1. SylabUZ
2. Faculty of Computer Science, Electrical Engineering and Automatics
3. winter term 2022/2023
4. Computer Science - Second-cycle studies leading to MSc degree
5. Designing of integrated cyber-phisical systems

Generate PDF for this page

Designing of integrated cyber-phisical systems - course description

Aim of the course

• Zapoznanie studentów z metodami projektowania zintegrowanych systemów cyber-fizycznych (przede wszystkim części sterującej systemów cyberfizycznych).
• Ukształtowanie wśród studentów podstawowych umiejętności w zakresie modelowania, projektowania oraz analizy części sterującej zintegrowanych systemów cyber-fizycznych

Prerequisites

Save changes

Scope

Wprowadzenie: systemy cyber-fizyczne (ang. cyber-physical systems, CPS), systemy inteligentne (ang. smart systems), Internet rzeczy (ang. Internet of Things, IoT), systemy zintegrowanie oraz rozproszone. 

Modelowanie, projektowanie oraz analiza systemów cyber-fizycznych, ze szczególnym uwzględnieniem części sterującej.

Ogólna ścieżka projektowania części sterującej zintegrowanych systemów cyber-fizycznych: specyfikacja, analiza (w tym walidacja i weryfikacja), dekompozycja oraz synchronizacja, modelowanie części sterującej zdekomponowanego systemu, weryfikacja funkcjonalna, implementacja.

Modelowanie części sterującej systemu cyber-fizycznego. Graficzne metody specyfikacji algorytmu sterowania systemów cyber-fizycznych: sieci Petriego, interpretowane sieci Petriego, diagramy UML. Determinizm w systemach cyber-fizycznych.

Metody analizy części sterującej systemów cyber-fizycznych: walidacja, weryfikacja formalna, analiza relacji współbieżności (przestrzeni stanów systemu) oraz sekwencyjności z zastosowaniem algebry liniowej, teorii grafów oraz hipergrafów. Żywotność, ograniczoność i bezpieczeństwo sieci Petriego. Złożoność obliczeniowa algorytmów analizy części sterującej systemów cyber-fizycznych.

Projektowanie części sterującej systemu. Dekompozycja i synchronizacja algorytmu sterowania systemu cyber-fizycznego: podział na komponenty (składowe automatowe), metody dekompozycji części sterującej systemów cyber-fizycznych (algebra liniowa, teoria grafów, teoria hipergrafów). Domeny czasowe (ang. time domains) oraz metody synchronizacji zdekomponowanych modułów.

Modelowanie części sterującej zdekomponowanego systemu: skończone automaty stanów (automat Moore'a, automat Mealy'ego, układ mikroprogramowany), opis w językach opisu sprzętu (Verilog, VHDL).

Analiza systemu po dekompozycji i synchronizacji (np. symulacja funkcjonalna).

Implementacja systemu: logiczna synteza i implementacja systemu, fizyczna implementacja systemu (programowanie docelowego układu).

Statyczna częściowa rekonfiguracja zaimplementowanego systemu: mechanizm statycznej częściowej rekonfiguracji układu FPGA (z zatrzymaniem układu), ścieżka projektowa zintegrowanego systemu cyber-fizycznego pod kątem późniejszej statycznej częściowej rekonfiguracji.

Dynamiczna częściowa rekonfiguracja zaimplementowanego systemu: mechanizm dynamicznej częściowej rekonfiguracji układu FPGA (bez zatrzymania układu), ścieżka projektowa zintegrowanego systemu cyber-fizycznego pod kątem późniejszej dynamicznej częściowej rekonfiguracji.

Teaching methods

Wykład: wykład konwencjonalny, dyskusja

Laboratorium: zajęcia praktyczne, ćwiczenia laboratoryjne

Projekt: metoda projektu

Learning outcomes and methods of theirs verification

Outcome description	Outcome symbols	Methods of verification	The class form

Assignment conditions

Wykład - warunkiem zaliczenia jest uzyskanie pozytywnych ocen z kolokwiów pisemnych lub ustnych przeprowadzonych co najmniej raz w semestrze

Laboratorium - warunkiem zaliczenia jest uzyskanie pozytywnych ocen ze wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych, przewidzianych do realizacji w ramach programu laboratorium

Projekt - warunkiem zaliczenia jest uzyskanie pozytywnych ocen ze wszystkich zadań projektowych, przewidzianych do realizacji w ramach zajęć projektowych.

