Detail předmětu

Návrh kyberfyzikálních systémů (v angličtině)

CPSa Ak. rok 2021/2022 letní semestr 5 kreditů

Aktuální akademický rok

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.

Garant předmětu

Chudý Peter, doc. Ing., Ph.D., MBA (UPGM)

Koordinátor předmětu

Růžička Richard, doc. Ing., Ph.D., MBA (UPSY)

Jazyk výuky

anglicky

Zakončení

zkouška (písemná)

Rozsah

  • 26 hod. přednášky
  • 13 hod. laboratoře
  • 13 hod. projekty

Bodové hodnocení

  • 60 bodů závěrečná zkouška (písemná část)
  • 20 bodů půlsemestrální test (4 bodů písemná část, 16 bodů testová část)
  • 20 bodů projekty

Zajišťuje ústav

Ústav počítačové grafiky a multimédií (UPGM)

Přednášející

Chudý Peter, doc. Ing., Ph.D., MBA (UPGM)

Cvičící

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

Získané dovednosti, znalosti a kompetence z 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.

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.

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.

Průběžná kontrola studia

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

Podmínky zápočtu

  • Aktivní účast na cvičeních.
  • Účast na půlsemestrální zkoušce a zisk minimálně 10b.
  • Vypracování, včasné odevzdání a úspěšná obhajoba individuálního projektu. Zisk min. 10b.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

Nahoru