Com as evoluções tecnológicas nas áreas de hardware, microeletrônica, sistemas de informação e computação, o conceito de sistemas ciberfísicos (do inglês Cyber-Physical Systems) vem ganhando importância. Este sistemas se referem à junção entre sistemas computacionais distribuídos e processos físicos da natureza e, são base fundamental para a nova revolução industrial que esta sendo introduzida. Esta revolução industrial é marcada pela completa descentralização do controle dos processos produtivos e uma proliferação de dispositivos inteligentes interconectados, ao longo de toda a cadeia de produção e logística. Sistemas de automação, e particularmente os sistemas de automação industrial, nos quais elementos computacionais controlam e automatizam a execução de processos físicos em plantas industriais, são um exemplo de sistemas ciber-físicos. Com isso, percebe-se que é necessário relacionar objetos físicos a informações associadas a este objeto no mundo cibernético. Para isso, destaca-se o conceito e o uso do Digital Twin, que é uma representação virtual de objetos físicos. O Digital Twin possibilita a virtualização e centralização do controle no produto. Este estudo irá explorar uma metodologia de modelagem genérica e flexível para o Digital Twin usando a ferramenta AutomationML e propor uma arquitetura de comunicação para a troca de dados sob a ótica de Cyber Physical Systems. Com a implementação dessa metodologia, pretende-se validar o conceito proposto e oferecer um método de modelagem e configuração para obter dados, extrair conhecimento e proporcionar sistemas de visualização para os usuários. / With technological advances in the fields of hardware, microelectronics and computer systems, Cyber Physical Systems is a new concept that is gaining importance. This systems are integrations of computation, networking, and physical processes. Cyber Physical Systems are one of the pillars for the new industrial revolution, and it is marked by the complete decentralization of the control of production processes and, marked by a proliferation of interconnected intelligent devices throughout the production and logistics chain. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa. A industrial automation system, is an example of cyber physical systems where computational elements control and automate the execution of physical processes in industrial plants. Thus, it is clear the need to relate physical objects to information associated with this object in the cyber world. For this, this work pretends to use the concept of Digital Twin, that is a virtual representation of physical objects. Digital Twin enables the virtualization of physical components and descentralization of control. This study will explore a generic and flexible modeling methodology for Digital Twin using the AutomationML tool. Also this work proposes a communication architecture for the exchange of data from the perspective of Cyber Physical Systems. With the implementation of this methodology, we intend to validate the proposed concept and offer a modeling and configuration method to obtain data, extract knowledge and provide visualization systems for users.

Com as evoluções tecnológicas nas áreas de hardware, microeletrônica, sistemas de informação e computação, o conceito de sistemas ciberfísicos (do inglês Cyber-Physical Systems) vem ganhando importância. Este sistemas se referem à junção entre sistemas computacionais distribuídos e processos físicos da natureza e, são base fundamental para a nova revolução industrial que esta sendo introduzida. Esta revolução industrial é marcada pela completa descentralização do controle dos processos produtivos e uma proliferação de dispositivos inteligentes interconectados, ao longo de toda a cadeia de produção e logística. Sistemas de automação, e particularmente os sistemas de automação industrial, nos quais elementos computacionais controlam e automatizam a execução de processos físicos em plantas industriais, são um exemplo de sistemas ciber-físicos. Com isso, percebe-se que é necessário relacionar objetos físicos a informações associadas a este objeto no mundo cibernético. Para isso, destaca-se o conceito e o uso do Digital Twin, que é uma representação virtual de objetos físicos. O Digital Twin possibilita a virtualização e centralização do controle no produto. Este estudo irá explorar uma metodologia de modelagem genérica e flexível para o Digital Twin usando a ferramenta AutomationML e propor uma arquitetura de comunicação para a troca de dados sob a ótica de Cyber Physical Systems. Com a implementação dessa metodologia, pretende-se validar o conceito proposto e oferecer um método de modelagem e configuração para obter dados, extrair conhecimento e proporcionar sistemas de visualização para os usuários. / With technological advances in the fields of hardware, microelectronics and computer systems, Cyber Physical Systems is a new concept that is gaining importance. This systems are integrations of computation, networking, and physical processes. Cyber Physical Systems are one of the pillars for the new industrial revolution, and it is marked by the complete decentralization of the control of production processes and, marked by a proliferation of interconnected intelligent devices throughout the production and logistics chain. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa. A industrial automation system, is an example of cyber physical systems where computational elements control and automate the execution of physical processes in industrial plants. Thus, it is clear the need to relate physical objects to information associated with this object in the cyber world. For this, this work pretends to use the concept of Digital Twin, that is a virtual representation of physical objects. Digital Twin enables the virtualization of physical components and descentralization of control. This study will explore a generic and flexible modeling methodology for Digital Twin using the AutomationML tool. Also this work proposes a communication architecture for the exchange of data from the perspective of Cyber Physical Systems. With the implementation of this methodology, we intend to validate the proposed concept and offer a modeling and configuration method to obtain data, extract knowledge and provide visualization systems for users.

