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Sistemas ciber-físicos: o futuro da Manutenção Industrial?
Technical Report · November 2016
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Luis Miguel Pires
Universidade NOVA de Lisboa
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Sistemas ciber-físicos: o futuro 
da Manutenção Industrial?
Na sociedade atual e em todos os sistemas de negócio as mudanças 
são constantes, existe por isso uma necessidade extrema de 
aproximar a evolução científica dos processos com a realidade 
Industrial, no fundo ligar dois Mundos o Real e o Virtual.
na atividade da empresa. Parte deste 
esforço passa pela manutenção. Uma 
manutenção eficiente é crítica em 
várias operações na linha de produ-
ção pois estende a vida do equipa-
mento, aumenta a disponibilidade do 
equipamento e mantêm-no nas suas 
condições básicas de funcionamento. 
Contrariamente, uma pobre manuten-
ção pode aumentar o risco de falha, 
má utilização do equipamento e atra-
sos nos planos de produção.
Este artigo visa abordar uma pers-
petiva mais integrante, com a inclusão 
dos sistemas ciber-físicos, tornando o 
controlo de processos e a supervisão 
totalmente integrada.
2. SiStemaS ciber-fíSicoS
O termo ciber-física ou computação 
física surgiu em 2006 nos EUA [1]. Os 
termos ciber-espaço e ciber-física de-
vem ser vistos como decorrentes da 
mesma origem – a palavra cibernética. 
Esta palavra provém da palavra gre-
ga kybernets, que significa piloto ou 
governador, assim as duas anteriores 
devem ser vistas como provenientes 
uma da outra e não ao contrário. O 
termo cibernética foi criado durante 
a 2.ª guerra mundial pelo matemático 
Norbert Wiener [2]. 
Os sistemas ciber-físicos devem 
ser confiáveis e seguros, em relação 
ao tempo crítico, isto porque estão 
diretamente ligados a um ambiente 
físico. Por exemplo, a ativação de um 
alerta e a tomada de decisões resul-
tantes desse alerta devem ser ime-
diatas e objetivas. Imagine-se uma 
rede de sensores aplicada a um dado 
modelo de automóvel, onde a fun-
ção é detetar padrões de movimento 
que possam otimizar e tornar mais 
seguro o funcionamento do veículo. 
Na robótica móvel, dependendo das 
exigências, é objetivo também inter-
pretar padrões no sentido de “criar 
inteligência”, com recurso a redes neu-
ronais (sistema virtual) aplicadas ao 
Quanto maior for a capacidade de ab-
sorção de conhecimento, maiores os 
níveis de competitividade resultando 
numa forte presença no mercado e 
futura permanência no mesmo por 
parte da empresa. A preocupação na 
reformulação dos métodos de traba-
lho e respetiva evolução tecnológica 
têm tido um grande impacto no am-
biente interno das empresas. As novas 
dinâmicas tendem para uma crescente 
mecanização e automação das ope-
rações, flexibilidade na produção, su-
pervisão de processos, uso de robots, 
veículos e armazéns automatizados, 
técnicas Just-In-Time (JIT), entre ou-
tras. A exigência dos mercados é indu-
zida cada vez mais pelas necessidades 
dos consumidores. A satisfação do 
cliente final é influenciada pela quali-
dade do produto, pelos curtos prazos 
de entrega, por altos níveis de servi-
ços de apoio e por preços reduzidos. 
Simultaneamente, os tempos de vida 
dos produtos têm vindo a diminuir pa-
ra sustentar o ritmo frenético de con-
sumo e produção industrial. 
Os sistemas ciber-físicos (Cyber-
Physical Systems - CPS) são na realida-
de a interface entre os sistemas físicos 
e os sistemas virtuais, sendo este um 
enorme desafio para o futuro da ma-
nutenção industrial – Manutenção 
2020. 
1. introdução
A manutenção segundo a Norma 
Portuguesa sobre a Terminologia da 
Manutenção EN 13306:2010 (ed.2) é 
a combinação de todas as ações téc-
nicas, administrativas e de gestão, 
durante um ciclo de vida de um bem, 
destinadas a mantê-lo ou repô-lo num 
estado em que possa desempenhar a 
função requerida. Ao encontrar uma 
definição de manutenção, percebe-
se que é uma atividade complexa e 
que envolve diversos aspetos, pois ao 
tentar-se garantir a disponibilidade e a 
fiabilidade de item físico de modo que 
as funções do sistema sejam mantidas 
num desempenho mínimo esperado, a 
manutenção acaba por desempenhar 
um papel estratégico fundamental na 
melhoria dos resultados operacionais 
e financeiros.
A manutenção Industrial é o con-
junto de técnicas e ações que permi-
tem repor o funcionamento base dos 
equipamentos e instalações de uma 
empresa.
