tallinna tehnikaülikool€¦ · msc 2012 arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, tallinna...

60
Tallinna Tehnikaülikool Küberfüüsikalised süsteemid sissejuhatus Johannes Ehala [email protected]

Upload: others

Post on 28-Sep-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

Tallinna Tehnikaülikool

Küberfüüsikalised süsteemid

sissejuhatus

Johannes [email protected]

Page 2: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

2

Tutvustus

2010 – 2017 insener, Tallinna Tehnikaülikoolis Automaatika instituudis Proaktiivtehnoloogiate teaduslaboris.

2017 – Doktorant-nooremteadur Tallinna Tehnikaülikoolis Tarkvarateaduse instituudis Proaktiivtehnoloogiate teaduslaboris.

BSc 2010 Mehhatroonika eriala, Tallinna TehnikaülikoolMSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna TehnikaülikoolPhd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

juhendajad Leo Mõtus ja Merik Meriste

Teaduslikud huvid:iseorganiseerumine, ilmnev käitumine, hajutatud ja jagatud juhtimismeetodid, aeg ja aja käsitlus küberfüüsikalistes süsteemides; andmetöötlus, andmete agregeerimine ja süntees (fusion), andmete valiidsus, infovood ja voogarvutus mudelid, situatsiooniteadlikkuse loomine küberfüüsikalistes süsteemides

Tööalane kogemus:traadita sensorvõrgud, andurite käitlus ja andmehõive, sensorandmete töötlus, mikrokontrollerite programmeerimine, raadioside mikrokontrollerite vahel, sensorvõrgu arhitektuur, suhtlusprotokollid, energiasäästlikkuse tagamine, lihtsam elektroonika

Johannes Ehala

Page 3: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

3

Definitsioon 1

Küberfüüsikalised süsteemid (KFS) on arvutuslike ja füüsikaliste protsesside lõimimise tulemusena saadud (tekkinud) süsteemid.

Cyber–physical systems (CPSs) are integrations of computation and physical processes. Lee, Edward A. "Cyber physical systems: Design challenges." 11th IEEE Symposium on Object Oriented Real-Time Distributed Computing (ISORC). IEEE, 2008.

Cyber-physical systems (CPS) are engineered systems that are built from, and depend upon, the seamless integration of computation and physical components.https://www.nsf.gov/funding/pgm_summ.jsp?pims_id=503286

The term cyber-physical systems refers to the tight conjoining of and coordination between computational and physical resources.https://www.nsf.gov/pubs/2010/nsf10515/nsf10515.htm

Page 4: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

4

Definitsioon 2

Cyber-physical systems are physical, biological, and engineered systems whose operations are integrated, monitored, and/or controlled by a computational core. Components are networked at every scale. Computing is “deeply embedded” into every physical component, possibly even into materials. The computational core is an embedded system, usually demands real-time response, and is most often distributed. The behavior of a cyber-physical system is a fully-integrated hybridization of computational (logical) and physical action. Rajkumar, Ragunathan, et al. "Cyber-physical systems: the next computing revolution." Design Automation Conference (DAC), 2010 47th ACM/IEEE. IEEE, 2010.https://labs.ece.uw.edu/nsl/aar-cps/Gill_HCSS_Transportation_Cyber-Physical_Systems_2008.pdf

Cyber-Physical Systems – systems in which the cyber and physical systems are tightly integrated at all scales and levels.https://labs.ece.uw.edu/nsl/aar-cps/Gill_HCSS_Transportation_Cyber-Physical_Systems_2008.pdf

The term cyber-physical systems (CPS) refers to a new generation of systems with integrated computational and physical capabilities that can interact with humans through many new modalities. Baheti, Radhakisan, and Helen Gill. "Cyber-physical systems." The impact of control technology 12.1 (2011): 161-166.