Com as evoluções tecnológicas nas áreas de hardware, microeletrônica, sistemas de informação e computação, o conceito de sistemas ciberfísicos (do inglês Cyber-Physical Systems) vem ganhando importância. Este sistemas se referem à junção entre sistemas computacionais distribuídos e processos físicos da natureza e, são base fundamental para a nova revolução industrial que esta sendo introduzida. Esta revolução industrial é marcada pela completa descentralização do controle dos processos produtivos e uma proliferação de dispositivos inteligentes interconectados, ao longo de toda a cadeia de produção e logística. Sistemas de automação, e particularmente os sistemas de automação industrial, nos quais elementos computacionais controlam e automatizam a execução de processos físicos em plantas industriais, são um exemplo de sistemas ciber-físicos. Com isso, percebe-se que é necessário relacionar objetos físicos a informações associadas a este objeto no mundo cibernético. Para isso, destaca-se o conceito e o uso do Digital Twin, que é uma representação virtual de objetos físicos. O Digital Twin possibilita a virtualização e centralização do controle no produto. Este estudo irá explorar uma metodologia de modelagem genérica e flexível para o Digital Twin usando a ferramenta AutomationML e propor uma arquitetura de comunicação para a troca de dados sob a ótica de Cyber Physical Systems. Com a implementação dessa metodologia, pretende-se validar o conceito proposto e oferecer um método de modelagem e configuração para obter dados, extrair conhecimento e proporcionar sistemas de visualização para os usuários. / With technological advances in the fields of hardware, microelectronics and computer systems, Cyber Physical Systems is a new concept that is gaining importance. This systems are integrations of computation, networking, and physical processes. Cyber Physical Systems are one of the pillars for the new industrial revolution, and it is marked by the complete decentralization of the control of production processes and, marked by a proliferation of interconnected intelligent devices throughout the production and logistics chain. Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa. A industrial automation system, is an example of cyber physical systems where computational elements control and automate the execution of physical processes in industrial plants. Thus, it is clear the need to relate physical objects to information associated with this object in the cyber world. For this, this work pretends to use the concept of Digital Twin, that is a virtual representation of physical objects. Digital Twin enables the virtualization of physical components and descentralization of control. This study will explore a generic and flexible modeling methodology for Digital Twin using the AutomationML tool. Also this work proposes a communication architecture for the exchange of data from the perspective of Cyber Physical Systems. With the implementation of this methodology, we intend to validate the proposed concept and offer a modeling and configuration method to obtain data, extract knowledge and provide visualization systems for users.

