Název:

Návrh kyberfyzikálních systémů (v angličtině)

Zkratka:CPSa
Ak.rok:2019/2020
Semestr:letní
Studijní plán:
ProgramObor/
specializace
RočníkPovinnost
IT-MGR-2MGMe-volitelný
MITAINADE-volitelný
MITAINBIO-volitelný
MITAINCPS-povinný
MITAINEMB-volitelný
MITAINGRI-volitelný
MITAINHPC-volitelný
MITAINIDE-volitelný
MITAINISD-volitelný
MITAINISY-volitelný
MITAINMAL-volitelný
MITAINMAT-volitelný
MITAINNET-volitelný
MITAINSEC-volitelný
MITAINSEN-volitelný
MITAINSPE-volitelný
MITAINVER-volitelný
MITAINVIZ-volitelný
Vyučovací jazyk:angličtina
Kredity:5 kreditů
Ukončení:zkouška (písemná)
Výuka:
hod./sempřednáškasem./cvič.lab. cvič.poč. cvič.jiná
Rozsah:26013013
 zkouškatestycvičenílaboratořeostatní
Body:60200020
Garant:Chudý Peter, doc. Ing., Ph.D. MBA (UPGM)
Zástupce garanta:Růžička Richard, doc. Ing., Ph.D., MBA (UPSY)
Přednášející:Chudý Peter, doc. Ing., Ph.D. MBA (UPGM)
Cvičící:Chudý Peter, doc. Ing., Ph.D. MBA (UPGM)
Vlk Jan, Ing. (UPGM)
Fakulta:Fakulta informačních technologií VUT v Brně
Pracoviště:Ústav počítačové grafiky a multimédií FIT VUT v Brně
Rozvrh:
DenVýukaTýdenMístnostOdDoPSKSkupiny
ÚtpřednáškavýukyD0206 11:0012:501EIT 1MIT 2EIT 2MIT INTE xx
 
Cíle předmětu:
  Cílem předmětu je porozumění návrhu a analýzy kyberneticko-fyzikálních systémů, které integrují počítačové systémy ve fyzikálních procesech. Zároveň zodpoví otázku jak sestavit vysoce bezpečné systémy pracující souběžně v reálném čase. Součástí je také vytváření a programování řídicích systémů v laboratorních podmínkách.
Anotace:
  Kyberneticko-fyzikální systémy (CPS) kombinují kybernetické schopnosti (výpočty a/nebo komunikaci) s fyzikálními schopnostmi (pohybem nebo jinými fyzikálními procesy). Aplikace takových systémů pokrývá automobilní systémy, systémy řízení letu, obranné systémy, řízení kritických infrastruktur (elektrická energie, vodní zdroje, komunikační systémy), správu a uchování energií, řízení a bezpečnost v dopravě, komunikační systémy, robotiku a distribuovanou robotiku (telemedicína), technologie ve zdravotnictví, systémy pro asistované žití, spotřební elektroniku, hračky a mnohá další takzvaná chytrá zařízení. Tato zařízení interagují ve fyzickém prostoru způsobem, který je určen řídicími počítačovými algoritmy. Návrh algoritmů řízení CPS je vzhledem k jejich těsnému provázání s fyzickým chováním systémů náročnou disciplínou. Důležitou součástí návrhu je správnost samotných řídicích algoritmů, protože na jejich funkci závisí provedení kritických úkolů jako například zabránění kolizí letounů či aut v automatickém, případně autonomním režimu. Cílem kurzu je najít odpověď na společenskou otázku, jak zodpovědně vytvořit kyberneticko-fyzikální systémy, na jejichž bezchybné funkci závisí lidské životy.
Získané dovednosti, znalosti a kompetence:
  Úspěšný absolvent kurzu získá vědomosti o základních principech CPS a znalosti z návrhu a analýzy výpočetních systémů, které jsou integrovány ve fyzikálním (reálném) procesu. Získané vědomosti umožní kvalifikovaný náhled na abstrakci a systémovou architekturu a zárověn podpoří zvládnutí návrhu modelů a řídicích systémů, při současném využití adekvátních bezpečnostních specifikací pro dosažení kritických vlastností CPS. Získané vědomosti a dovednosti podpoří verifikaci CPS modelů vhodné úrovně při zohlednění předpokládaných účinků okolí na jejich funkci.
Proč je předmět vyučován:
  V posledních letech dochází k výraznému zlepšení dostupnosti přesných a spolehlivých senzorů, výkonných aktuátorů (servo-motorů) a vestavěných počítačových systémů. Kyberneticko-fyzikální systémy (CPS), které tesně propojují počítačový software s fyzickými komponenty, se stávají stále běžňejší součástí našeho každodenního života. Automobilové, zdravotnické a letecké aplikace představují pouze malou část probíhající interakce mezi automatickými a inteligentími stroji a lidmi. Předmět představí nejenom samotný návrhový prostor CPS, ale uvede také kompromisy plynoucí z nezbytných požadavků na bezpečnost a spolehlivost. Uvedený návrhový rámec CPS představí vztah mezi počítačovým hardwarem a softwarovým inženýrstvím od počátečního návrhu až po finální validaci.
Osnova přednášek:
 
  1. Úvod do kyberneticko-fyzikálních systémů.
  2. Identifikace systémů a odhad parametrů modelů.
  3. Modely fyzikálních systémů.
  4. Simulace fyzikálních systémů a úvod do modelů kybernetických systémů.
  5. Svázané modely kyberneticko-fyzikálních systémů.
  6. Stabilita a základy řízení.
  7. Analýza a řízení systémů ve spojitém čase.
  8. Analýza a řízení systémů v diskrétním čase.
  9. Robustní řízení.
  10. Strategie řízení dronů.
  11. Autonomie bezpilotních systémů.
  12. Analýza rizik vysoce integrovaných systémů.
  13. Verifikace a testování.
Osnova laboratorních cvičení:
 
  1. Úvod do Matlab/Simulink a simulace dynamických systémů.
  2. Identifikace systému, odhad parametrů modelů.
  3. Simulace a analýza stability fyzikálních modelů.
  4. Návrh algoritmů řízení CPS.
  5. Implementace řídicích algoritmů do simulačního prostředí.
  6. Testování a verifikace systémů.
Osnova ostatní - projekty, práce:
 
  • Student samostatně navrhne CPS.
  • Student provede analýzu vybraného CPS.
  • Student navrhne a vytvoří řídicí systém CPS.
Literatura referenční:
 
  • Rajeev Alur: Principles of Cyber-Physical Systems, The MIT Press, 2015, ISBN-10: 0262029111.
Literatura studijní:
 
  • Sang C. Suh, U. John Tanik, et al.: Applied Cyber-Physical Systems, Springer, 2013, ISBN-10: 1461473357.
  • Danda B. Rawat, Joel J.P.C. Rodrigues, Ivan Stojmenovic: Cyber-Physical Systems: From Theory to Practice, CRC Press, 2015, ISBN 9781482263329.
Průběžná kontrola studia:
  
  • Půlsemestrální písemka za 20b.
  • Vypracování projektu.
 

Vaše IPv4 adresa: 34.229.126.29