A ocorrência de avarias nos equi-
pamentos constitui um problema 
demasiado grave na indústria para se 
poder desprezar a manutenção. Não é 
difícil encontrar empresas onde a imo-
bilização do equipamento é superior a 
50% sendo a Manutenção a forma pa-
ra solucionar os problemas de origem: 
técnica, económica, de segurança e 
social. É facilmente percetível que as 
razões para falhas técnicas estão re-
lacionadas com o envelhecimento da 
máquina e componentes,sobrecar-
gas, desrespeito das condições básicas 
de funcionamento, falta de limpeza e 
lubrificação, falta de componentes 
substitutos etc. Novas exigências por 
parte dos mercados, instituições, or-
ganizações e crescente concorrência, 
obrigam a exploração de razões eco-
nómicas – maior rendimento, tem-
po de vida útil dos equipamentos, 
redução dos desperdícios, consumo 
de energia; razões de segurança – re-
gulamentos para evitarem situações 
de risco, poluição e qualidade; razões 
sociais – pressões de grupos ambien-
talistas na redução dos efeitos nocivos 
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sistema físico (o robot). Por outro lado, 
existem sistemas apenas físicos onde 
as suas funções são sempre coman-
dadas pelo utilizador, por exemplo a 
larga maioria dos eletrodomésticos, 
ou um braço robótico manipulador. O 
processamento de informação nestes 
sistemas tem muitas caraterísticas em 
comum, mas fisicamente são diferen-
tes na forma como interagem com o 
ambiente envolvente.
Entre as tecnologias recentes, os 
CPS são uma nova terminologia que 
representa a integração da computa-
ção e das capacidades físicas, tendo 
uma vasta área de aplicação: em con-
trolo de processos, dispositivos médi-
cos, controlo de energia, controlo de 
tráfego, aviação, sistemas automatiza-
dos avançados e estruturas inteligen-
te. Na atualidade, os CPS estão numa 
fase emergente ao nível científico e, 
portanto, abrangem uma ampla área 
científica, existindo significativos es-
forços para desenvolver e implemen-
tar metodologias baseadas CPS.
Como já referido a manutenção 
é uma importante atividade, que en-
volve múltiplas tarefas, no sentido de 
preservar e garantir um estado fiável 
aos equipamentos. As atividades po-
dem ser: inspeção, calibração, ajustes, 
substituições reparações, revisões e 
renovações. A regularidade da manu-
tenção, aumenta o tempo útil de vida, 
a fiabilidade dos sistemas, reduz a di-
mensão, a escala e o número de repa-
rações, assim como a necessidade de 
reparações de emergência. Por outro 
lado os custos envolvente são mais 
controlados, aumentando a seguran-
ça dos equipamentos e das pessoas. 
Desde a muitos anos que diversos 
princípios e conceitos são estudados, 
no entanto, a manutenção torna-se 
uma questão desafiadora, devido a 
sua heterogeneidade, complexidade 
e ao constante aumento dos sistemas 
de produção. Em termos gerais, quan-
to maior a quantidade de condições 
incontroláveis, mais incertos serão os 
elementos físicos do sistema.
O objetivo deste artigo é definir 
um possível conjunto de princípios 
que podem ser aplicados aos planos 
de manutenção específicos do siste-
ma e respetivas ações, considerando 
que os atuais sistemas são claramen-
te complexos (sistemas ciber-físicos), 
exigindo por isso, novos paradigmas para a manutenção. A pesquisa bibliográfica 
sugere que os princípios da manutenção, derivaram de duas estratégias: manu-
tenção preventiva e manutenção corretiva. Os princípios associados, indicam 
metodologias tais como a novos design das aplicações de supervisão e redundân-
cia, usados para aumentar a fiabilidade, diminuir o número de falhas de operação 
e facilitar a reparação.
No quadro da manutenção preventiva, planos baseados em tempo são ge-
rados para testes periódicos e sistemáticos, assim como a substituição de ele-
mentos com propensão a falhas, no sentido de evitar uma falha repentina. O 
desenvolvimento tecnológico atual, permite-nos aplicar, por exemplo, sensores 
para monitorizar o estado dos componentes dos sistemas físicos em tempo real, 
para depois iniciar as ações de manutenção necessárias. Além disso a atual faci-
lidade em integrar sistemas com elevada capacidade de computação, reprogra-
máveis e reconfiguráveis, permite integrar nos sistemas capacidades de decisão 
(algoritmos inteligentes, redes neuronais) para assim as decisões de manutenção 
serem automáticas (Figura 1).
figura 1. Estratégia de manutenção com recurso a um sistema ciber-físico. 
