Detail předmětu

Návrh kyberfyzikálních systémů (v angličtině)

FIT-CPSaAk. rok: 2021/2022

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.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA

Zajišťuje ústav

Ústav počítačové grafiky a multimédií (UPGM)

Nabízen zahradničním studentům

Všech fakult

Výsledky učení předmětu

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.

Způsob a kritéria hodnocení

  • Půlsemestrální zkouška: 20b.
  • Vypracování individuálního projektu: 20b.
  • Závěrečná zkouška: 60b.

Osnovy výuky

  1. Introduction to Cyber-Physical systems.
  2. System identification and model parameter estimation.
  3. Physical system models.
  4. Simulation of physical models and introduction to cybernetic systems.
  5. Coupled Cyber-Physical System models.
  6. Stability and control basics.
  7. System analysis and control in continuous time.
  8. System analysis and control in discrete time.
  9. Robust control.
  10. Drone control strategies.
  11. Autonomy of unmanned systems.
  12. Risk analysis of highly integrated systems.
  13. Verification and testing.

Učební cíle

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.

Základní literatura

Rajeev Alur: Principles of Cyber-Physical Systems, The MIT Press, 2015, ISBN-10: 0262029111.

 

(EN)

eLearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-MGR-2 magisterský navazující

    obor MGMe , libovolný ročník, letní semestr, volitelný

  • Program MITAI magisterský navazující

    specializace NBIO , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NISD , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NISY , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NISY do 2020/21 , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NIDE , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NCPS , libovolný ročník, letní semestr, povinný
    specializace NSEC , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NMAT , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NGRI , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NNET , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NVIZ , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NSEN , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NMAL , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NHPC , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NVER , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NEMB , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NADE , libovolný ročník, letní semestr, volitelný
    specializace NSPE , libovolný ročník, letní semestr, volitelný

  • Program IT-MGR-1H magisterský navazující

    obor MGH , libovolný ročník, letní semestr, doporučený

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA

Osnova

  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.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA
Ing. Jiří Novák
Ing. Jan Vlk

Osnova

  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.

Projekt

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA
Ing. Jan Vlk

Osnova

  • Student samostatně navrhne CPS.
  • Student provede analýzu vybraného CPS.
  • Student navrhne a vytvoří řídicí systém CPS.

eLearning

eLearning: aktuální otevřený kurz