Page 5: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

5

Definitsioon 3

https://ptolemy.berkeley.edu/projects/cps/

Page 6: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

6

Klassifikatsioon 1

Page 7: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

7

Klassifikatsioon 2

Page 8: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

8

Klassifikatsioon 3

Page 9: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

9

Näited

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/83/Tesla_Model_3_parked%2C_front_driver_side.jpg/1200px-Tesla_Model_3_parked%2C_front_driver_side.jpg

http://nerdist.com/wp-content/uploads/2017/04/Chinese-Sorting-Robots-Feature-Image-04132017.jpghttp://i2.cdn.turner.com/money/dam/assets/151103152805-delivery-robot-1024x576.png

https://s3-eu-central-1.amazonaws.com/ centaur-wp/theengineer/prod/content /uploads/2018/05/10124042/Andover.jpg

https://www.solarguidebook.com/demand-response-for-renewables-integration-making-a-smart-grid-for-tomorrow/

Tesla Model SPaki- ja lao-

robotid

General Atomics MQ-9 Reaper

https://en.wikipedia.org/wiki/Unmanned_aerial_vehicle

Boston DynamicsSpot

https://www.bostondynamics.com/spot

Mars Rover varumudelid Sojourner (ees), Opportunity (vasakul), Curiosity (paremal)

<<<<<

https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA15280

Tark elektrisüsteem

Page 10: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

10

Süsteemide vead 1

Mis juhtub autopiloodiga sõitval nafta-tankeril sõites punktist A punkti B kui järsku maa magneetiline poolus vahetub (või nihkub või tekib mitu lokaalset poolust)?

http://www.seatrade-maritime.com/smem-2016/seatrade-tanker-middle-east-set-for-lively-debate-amid-testing-market-conditions.html

The Kuwait Oil Tanker Company VLCC Al Funtas

Navigeerimiseks kasutatakse:● gürokompass● GPS● kompass● sekstant

Page 11: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

11

Süsteemide vead 2 – disaini loogika

Probleemid ekvaatori ületamisel, allpool merepiiri lendamisel ja 180° meridiaani (kuupäevaraja) ületamisel.

● F-22 puhul lülitusid välja navigatsiooni- ja kommunikatsiooniseadmed

● C-130J Hercules lülitusid välja navigatsiooniseadmed

Rob Shenk https://www.flickr.com/photos/rcsj/2504022678/

Lockheed Martin F-22 Raptor

● F-16 testimisel simulatsioonis tarkvara väidetavalt pööras lennuki 180 kraadi tagurpidi kohe peale ekvaatori ületamist; piloodile tõenäoliselt surmav; lisaks ei suutnud süsteem otsutada, kas tagasi keerata üle parema või vasaku külje

Page 12: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

12

Süsteemide vead 3 - keerukus

Three Mile Island tuumareaktori maha põlemine

● Hooldustööd eelmisel päeval● Üks jahutusvedeliku ventiilidest jäi lahti● Vees leiduvad setted sattusid ummistama pneumosüsteemi● Jahutusvedelik hakkas lekkima ja jahutamine oli häiritud● Reaktor kuumenes üle● Juhtruumis indikaatorid viitasid kõrgele rõhule ja suletud

ventiilile

https://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_accident

Three Mile Island tuumajaam● Operaatorid olid segaduses ja

lülitasid varujahutuse välja● Reaktor kuumenes üle ja

radioaktiivne aine jõudis jahutussüsteemi

● Hommikune uus vahetus suutis probleemi korrektselt diagnoosida

Page 13: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

13

Süsteemide vead 4 – keerukus, verifitseerimine

● 1998 aasta missioon uurida Marsi atmosfääri

● Side katkes aasta hiljem, kui sond jõudis Marsi orbiidile

● Hilisem uurimine tuvastas, et üks projekti tarkvara tarnijatest edastas impulsi arvutusi inglise imperiaalses mõõtesüsteemis (lbfs), samas kui ülejäänud tarkvara eeldas, et andmed on rahvusvahelistes SI ühikutes (Ns)

https://www2.jpl.nasa.gov/files/images/browse/mco_mapping.gif

Mars Climate Orbiter

Page 14: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

14

Süsteemide vead 5 – aeg, prioriteedid

Mars Pathfinder Lander. Maandas Sojourner sõiduki ja pidi tagama side maaga. Tarkvara jooksutas erineva prioriteediga tegumeid (tasks), et omi ülesandeid täita. Tarkvara vea tõttu madala prioriteediga tegumid said eelise kõrgemate ees. Valvetaimer tegi sellepeale kogu süsteemile taaskäivitust. Probleem lahendati.