3. arquitetura de um SiStema ciber-fíSico 
Um sistema ciber-físico tem a segurança como um fator crítico, portanto deve ser 
fiável [3]-[11]. As centrais nucleares são um exemplo de um sistema de segurança 
crítica, portanto, são em parte controlados por um sistema de computação ba-
seado em ciber-física. Confiabilidade é, no entanto, importante também noutros 
sistemas, tais como automóveis, comboios, aviões, entre outros. Uma das princi-
pais razões para serem sistemas de segurança crítica é que esses sistemas estão 
diretamente ligados ao meio físico e têm um impacto imediato sobre o ambiente 
e a quotidiano. A fiabilidade engloba os seguintes aspetos [3]-[11]:
• Fiabilidade: é a probabilidade do sistema não falhar;
• Manutenção: é a probabilidade de que a falha do sistema seja solucionada um 
intervalo de tempo definido;
• Disponibilidade: é a probabilidade do sistema estar disponível. Tanto a fiabilida-
de quanto a facilidade de manutenção devem ser fatores prioritários, a fim de 
alcançar uma elevada disponibilidade de funcionamento do sistema;
• Segurança física: é a propriedade do sistema não causar qualquer dano ao am-
biente envolvente;
• Segurança lógica: é a propriedade de que os dados permaneçam confidenciais 
e que a comunicação seja garantida;
• Restrições de tempo real: O sistema deve processar informações e cálculos den-
tro de um determinado intervalo de tempo, caso contrário isto pode resultar 
numa perda séria da fiabilidade e segurança do sistema.
No projeto de sistemas é comum o enfoque ser apenas na sua funcionalidade, ini-
cialmente, assumindo que a confiança pode ser adicionada uma vez que o projeto 
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está a funcionar. Normalmente, essa abordagem não resulta uma vez que certas 
decisões de projeto não permitem atingir a fiabilidade necessária. Mesmo um 
sistema perfeitamente projetado pode falhar se as suposições sobre a carga de 
trabalho e possíveis erros não forem tidos em conta desde o início do projeto. 
Por exemplo, um sistema pode falhar se operar fora do intervalo de temperatura 
inicialmente definido.
Os sistemas ciber-físicos também são sistemas híbridos, no sentido de in-
cluírem na sua arquitetura componentes analógicos e digitais. Os componen-
tes analógicos usam valores de sinais contínuos em tempo contínuo, enquanto 
que componentes digitais usam valores de sinal discreto no tempo discreto. 
O sistema deve conter o conhecimento de todos os estados possíveis de com-
portamento do meio físico pelo tempo, ao detetar uma transição de estado há 
um registo e a ocorrência de um evento, dependendo da aplicação em si. Deste 
modo, o projeto de um sistema ciber-físico deve ser mantido de acordo com 
[3]-[11]:
• Modelo – enfoque na junção do modelo dinâmico do meio físico com elemen-
tos de computação.
• Projeto – enfoque na construção de elementos de computação integrados com 
os diversos recursos de processos concorrentes e tempo real.
• Análise – enfoque em métodos para especificação de comportamentos de risco 
e sucesso e checklists das implementações de acordo com as especificações.
Da mesma forma, a modelação é o processo de se obter um entendimento mais 
profundo do meio físico. Assim, a modelação tem o objetivo de refletir as pro-
priedades do meio físico especificando – o que pode ser feito ou não. Por outro 
lado, o projeto é a criação estruturada dos elementos de computação especifica-
dos para o meio físico. Por fim, a análise é o processo de obter uma compreensão 
do sistema como um todo. A Figura 2 apresenta o diagrama que carateriza um 
sistema ciber-físico.
figura 2. Funcionamento de um sistema ciber-físico.
A Figura 2 apresenta um exemplo de um sistema estruturado pela interação entre 
os mundos virtual e real. Isto é justificável pelo conhecimento especialista executa-
do por um agente inteligente de software contido numa interface eletrónica que 
monitoriza em temporeal as variáveis ambientais da camada física (exemplo um 
nó inteligente numa rede de sensores sem fios). Isto torna possível a interação en-
tre as camadas, através de sensores e atuadores virtuais (ativação de eventos por 
mensagens) ou físicos (ativação de dispositivos inseridos no processo). No caso de 
abordagens relacionadas com o meio ambiente, a definição de um sistema ciber-
físico tem em conta dispositivos eletrónicos com elementos de computação inte-
ligente (microcontroladores e microprocessadores). Com isto, a comunicação fica 
integrada aos agentes físicos da natureza.
4. referênciaS
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15th International Symposium on Object/
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Distributed Computing Workshops, p. 25-
30, 2012. M
"Mesmo um sistema 
perfeitamente projetado 
pode falhar se as suposições 
sobre a carga de trabalho 
e possíveis erros não forem 
tidos em conta desde o início 
do projeto. Por exemplo, 
um sistema pode falhar se 
operar fora do intervalo de 
temperatura inicialmente 
definido."
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