Detail předmětu

Návrh kyberfyzikálních systémů (v angličtině)

CPSa Ak. rok 2023/2024 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

Koordinátor předmětu

Jazyk výuky

anglicky

Zakončení

zápočet+zkouška (písemná)

Rozsah

  • 26 hod. přednášky
  • 12 hod. laboratoře
  • 14 hod. projekty

Bodové hodnocení

  • 60 bodů závěrečná zkouška (písemná část)
  • 20 bodů půlsemestrální test (písemná část)
  • 20 bodů projekty

Zajišťuje ústav

Přednášející

Cvičící

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.
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.

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