https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Pathfinder

Mars Pathfinder Lander

Patriot õhutõrjeraketi aja arvestuses tekkis arvutamisel ümardamisviga, mis akumuleerus aja jooksul suureks veaks. Lahesõja ajal sai 28 sõdurit surma kuna Patriot õhutõrje rakett ei suutnud ründeraketti tabada.

https://en.wikipedia.org/wiki/MIM-104_Patriot

Patriot Missile

Page 15: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

15

Süsteemide vead 6 – interaktsioonid, küberturvalisus

https://www.wired.com/2015/07/hackers-remotely-kill-jeep-highway/

https://www.youtube.com/watch?v=MAcHkASmXEc

http://st.motortrend.com/uploads/sites/10/2015/09/2014-Jeep-Cherokee-Limited-front-drivers-side-view.jpg

Jeep Cherokee

● 2015 aastal suutsid heatahtlikud häkkerid sisse tungida Jeep Cherokee juhtimissüsteemi, tehes seda raadio (GSM) teel.

● Üle suudetid võtta põhimõtteliselt kõik süsteemid: pidurdamine, rooli keeramine, mootori töö, kiirus, raadio, kliima, kojamehed, gps jne.

● Varasemalt olid autotootja esindajad väitnud, et see on (raadio) teel võimatu ja et juhtimissüsteemid on füüsiliselt eraldatud multimeedia- süsteemidest (kusjuures see oli õige väide!).

http://image.automobilemag.com/f/53234212+q100+re0/2014-jeep-grand-cherokee-dash-17.jpg

Page 16: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

17

Aine sisu

õppeaine kood NTR0510õppeaine nimetus eesti k Küberfüüsikalised süsteemidõppeaine nimetus inglise k Cyber-physical systemskontrollivorm eksam

Semestri jooksul Sess

Variant 1 Projekt 30p Praktikum 20p Eksam 50p

Variant 2 Ettekanne 10p Referaat 30p Praktikum 10p Eksam 50p

● Kõik praktikumid on grupitööd, kus grupi suurus on 2 liiget. Praktikumide kohta tuleb esitada aruanded (~6 tk).

● Projekt on meeskonnatöö, kus grupi suurus varieerub sõltuvalt ülesandest 2-6 liiget. Projektitöö kohta tuleb esitada aruanne ja tutvustada projekti tulemusi 15.-16. nädala loengutes.

● Referaat on individuaalne töö ja tuleb esitada 14. nädalaks.● Ettekanne on individuaalne töö ja tuleb sooritada semestri jooksul mõnes

loengus. Ettekannet hindab kogu kuulajaskond ja ettekande teemadel võib tulla eksamiküsimusi.

Iga tudeng valib endale ühe variandi kahest hiljemalt 3. nädalaks (12.02).

Page 17: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

18

Aja kasutus

6 EAP = 156 tundi tööd (1 EAP = 26 tundi)Kontakttunnid (loeng + praktikum) = 16x4 = 64 tundi töödIseseisev töö = 92 tundi

laboritööde aruanded 8x1,5 ~ 12 tundiettekande ettevalmistamine ~16 tundiprojektülesande lahendamine ~44 tundieksamiks valmistumine ~20 tundi

Loengud/praktikumid kolmapäeviti loeng - A105 10:15-12:00 (10:30-12:00?) praktikum - C201 12:15-14:00

õppeaine kood NTR0510õppeaine nimetus eesti k Küberfüüsikalised süsteemidõppeaine nimetus inglise k Cyber-physical systemsõppeaine maht EAP 6.00kontrollivorm eksam

Page 18: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

19

Didaktika

didaktika – õpetamisõpetus; pedagoogika haru, mis käsitleb õpetamise eesmärke, õppe sisu, õpetamise meetodeid, vorme ja õpetamise organisatoorset poolt

