BME VIK - Kiber-fizikai rendszerek

magyar nyelvű adatlap

vissza a tantárgylistához nyomtatható verzió

Kiber-fizikai rendszerek

A tantárgy angol neve: Cyber-Physical Systems

Adatlap utolsó módosítása: 2010. október 12.

Tantárgy lejárati dátuma: 2013. június 30.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar

Mérnök informatikus Szak

Villamosmérnöki Szak

Szabadon választható tantárgy

Tantárgykód	Szemeszter	Követelmények	Kredit	Tantárgyfélév
VIMIAV05		3/1/0/v	4

3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Péceli Gábor,

4. A tantárgy előadója

Dr. Péceli Gábor egyetemi tanár Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszék

Dr. Sztipánovits János egyetemi tanár Vanderbilt University, Nashville, TN. USA

Dr. Pataricza András egyetemi tanár Méréstechnika és Információs Rendszerek Tsz.

Dr. Dabóczi Tamás egyetemi docens Méréstechnika és Információs Rendszerek Tsz

Dr. Horváth Gábor egyetemi docens Méréstechnika és Információs Rendszerek Tsz

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít

Elsősorban a szoftvertechnológia, az operációs rendszerek és a számítógép-hálózatok témaköreinek ismeretére épít, de tájékozottságot feltételez a mesterséges intelligencia és az adatbázisok témaköreiben is. A tárgy hivatkozik a számítógép-architektúrák, számítógép-hálózatok, digitális technika és szabályozástechnika egyes alapvető ismereteire.

6. Előtanulmányi rend

Ajánlott:
Ajánlott:

Beágyazott információs rendszerek

7. A tantárgy célkitűzése A tantárgy célja, hogy bemutassa a beágyazott rendszerek kiterjesztéseként és továbbfejlődéseként, valamint az informatika világával való integráció eredményeképpen a közelmúltban megjelent új, gyorsan fejlődő területet, az ún. kiber-fizikai rendszereket (cyber-physical systems). A beágyazott rendszerek témakör ismereteire alapozva bemutatja, hogy mennyiben jelentenek többet, illetve mást a kiber-fizikai rendszerek, mint a hagyományos beágyazott rendszerek, milyen feladattípusok megoldására jöttek létre, melyek ezen terület speciális problémái, és milyen megoldások léteznek ezen speciális problémákra. A tárgy számos gyakorlati példával, konkrét esettanulmányokkal támasztja alá az elméleti ismereteket. A kiber-fizikai rendszerek olyan számítási rendszerek, melyek intenzív kapcsolatban vannak a környező fizikai világgal, a fizikai folyamatokkal, egyúttal kiszolgálják és hasznosítják az interneten elérhető adatfeldolgozási szolgáltatásokat. A kiber-fizikai rendszerek magukon viselik a beágyazott rendszerek főbb jellemvonásait (dedikált feladatokat hajtanak végre speciális fizikai rendszerek számára, méretben, költségben, energia-felvételben stb. korlátozottak, teljesítőképességben, megbízhatóságban, rendelkezésre állásban kivételes követelményeknek kell eleget tenniük stb.), azonban míg a beágyazott rendszerek általában különálló rendszerek, melyek egy fizikai rendszerhez kapcsolódnak (pl. gépkocsi), a kiber-fizikai rendszerekre jellemző, hogy integrálják a beágyazott rendszerben levő számítási képességeket a kommunikáció segítségével a cyber világ adatfeldolgozási képességeivel, heterogén környezetben működnek, és biztosítják a fizikai világgal való intenzív interaktív kapcsolatot.

A tantárgy követelményeit eredményesen teljesítő hallgatóktól elvárható, hogy ismeretekkel rendelkezzenek a diszkrét idejű és a folytonos rendszerek együttműködésének speciális problémáiról, a kiber-fizikai rendszerekkel szemben támasztható és támasztandó követelményekről, ismerjék a valós idejű programvégrehajtás és feladat-szinkronizálás alapvető módszereit, az elosztott rendszerek és adatfeldolgozás alapvető jellemzőit, valamint az elkészült rendszerek tesztelésével és diagnosztikájával, ill. verifikációjával és validációjával kapcsolatos módszerek legfontosabb lépéseit. A szenzorhálózatokra épülő alkalmazások példáján keresztül a hallgatók elsajátítják az elosztott rendszerek programozásának és kommunikációjának alapjait, továbbá biztonságos működtetésük legfontosabb szempontjait.

8. A tantárgy részletes tematikája 1. Bevezetés (2 hét)

· A kiber-fizikai rendszerek definíciója, a kiber-fizikai rendszerek és a beágyazott rendszerek kapcsolata, tipikus alkalmazások, követelmények.