[ES] La seguridad en el ciberespacio supone hoy en día un reto fundamental para cualquier organización ante el incesante aumento de ciberataques en todo el mundo. En una realidad tecnológica como la actual, en la que los dominios físico y lógico son cada vez más interdependientes, esta tarea es todavía más imprescindible pues las acciones en cualquiera de estos ámbitos pueden acarrear consecuencias devastadoras en ambos. Esto es si cabe más importante en el caso de infraestructuras críticas (IC), pues de su correcto funcionamiento depende el bienestar de toda una nación y sus ciudadanos. Se hacen por tanto necesarias nuevas soluciones que permitan afrontar de manera eficiente la defensa de toda clase de IC en este escenario híbrido, en el que las herramientas tradicionales de seguridad (firewall, IDS/IPS e incluso sistemas SIEM) resultan por sí solas insuficientes ante ataques a gran escala y donde alternativas más completas como los sistemas SCADA más recientes siguen orientadas a sectores muy específicos. La presente tesis doctoral plantea un enfoque innovador de Situational Awareness (SA) para la adecuada protección de IC en el contexto ciber-físico. En concreto, se propone una arquitectura genérica de SA híbrida que proporcione, mediante técnicas avanzadas de representación, la Common Operational Picture conjunta de las dimensiones física y ciber en un espacio único de visualización con el fin de facilitar la toma de decisiones al operador correspondiente. La arquitectura definida ha sido aplicada en dos soluciones distintas de Cyber Command & Control para la protección de IC: el sistema GESTPIC para la visualización avanzada de la SA ciber-física, y HYBINT como novedosa herramienta para la integración y el análisis de información de inteligencia. El modelo presentado en esta investigación ha sido validado en entornos de uso tanto simulados como reales, suscitando el interés de potenciales usuarios finales y confirmándose como propuesta pionera en su campo en los foros especializados en los que ha participado. / [CA] La seguretat en el ciberespai suposa hui dia un repte fonamental per a qualsevol organització davant l'incessant augment de ciberatacs a tot el món. En una realitat tecnològica com l'actual, en la qual els dominis físic i lògic són cada vegada més interdependents, aquesta tasca és encara més imprescindible perquè les accions en qualsevol d'aquests àmbits poden implicar conseqüències devastadores en tots dos. Això és si cap més important en el cas d'infraestructures crítiques (IC), perquè del seu correcte funcionament depén el benestar de tota una nació i els seus ciutadans. Es fan per tant necessàries noves solucions que permeten afrontar de manera eficient la defensa de tota classe d'IC en aquest escenari híbrid, en el qual les eines tradicionals de seguretat (firewall, IDS/IPS i fins i tot sistemes SIEM) resulten per si soles insuficients davant atacs a gran escala i on alternatives més completes com els sistemes SCADA més recents segueixen orientades a sectors molt específics. La present tesi doctoral planteja un enfocament innovador de Situational Awareness (SA) per a l'adequada protecció d'IC en el context ciber-físic. En concret, es proposa una arquitectura genèrica de SA híbrida que proporcione, mitjançant tècniques avançades de representació, la Common Operational Picture conjunta de les dimensions física i ciber en un espai únic de visualització amb la finalitat de facilitar la presa de decisions a l'operador corresponent. L'arquitectura definida ha sigut aplicada en dues solucions diferents de Cyber Command & Control per a la protecció d'IC: el sistema GESTPIC per a la visualització avançada de la SA ciber-física, i HYBINT com a nova eina per a la integració i l'anàlisi d'informació d'intel·ligència. El model presentat en aquesta investigació ha sigut validat en entorns d'ús tant simulats com reals, suscitant l'interés de potencials usuaris finals i confirmant-se com a proposta pionera en el seu camp en els fòrums especialitzats en els quals ha participat. / [EN] Security in cyberspace is today a key challenge for any organization with the continuous growth of cyberattacks worldwide. In the current technological reality, in which physical and cyber domains are increasingly interdependent, this task is still most essential since actions in any of these scopes can lead to devastating consequences on both. This is even more important in case of critical infrastructures (CI), inasmuch as well-being of nations and their citizens depends on their proper functioning. New solutions are therefore needed in order to efficiently face the defence of all kind of CI in this hybrid scenario, in which traditional security tools (firewall, IDS/IPS and even SIEM systems) are by themselves