Jaak Umborg loeng “Didaktika põhiprintsiipide rakendamine õppetöös” loengusarjast Laboratoorse õppetöö didaktika, TTÜ, 2018, slaid 49

Page 19: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

20

Loengutabel

Nädal Teema Kuupäev

1 Sissejuhatus 29.01

2 Modelleerimine 5.02

3 Automaatika, juhtimine 12.02

4 Andurid 19.02

5 Raadioside, mikrokontrollerid 26.02

6 Tarkvara 4.03

7 Süsteemid I 11.03

8 Ilmnev käitumine, iseorganiseerumine 18.03

9 Süsteemid II, interaktsioonid, agentsus 25.03

10 Situatsiooniteadlikkus 1.04

11 Eneseteadlikkus 8.04

12 15.04

13 22.04

14 29.04

15 Projektitöö ettekanded, referaadi tutvustused 6.05

16 Projektitöö ettekanded, referaadi tutvustused 13.05

Page 20: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

21

Õpikud, kirjandus

E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach Second Edition, MIT Press, 2017 https://ptolemy.berkeley.edu/books/leeseshia/

Rawat Danda B., Joel JPC Rodrigues, and Ivan Stojmenovic, eds. Cyber-physical systems: from theory to practice, CRC Press, 2015

R. Alur, Principles of Cyber-Physical Systems, MIT Press, 2015

Wolf, Marilyn. High-performance embedded computing: applications in cyber-physical systems and mobile computing, Newnes, 2014 Liu, Chi Harold, and Yan

Zhang, eds. Cyber Physical Systems: Architectures, Protocols and Applications, CRC Press, 2015.

Page 21: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

22

Kirjandus

Mitchell, Melanie. Complexity: A guided tour. Oxford University Press, 2009.

Feynman, Richard Phillips, and Ralph Leighton. " Surely you're joking, Mr. Feynman!": adventures of a curious character. Random House, 1992.

Brooks Jr, Frederick P. The Mythical Man-Month: Essays on Software Engineering, Anniversary Edition, 2/E. Pearson Education India, 1995.

Leveson, Nancy G., and Jorge Diaz-Herrera. Safeware: system safety and computers. Vol. 680. Reading: Addison-Wesley, 1995.

Sillitto, Hillary. Architecting systems: Concepts, principles and practice. College publications, 2014.

Page 22: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

23

Praktikumid

Aerutamise ja aerupaadi juhtimise automatiseerimine● eesmärk juhtida paat punktist A punkti B● töö individuaalselt või meeskonnana● individuaalsed lisaülesanded ja erisused

Lahendamine semestri esimeses pooles, tehtud kohta aruanne ja demonstratsioon

Page 23: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

24

Praktikumid – ülesanne 2

Virtuaalne laevade lastimise ülesanne.

Sadamas teenindab üks kraana saabuvaidlaevu. Ülesanne on jagada kraanat kuipiiratud ressurssi kõigi laevade vahel niiet kõik laevad saaksid lastitud. Kraana kasutus tuleb laevadel omavahel kokku leppida töö ajal dünaamiliselt.

● Hajutatud juhtimise probleem● Jagatud juhtimise probleem● Seosed mänguteooriaga (game theory)● Laevade modelleerimine agentidena● Ise-organiseeruvad süsteemid● Ilmnev käitumine ● Proaktiivne käitumine

Page 24: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

25

Praktikumid

Hindamine hindeline (aruanne+demo)● üks aruanne n osaga● demonstratsioon süsteemi töö kohta viimastes praktikumides

Nr Teema Nädalad1 Modelleerimine 2-32 Juhtimismudel 4-53 Juhtloogika realiseerimine 64 Mikrokontrolleritega tutvumine 75 Agendi disainimine 8-106 Hajutatud/jagatud juhtimine 11-137 Iseorganiseerumine 14-158 Demonstratsioonid / varu aeg 16

Page 25: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

26

Ettekanded

Iga tudeng teeb semestri jooksul loengus ühe ettekande● ettekande pikkus 15-20 minutit● soovituslikult koos slaididega● teema valik vaba (saab valida ette antud teemade hulgast)● teema ja ettekande aeg tuleb õppejõuga eelnevalt kokku leppida● teoreetilised ja filosoofilised teemad eelistatud● praktilised, tehnoloogiat selgitavad ettekanded võimalikud

Ettekandega esinemine on eksamieelduseks. Ettekande teemadel võib tulla eksamiküsimusi ja/või ülesandeid.