Składowe oceny końcowej = wykład: 30% + laboratorium: 40% + projekt: 30%

Recommended reading

1. E. A. Lee, S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems: A Cyber-Physical Systems Approach, Cambridge, MA, USA:MIT Press, 2017, https://ptolemy.berkeley.edu/books/leeseshia/releases/LeeSeshia_DigitalV2_2.pdf
2. R. Wiśniewski, Prototyping of Concurrent Control Systems Implemented in FPGA Devices, Cham, Switzerland:Springer, 2017, https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/978-3-319-45811-3.pdf
3. R. Alur, Principles of Cyber-Physical Systems, MIT Press, 2015.
4. W. Reisig, Petri Nets: An Introduction, Berlin, Germany:Springer-Verlag, 2012.
5. OMG UML, Unified Modeling Language,2012, http://www.omg.org/spec/UML/ISO/19505-2/PDF
6. R. Wiśniewski, Design of Petri Net-Based Cyber-Physical Systems Oriented on the Implementation in Field Programmable Gate Arrays, Energies, 2021, https://www.mdpi.com/1996-1073/14/21/7054/pdf

Further reading

1. E. Best, R. Devillers, M. Koutny, Petri Net Algebra, Berlin, Germany:Springer-Verlag, 2013.
2. I. Grobelna, R. Wiśniewski, M. Grobelny, M. Wiśniewska, "Design and verification of real-life processes with application of Petri nets", IEEE Trans. Syst. Man Cybern. Syst., vol. 47, no. 11, pp. 2856-2869, Nov. 2017.
3. L. Gomes, A. Costa, J. P. Barros, P. Lima, "From Petri net models to VHDL implementation of digital controllers", Proc. IEEE 33rd Annu. Conf., pp. 94-99, Nov. 2007.
4. R. Wiśniewski, G. Bazydło, L. Gomes, A. Costa, "Dynamic partial reconfiguration of concurrent control systems implemented in FPGA devices", IEEE Trans. Ind. Informat., vol. 13, no. 4, pp. 1734-1741, Aug. 2017.
5. L. Gomes, F. Moutinho, F. Pereira, "IOPT-tools—A Web based tool framework for embedded systems controller development using Petri nets", Proc. 23rd Int. Conf. Field Program. Logic Appl., pp. 1, Sep. 2013.
6. I. Grobelna, "Model checking of reconfigurable FPGA modules specified by Petri nets", J. Syst. Archit., vol. 89, pp. 1-9, Sep. 2018, DOI: http://doi.org/10.1016/j.sysarc.2018.06.005.
7. R. Wiśniewski, "Dynamic partial reconfiguration of concurrent control systems specified by Petri nets and implemented in Xilinx FPGA devices", IEEE Access, vol. 6, pp. 32376-32391, 2018, DOI: http://dx.doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2836858.
8. M.C. Golumbic, Algorithmic Graph Theory and Perfect Graphs, Academic Press, 1980.
9. R. Wiśniewski, A. Karatkevich, M. Adamski, A. Costa, L. Gomes, "Prototyping of concurrent control systems with application of Petri nets and comparability graphs", IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 26, no. 2, pp. 575-586, Mar. 2018.
10. R. David, and H. Alla, Discrete, Continuous, and Hybrid Petri Nets, Springer, 2005.
11. R. Wiśniewski, G. Bazydło, P. Szcześniak, I. Grobelna, M. Wojnakowski, „Design and Verification of Cyber-Physical Systems Specified by Petri Nets - A Case Study of a Direct Matrix Converter”, Mathematics, vol. 7, pp. 1-24, 2019, DOI: https://doi.org/10.3390/math7090812.
12. V. Hahanov et al., "Cyber social computing" in Social Business and Industrial Applications, Cham, Switzerland:Springer, pp. 489-515, 2019.
13. R. Wiśniewski, M. Wiśniewska and M. Jarnut, "C-Exact Hypergraphs in Concurrency and Sequentiality Analyses of Cyber-Physical Systems Specified by Safe Petri Nets," IEEE Access, vol. 7, pp. 13510-13522, 2019, DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2893284.
14. M. Szpyrka, M. Wypych, J. Biernacki, L. Podolski, "Discrete-time systems modelling and verification with Alvis language and tools", IEEE Access, vol. 6, pp. 78766-78779, Dec. 2018, DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2885249.
15. C. Berge, Hypergraphs: Combinatorics of Finite Sets, Amsterdam, The Netherlands:North Holland, 1989.
16. R. Wisniewski, I. Grobelna, A. Karatkevich, "Determinism in Cyber-Physical Systems Specified by Interpreted Petri Nets", Sensors, vol. 20, no. 19, p. 5565, DOI: https://www.mdpi.com/1424-8220/20/19/5565.

Notes

Modified by dr hab. inż. Remigiusz Wiśniewski, prof. UZ (last modification: 19-04-2022 22:24)