Detail předmětu
Návrh kyberfyzikálních systémů (v angličtině)
FIT-CPSa Ak. rok: 2024/2025 Letní semestr
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.
Podmínky zápočtu
Pro získání zápočtu musí student získat nejméně 10 bodů za projekt a 6 bodů za aktivitu na cvičeních.
Jazyk výuky
angličtina
Počet kreditů
5
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Pravidla hodnocení a ukončení předmětu
- Hodnocení aktivity na cvičeních: 12b.
- Vypracování individuálního projektu: 20b.
- Závěrečná zkouška: 68b.
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.
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.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program N-AAE-P: Pokročilé automobilové inženýrství, magisterský navazující, povinný
Program MIT-EN: Master of Information Technology, magisterský navazující
specializace MITP-EN: Master of Information Technology, povinně volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NADE: Vývoj aplikací, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NBIO: Bioinformatika a biocomputing, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NCPS: Kyberfyzikální systémy, povinný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NEMB: Vestavěné systémy, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NGRI: Počítačová grafika a interakce, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NHPC: Superpočítání, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NIDE: Inteligentní zařízení, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NISD: Informační systémy a databáze, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NISY: Inteligentní systémy, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NMAL: Strojové učení, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NMAT: Matematické metody, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NNET: Počítačové sítě, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NSEC: Kybernetická bezpečnost, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NSEN: Softwarové inženýrství, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NSPE: Zpracování zvuku, řeči a přirozeného jazyka, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NVER: Verifikace a testování software, volitelný
Program MITAI: Informační technologie a umělá inteligence, magisterský navazující
specializace NVIZ: Počítačové vidění, volitelný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
- Úvod do kyberneticko-fyzikálních systémů.
- Systémové součásti, architektura a struktura procesů.
- Modely fyzikálních systémů a význam lineárních modelů.
- Identifikace systému a odhad parametrů modelu.
- Algoritmy pro odhad stavu.
- Stabilita a základy řízení.
- Analýza a řízení systémů v diskrétním čase.
- Senzory, detekční algoritmy a aktuátory.
- Výpočetní platformy.
- Systémová integrace.
- Verifikace systémů.
- Aspekty kyberbezpečnosti.
- Posouzení bezpečnosti kyberneticko-fyzikálních systémů.
Laboratorní cvičení
12 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
- Úvod do Matlab/Simulink a simulace dynamických systémů.
- Identifikace systému, odhad parametrů modelů.
- Návrh algoritmů řízení CPS a analýza stability fyzikálních modelů.
- Senzory a senzorická fůze v rámci návrhu CPS.
- Praktické aspekty systémové integrace.
- Aspekty kyberbezpečnosti a systémové verifikace.
Projekt
14 hod., povinná
Osnova
- Student si zvolí zadání z dostupné nabídky projektů.
- Student navrhne a implementuje řešení daného projektu CPS.
- Student vypracuje technický protokol ke svému řešení.