insufficient against large-scale attacks and where more complete workarounds such as the most recent SCADA systems still remain focused on very specific sectors. This doctoral thesis introduces an innovative Situational Awareness (SA) approach for the suitable CI protection in the cyber-physical context. In particular, a hybrid SA architecture that provides, through advanced representation techniques, a Common Operational Picture of both physical and cyber dimensions in a unique visualization space is proposed to support operator's decision-making. The defined architecture has been applied in two different Cyber Command & Control solutions for CI protection: GESTPIC system for cyber-physical SA advanced visualization, and HYBINT as a novel tool for intelligence information integration and analysis. The model presented in this research has been validated in both simulated and real working environments, awakening the interest of potential end users and being confirmed as a ground-breaking proposal in its field in the specialized forums in which it has participated. / Hingant Gómez, JE. (2019). Arquitectura de Cyber Situational Awareness (CySA) para la protección de infraestructuras críticas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/119448

O recente surgimento de um novo conceito que propõe a integração do mundo físico com sistemas computacionais leva as redes de sensores a serem unicamente parte de um processo colaborativo para fins de integração, com um objetivo maior do que só observar o ambiente. Este novo conceito é conhecido como Sistema Ciber-Físico (tradução do inglês Cyber Physical System - CPS), e consiste numa rede de elementos que atuam entre o meio físico e as aplicações computacionais (Sensoriamento - Atuação - Controle - Aplicação), concluindo num sistema de gestão capaz de agrupar diversas aplicações com capacidade de funcionamento autônomo, assim como distribuído. Entretanto, para que esta tecnologia se torne viável para os diversos contextos do mundo físico, é necessário considerar as limitações dos elementos computacionais que a integram e, para o caso, essas limitações passam a ser maiores quando se trata de uma rede de sensores. Este trabalho de tese tem foco na camada de sensoriamento, discute inicialmente alguns dos pressupostos supracitados e define algumas características e requisitos dos CPS necessárias para a padronização de alguns processos. Propõe também o desenvolvimento de uma Plataforma para redes de sensores em Sistemas Ciber-Físicos, um middleware, capaz de se adaptar às limitações e necessidades, que serão apresentadas posteriormente numa aplicação exemplo. Como primeiro ponto: i) O trabalho apresenta as necessidades para estes tipos de sistemas e aborda definições relevantes; ii) Discute-se a definição em camadas do middleware CiberSens iii) Aplicação da proposta numa aplicação-exemplo. Do primeiro ponto: Os CPS constituem uma pesquisa relativamente nova, como resultado, muitos aspectos precisam ser definidos com o intuito de facilitar o entendimento da arquitetura e implementçã. Do segundo ponto: Os dispositivos transdutores representam um papel de relevante importância nas diversas aplicações, na área de automação residencial e nas aplicações biomédicas, esta última com exponencial crescimento de aplicações que procuram melhorar a qualidade de vida dos pacientes. Nesse contexto, se faz necessário um minucioso estudo dos conceitos e características que dever~ao ser consideradas no desenho em camadas da plataforma de gerenciamento para redes de sensores em CPS. No desenho a flexibilidade do sistema dever´a estar sujeita ao fácil domínio e controle por parte de usuário final, que será o verdadeiro responsável pelo funcionamento do Sistema Ciber-Físico e da aplicação em curso. Do terceiro ponto: Com o intuito de eliminar possíveis erros e identificar limitações no uso do sistema por parte dos atores do sistema (usuário e administrador), além de demonstrar a viabilidade da proposta, é levado o modelamento e definição de conceitos para sua aplicação num caso real. Nesta etapa é realizada simultaneamente a implementação de um módulo integrador encarregado da captura e abstração de protocolos na camada de comunicação e conexão com o módulo de armazenamento, e a camada de serviços. Uma avaliação é necessária não só para validar a técnica e o modelo utilizado na implementação da arquitetura do CiberSens e sim também para determinar a confiabilidade da comunicação e eficácia ante um evento critico, a validação acontece através da formalização de processos de controle, sensoriamento e atuação com a ferramenta SysML. / Recently, the emergence of a new concept that proposes the integration of the physical world with computing systems, is taking sensor networks to