to krytycznych konsekwencji. System może nadal funkcjonować, choć z niepożądaną niższą jakością wyjściową.

Istnieją jednak pewne branże, takie jak robotyka, motoryzacja, usługi komunalne i opieka zdrowotna, w których przypadki użycia mają wyższe wymagania dotyczące synchronizacji, linii czasowych i gwarancji czasu wykonania w najgorszym przypadku. Przykłady te mieszczą się w klasyfikacji „twardego czasu rzeczywistego”.

Twardy czas rzeczywisty  to taki przypadek, w którym system przestanie działać, jeśli nie dotrzyma się terminu, co może mieć katastrofalne skutki.

Zastosowania systemów czasu rzeczywistego

Systemy sterowania procesem 

Systemy sterowania procesami są stosowane w aplikacjach przemysłowych, gdzie produkcja jest ciągła i nie może dojść do przerw. Systemy te pomagają firmom utrzymać jakość i poprawić wydajność poprzez testowanie procesów, zbieranie odpowiednich danych i zwracanie ich w celu monitorowania i ewentualnego rozwiązywania problemów. Firmy z sektora naftowego i gazowego są kluczowymi użytkownikami systemów sterowania procesami i często osiągają liczne korzyści, począwszy od zwiększonej wydajności, poprzez bezpieczniejszą eksploatację obiektów, aż po mniej przestojów i strat.

Systemy wizyjne 

System automatycznej kontroli wizualnej jest wykorzystywany do pomocy maszynom w szybkiej interpretacji danych, aby mogły widzieć swoje otoczenie i szybko podejmować decyzje na podstawie danych wizualnych. Maszyny te są często kluczowe dla zapewnienia ciągłości produkcji lub kontynuacji krytycznych procesów. Systemy czasu rzeczywistego pomagają zapewnić, że maszyny takie jak te są w stanie przetwarzać te dane w czasie zbliżonym do rzeczywistego.

Robotyka

Technologie robotyczne są wykorzystywane w wielu złożonych zastosowaniach, z których wiele wymaga precyzyjnych ograniczeń czasowych w celu zapewnienia bezpiecznego wykonania obciążenia, jak również zdolności do ciągłego działania. Systemy czasu rzeczywistego są cenną częścią systemów operacyjnych robotów ze względu na potrzebę przetwarzania i obliczeń w czasie rzeczywistym.

Produkcja

Producenci zorientowani na przyszłość polegają na spostrzeżeniach uzyskanych z aplikacji działających w czasie rzeczywistym, aby uniknąć problemów z jakością produktów, poprawić efektywność i wydajność, a ostatecznie uzyskać przewagę nad konkurencją. Wbudowane systemy czasu rzeczywistego mogą pomóc producentom zmaksymalizować wydajność, poprawić jakość i spójność produktów oraz zwiększyć bezpieczeństwo na hali produkcyjnej.

Opieka zdrowotna i monitorowanie pacjentów 

Szybkość przetwarzania danych w opiece zdrowia może często oznaczać różnicę między życiem a śmiercią. Systemy działające w czasie rzeczywistym są kluczowe dla zapewnienia, że dane z systemów monitorowania pacjentów, takich jak monitory tętna, są dostępne dla lekarzy w miejscu i czasie, w którym są one potrzebne do zapewnienia bezpieczeństwa i zdrowia pacjentów.

Wpływ firmy Intel na systemy czasu rzeczywistego

Aby wspierać nowe rozwiązania, które wymagają wysokiego poziomu wymagań w czasie rzeczywistym, firma Intel wprowadziła do swojej linii produktów technologię wydajności w czasie rzeczywistym, Intel® Time Coordinated Computing (Intel® TCC), i nadal rozszerza wsparcie dla Time-Sensitive Networking (TSN).

