1. SylabUZ
2. Wydział Nauk Inżynieryjno-Technicznych
3. semestr zimowy 2023/2024
4. Informatyka - drugiego stopnia z tyt. magistra inżyniera
5. Projektowanie zintegrowanych systemów cyber-fizycznych

Wygeneruj PDF dla tej strony

Projektowanie zintegrowanych systemów cyber-fizycznych - opis przedmiotu

Cel przedmiotu

• 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

Wymagania wstępne

Zapisz zmiany

Zakres tematyczny

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), 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.

Metody kształcenia

Wykład: wykład konwencjonalny, dyskusja

Laboratorium: zajęcia praktyczne, ćwiczenia laboratoryjne

Projekt: metoda projektu

Efekty uczenia się i metody weryfikacji osiągania efektów uczenia się

Opis efektu	Symbole efektów	Metody weryfikacji	Forma zajęć

Warunki zaliczenia

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%

Obciążenie pracą	Studia stacjonarne (w godz.)	Studia niestacjonarne (w godz.)
Godziny kontaktowe (udział w zajęciach; konsultacjach; egzaminie, itp.)	60	36
Samodzielna praca studenta (przygotowanie do: zajęć, kolokwium, egzaminu; studiowanie literatury przygotowanie: pracy pisemnej, projektu, prezentacji, raportu, wystąpienia; itp.)	65	89
Łącznie	125	125
Punkty ECTS	Studia stacjonarne	Studia niestacjonarne
Zajęcia z udziałem nauczyciela akademickiego	3	2
Zajęcia bez udziału nauczyciela akademickiego	2	3
Łącznie	5	5

Literatura podstawowa

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

Literatura uzupełniająca

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.

Uwagi

Zmodyfikowane przez prof. dr hab. inż. Remigiusz Wiśniewski (ostatnia modyfikacja: 21-03-2023 14:06)