be only part of a collaborative process with a larger goal than just observing the environment. This new paradigm is known as Cyber-Physical Systems, and consists of a network of elements that act between the physical environment and computational applications (Sensing - Actuation - Control - Application), ending in a management system able to group several applications with standalone and distributed operation capabilities. However, to this technology become viable for the diverse contexts of the physical world, it is necessary to consider the limitations of computational elements that compose it, and in this case, these limitations increase when it comes to sensor networks. This thesis focuses on the sensing layer, discusses some of the assumptions aforementioned and defines some characteristics and requirements of the CPS necessary to standardize some processes. It also proposes the development of a platform for sensor networks on Cyber-Physical Systems, a service-oriented middleware capable of adapting the limitations and needs presented later in a use case. As first item: i) The document presents the requirements for these types of systems and approaches relevant definitions. Secondly: ii) It is discussed the layered definition of the CiberSens service-oriented middleware. And third: iii) It is presented the proposal implementation in application-example. From the first item: The CPS are a relatively new field of research, as a result, many aspects need to be defined in order to simplify the understanding of the architecture and implementation. From the second item: The transducer devices have a relevant role on diverse applications used on the fields of home automation and in biomedical applications, the latter with an exponential growth of applications that try to improve the quality of life of patients. In this context, it is necessary a detailed study of the concepts and characteristics that should be considered during the layered design of the management platform for sensor networks in CPS. In the design, the system flexibility should be subject to an easy control and domain by the end user, who will be responsible for the actual functioning of the Cyber-Physical System and the ongoing application. From the third item: In order to eliminate possible errors, identify limitations in the system use by the system actors (user and administrator), and demonstrate the feasibility of the proposal, the modeling and concepts definition are applied in a real case. On this step is performed simultaneously an efficiency evaluation of the protocols capture and abstraction methods in the communication layer, the storage modulus, and the services layer. The evaluation is needed not only to validate the technique and the model used in the CiberSens architecture implementation, but also to determine the reliability the of communication and the effectiveness facing a critical event, validation occurs through the control process formalization, sensing and actuation, with SysML tool.

O recente surgimento de um novo conceito que propõe a integração do mundo físico com sistemas computacionais leva as redes de sensores a serem unicamente parte de um processo colaborativo para fins de integração, com um objetivo maior do que só observar o ambiente. Este novo conceito é conhecido como Sistema Ciber-Físico (tradução do inglês Cyber Physical System - CPS), e consiste numa rede de elementos que atuam entre o meio físico e as aplicações computacionais (Sensoriamento - Atuação - Controle - Aplicação), concluindo num sistema de gestão capaz de agrupar diversas aplicações com capacidade de funcionamento autônomo, assim como distribuído. Entretanto, para que esta tecnologia se torne viável para os diversos contextos do mundo físico, é necessário considerar as limitações dos elementos computacionais que a integram e, para o caso, essas limitações passam a ser maiores quando se trata de uma rede de sensores. Este trabalho de tese tem foco na camada de sensoriamento, discute inicialmente alguns dos pressupostos supracitados e define algumas características e requisitos dos CPS necessárias para a padronização de alguns processos. Propõe também o desenvolvimento de uma Plataforma para redes de sensores em Sistemas Ciber-Físicos, um middleware, capaz de se adaptar às limitações e necessidades, que serão apresentadas posteriormente numa aplicação exemplo. Como primeiro ponto: i) O trabalho apresenta as necessidades para estes tipos de sistemas e aborda definições relevantes; ii) Discute-se a definição em camadas do middleware CiberSens iii) Aplicação da proposta numa aplicação-exemplo. Do primeiro ponto: Os CPS constituem uma pesquisa relativamente nova, como resultado, muitos aspectos precisam ser definidos com o intuito de