Intel® Time Coordinated Computing (Intel® TCC) to nowy zestaw funkcji, które zwiększają wydajność obliczeniową procesorów firmy Intel®, aby sprostać rygorystycznym ograniczeniom czasowym wymaganym przez aplikacje działające w czasie rzeczywistym. Intel® TCC sprawia, że procesory nadają się do aplikacji wrażliwych na opóźnienia, pozostając przy tym ogólnie energooszczędne i pozostawiając wystarczającą wydajność dla innych współbieżnych zadań. Intel® TCC pomaga zapewnić, że każdy element w obciążeniu roboczym wykonuje się w sposób niezawodny i przewidywalny w wymaganym oknie czasowym.

Time-Sensitive Networking (TSN) odnosi się do zbioru standardów IEEE, specyfikacji i możliwości opartych na standardowych sieciach Ethernet w celu obsługi aplikacji wrażliwych na czas i precyzyjnej synchronizacji czasu, terminowości dostarczania danych i harmonogramu ruchu. TSN można wykorzystać do optymalizacji wydajności pomiędzy systemami poprzez wykorzystanie otwartej, opartej na standardach konstrukcji. Firma Intel obsługuje obecnie więcej standardów TSN niż kiedykolwiek wcześniej, w tym:

  • IEEE 802.1AS: Generalized Precision Time Protocol
  • IEEE 802.1Qbv: Time-Aware Shaper
  • IEEE 802.1Qav: Credit-Based Shaper
  • IEEE 802.1Qbu: Frame Preemption

Rozwiązania firmy Intel® przekształcają systemy czasu rzeczywistego

Rosnąca potrzeba sprostania wymogom czasu pracy nie zwalnia tempa w najbliższym czasie. Firma Intel dysponuje technologią i wiedzą, które pomogą firmom przygotować się na ten nadchodzący zalew przetwarzania danych dzięki nowemu Intel® TCC i rozszerzonemu wsparciu dla TSN. W tych rozwiązaniach zastosowano nowe, połączone podejście, aby pomóc w rozwiązaniu problemów, z którymi często borykają się nowe, wysokowydajne rozwiązania czasu rzeczywistego.

Często zadawane pytania

Termin „system czasu rzeczywistego” odnosi się do komponentów sprzętu i oprogramowania, które wykonują funkcje aplikacji czasu rzeczywistego i mogą reagować na zdarzenia w przewidywalnych i określonych przedziałach czasowych.

Systemy czasu rzeczywistego są klasyfikowane jako miękkie i twarde. Klasyfikacja miękkiego czasu rzeczywistego oznacza, że system kontynuuje działanie, nawet jeśli nie jest w stanie wykonać się w wyznaczonym czasie. Co najważniejsze, jeśli system nie dotrzyma terminu, nie spowoduje to groźnych konsekwencji. Klasyfikacja twardego czasu rzeczywistego oznacza, że system przestanie działać, jeśli termin zostanie przekroczony, co może mieć katastrofalne skutki.

Systemy czasu rzeczywistego są wykorzystywane w wielu branżach, w tym między innymi w produkcji, opiece zdrowotnej, przemyśle naftowym i gazowym, energetyce, logistyce, hotelarstwie i rolnictwie.

Systemy czasu rzeczywistego są kluczowymi elementami technologii i jako takie są wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu w zastosowaniach obejmujących systemy automatyzacji procesów, magazyny, linie montażowe, rolnictwo i opiekę zdrowotną.

Systemy czasu rzeczywistego są kluczowymi elementami technologii i jako takie są wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu w zastosowaniach obejmujących systemy automatyzacji procesów, magazyny, linie montażowe, rolnictwo i opiekę zdrowotną.

Informacje o produktach i wydajności

1IDC, czerwiec 2019, „Wzrost liczby podłączonych urządzeń IoT ma wygenerować 79,4 ZB danych w 2025 roku, według nowej prognozy IDC,” komunikat prasowy
2

„Digitalizacja świata od brzegu sieci do rdzenia” – raport firmy IDC z listopada 2018 r., którego autorami są David Reinsel, John Gantz i John Rydning.