· Összefoglaló áttekintés a beágyazott rendszerekről

2. Modellezés, specifikálás, analízis (2 hét)

Folytonos és diszkrét idejű dinamikus rendszerek modellezésének elvi kérdései, hibrid (folytonos+ diszkrét) rendszerek analízise, a specifikáció és analízis formális eszközei
A hibrid rendszerek modellezési eszközei, szimulációs eszközök
Többkomponensű heterogén fizikai rendszerek együttműködésének speciális kérdései (valós idejű működés, megbízhatóság...)
A hierarchikus és elosztott rendszerek modellezésének speciális kérdései

3. Rendszertechnika (2 hét)

· Rendszerdekompozíció mint a komplex feladatok mérnöki megoldásának egyik legfontosabb alapelve

· A komponens alapú tervezés két alapelve:

o rendszer-komponálhatóság (compositionality): annak feltétele, hogy egy rendszer komponensei tulajdonságainak ismeretében meghatározhatók-e egy összetett rendszer tulajdonságai

o komponensek komponálhatósága (composability): annak feltétele, hogy a komponensek tulajdonságai nem változnak a komplex rendszer létrehozása során a komponensek közötti kölcsönhatások következtében

· Feladatdekompozíció és kooperáció elosztott rendszerekben, feladathierarchizálás

· A funkcionalitás, erőforrás-allokáció módszerei és eszközei. Adaptív és kontextus függő feladatallokáció

4. A kiber-fizikai rendszerek speciális hardver kérdései (2 hét)

· Érzékelők és érzékelő hálózatok

· Processzáló egységek: alkalmazásspecifikus SoC (system on chip) architektúrák, a NoC (network on chip), CPU, DSP, FPGA. Valós idejű processzor virtualizáció.

· Többmagos számítások MPSoC, a többszálú programozás hardver eszközei, GPU, újrakonfigurálható hardver architektúrák

5. A kiber-fizikai rendszerek speciális szoftver kérdései (2 hét)

· Kiber-fizikai rendszerek felügyeleti és szabályozási kérdései

· A rendszerkonfiguráció felderítése és modellezése, képesség és rendelkezésre állás vezérelt feladatallokáció.

· A funkcionális és strukturális átkonfigurálás, mint az adaptív feladatallokáció, illetve öngyógyítás eszköze. Tipikus ipari megoldások

· Biztonság illetve rendelkezésre állás kritikus funkciók megvalósítási lehetőségei, redundáns algoritmusok és implementációk használata, tervezett degradáció

6. A kiber-fizikai rendszerek tervezési kérdése (2 hét)

· Rendszerintegráció: tervezés komponensekből, komponensek összekapcsolása

· A kiber-fizikai rendszerek kommunikációjának általános és speciális megoldásai, felügyelete

· Teljesítményviszonyok elemzése, a valós idejű határidők betartása

· Biztonságkritikus rendszerek speciális problémái

· Adatbiztonság és védelem

· Hibatűrés, öngyógyítás

· Ellenőrzéstechnológia a tervezés során: verifikáció, validáció, szimuláció, mérés

· Ellenőrzéstechnológia a működtetés során: monitorozás és diagnosztika

7. Esettanulmányok (2 hét)

· Az esettanulmányok a rendszertechnikai és technológiai megalapozást az intelligens város, e-health és energiagazdálkodás témaköréből vett példákkal támasztják alá.

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

Előadás és tantermi gyakorlat.

10. Követelmények a. Szorgalmi időszakban: egy zárthelyi. Az aláírás megszerzésének feltétele: legalább elégséges szintű zárthelyi.

b. A vizsgaidőszakban: írásbeli vizsga.

c. Elővizsga: nincs.

11. Pótlási lehetőségek

Zárthelyi szorgalmi időszakban egy alkalommal, pótlási időszakban szintén egy alkalommal pótolható.

12. Konzultációs lehetőségek

A vizsgák előtti napokon, egyébként egyéni megbeszélés szerint.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom Óravázlatok, jegyzet-fejezetek, segédletek elektronikusan hozzáférhető formában.

További ajánlott irodalom.

[1] H. Kopetz: Real-Time Systems, Design Principles for Embedded Applications, Kluwer Academic Publishers, 1997.

[2] Giorgio Butazzo, HARD REAL-TIME COMPUTING SYSTEMS: Predictable Scheduling Algorithms and Applications, Kluwer, 1997.

[3] Jane W.S. Lu, Real-Time Systems, Prentice-Hall, 2000.

[4] Paulo Tabuada: Verification and Control of Hybrid Systems A Symbolic Approach Springer 2009.

[5] Edward A. Lee, Cyber-Physical Systems - Are Computing Foundations Adequate? Technical Report, Berkeley, University of California, 2008

[6] M. Broy: Cyber-Physical Systems, Springer, 2010.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka

Kontakt óra	56
Félévközi készülés órákra	14
Felkészülés zárthelyire
Házi feladat elkészítése	20
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása
Vizsgafelkészülés	30
Összesen	120

15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Dr. Péceli Gábor	egyetemi tanár	MIT
Dr. Pataricza András	egyetemi tanár	MIT
Dr. Horváth Gábor	egyetemi docens	MIT
Dr. Majzik István	egyetemi docens	MIT
Dr. Dabóczi Tamás	egyetemi docens	MIT

Egyéb megjegyzések

A tantárgy angol neve: Cyber-Physical Systems

Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Kiber-fizikai rendszerek