facilitar o entendimento da arquitetura e implementçã. Do segundo ponto: Os dispositivos transdutores representam um papel de relevante importância nas diversas aplicações, na área de automação residencial e nas aplicações biomédicas, esta última com exponencial crescimento de aplicações que procuram melhorar a qualidade de vida dos pacientes. Nesse contexto, se faz necessário um minucioso estudo dos conceitos e características que dever~ao ser consideradas no desenho em camadas da plataforma de gerenciamento para redes de sensores em CPS. No desenho a flexibilidade do sistema dever´a estar sujeita ao fácil domínio e controle por parte de usuário final, que será o verdadeiro responsável pelo funcionamento do Sistema Ciber-Físico e da aplicação em curso. Do terceiro ponto: Com o intuito de eliminar possíveis erros e identificar limitações no uso do sistema por parte dos atores do sistema (usuário e administrador), além de demonstrar a viabilidade da proposta, é levado o modelamento e definição de conceitos para sua aplicação num caso real. Nesta etapa é realizada simultaneamente a implementação de um módulo integrador encarregado da captura e abstração de protocolos na camada de comunicação e conexão com o módulo de armazenamento, e a camada de serviços. Uma avaliação é necessária não só para validar a técnica e o modelo utilizado na implementação da arquitetura do CiberSens e sim também para determinar a confiabilidade da comunicação e eficácia ante um evento critico, a validação acontece através da formalização de processos de controle, sensoriamento e atuação com a ferramenta SysML. / Recently, the emergence of a new concept that proposes the integration of the physical world with computing systems, is taking sensor networks to be only part of a collaborative process with a larger goal than just observing the environment. This new paradigm is known as Cyber-Physical Systems, and consists of a network of elements that act between the physical environment and computational applications (Sensing - Actuation - Control - Application), ending in a management system able to group several applications with standalone and distributed operation capabilities. However, to this technology become viable for the diverse contexts of the physical world, it is necessary to consider the limitations of computational elements that compose it, and in this case, these limitations increase when it comes to sensor networks. This thesis focuses on the sensing layer, discusses some of the assumptions aforementioned and defines some characteristics and requirements of the CPS necessary to standardize some processes. It also proposes the development of a platform for sensor networks on Cyber-Physical Systems, a service-oriented middleware capable of adapting the limitations and needs presented later in a use case. As first item: i) The document presents the requirements for these types of systems and approaches relevant definitions. Secondly: ii) It is discussed the layered definition of the CiberSens service-oriented middleware. And third: iii) It is presented the proposal implementation in application-example. From the first item: The CPS are a relatively new field of research, as a result, many aspects need to be defined in order to simplify the understanding of the architecture and implementation. From the second item: The transducer devices have a relevant role on diverse applications used on the fields of home automation and in biomedical applications, the latter with an exponential growth of applications that try to improve the quality of life of patients. In this context, it is necessary a detailed study of the concepts and characteristics that should be considered during the layered design of the management platform for sensor networks in CPS. In the design, the system flexibility should be subject to an easy control and domain by the end user, who will be responsible for the actual functioning of the Cyber-Physical System and the ongoing application. From the third item: In order to eliminate possible errors, identify limitations in the system use by the system actors (user and administrator), and demonstrate the feasibility of the proposal, the modeling and concepts definition are applied in a real case. On this step is performed simultaneously an efficiency evaluation of the protocols capture and abstraction methods in the communication layer, the storage modulus, and the services layer. The evaluation is needed not only to validate the technique and the model used in the CiberSens architecture implementation, but also to determine the reliability the of communication and the effectiveness facing a critical event, validation occurs through the control process formalization, sensing and actuation, with SysML tool.