Ettekande hindamine on hindeline (0-10p). Ettekandeid hindavad kaasõpilased loengust lõplik hinne kujuneb kõikide hinnete keskmisena. Ettekanne moodustab 10% kursuselõpphindest.

Ettekannete tegemisega alustame märtsist, 1-2 ettekannet loengu kohta.Orienteeruvalt kulub ettekandeks valmistumisele ~5 päeva (3-4h päevas)

Page 26: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

27

Projekti ülesanne 1

Projektitöö variant 1

Meeskonnatööna tuleb teha ühe küberfüüsikalise süsteemi arendusprojekt.

Sarnaselt praktikumidele● süsteemi mudel● juhtimise mudel● MatLab Simulink simulatsioon

Meeskonna suurus võiks olla vähemalt 5 inimest. ● 4. nädalaks on meeskonnad moodustatud, igal meeskonnal on teema● 8. nädalaks on meeskonnasisene tööjaotus paigas, kõik on oma teemaga

alustanud● 15. nädalaks on projekt valmis (aruanne) ja hakkame loengus ettekandeid kuulama

Lisaks● rakenduse kirjeldus● disain, joonised, visandid● mehaanika spetsifikatsioon● elektroonika arhidektuur● komponentide valik● turu-uuring, tarbijad

Page 27: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

28

Projekti ülesanne 2

Projektitöö variant 2

Mikrokontrolleri programmeerimine ja füüsilise maailma mõõtmine ning mõjutamine.

A – Tuleb mõõta heli ja tuvastada mustreid mõõdetud helisignaalis ise samal ajal heli tekitades.

B – Tuleb mõõta vibratsiooni ja tuvastada mustreid mõõdetud signaalis ise samal ajal vibratsiooni tekitades.

Ülesannet tuleb sooritada edukamalt kui vastasmeeskond.

Meeskonna suurus võiks olla 2 liiget. ● 4. nädalaks on meeskonnad moodustatud, igal meeskonnal on teema● 8. nädalaks on meeskonnasisene tööjaotus paigas, kõik on oma teemaga

alustanud● 15. nädalaks on projekt valmis (aruanne) ja hakkame loengus ettekandeid kuulama

Page 28: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

29

Projekti ülesanne 3

Projektitöö variant 3

Heli salvestamine mikrokontrolleriga SD mälukaardile. Heli salvestamise alustamine ja lõpetamine mikrokontrolleril aktiveeritakse raadiosõnumiga. Sisu:

● SD kaardi mooduli füüsiline integreerimine● SD kaardi mooduliga kommunikatsiooni loomine (SPI käsustik)● SD kaardi formaatimine ja helilõikude salvestamine kaardile● raadiokommunikatsiooni realiseerimine kahe mikrokontrolleri vahel

Meeskonna suurus võiks olla 3-4 liiget. ● 4. nädalaks on meeskonnad moodustatud.● 8. nädalaks on meeskonnasisene tööjaotus paigas, kõik on oma teemaga

alustanud.● 15. nädalaks on projekt valmis (aruanne) ja hakkame loengus ettekandeid kuulama

Page 29: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

30

Hindamine

NTR0510 õppeaine on hindeline ja lõppeb eksamiga.

Eksam sisaldab n arv küsimusi, mille hulgas nii ülesandeid kui teooriaküsimusi. Küsimused on oma mahult ja kaalult enam-vähem võrdsed.Eksami sooritamise aeg on 3h.

Aine lõpphinne kujuneb sõltivalt variandist järgmiselt:

Sooritatud ettekanne, kaitstud praktikumi aruanded ja projekti kokkuvõte (aruanne) on eksami eelduseks. Praktikumi aruandeid tuleb praktikumide lõpus kaitsta, projekti tulemustest tuleb teha ettekanne loengus.

Ettekande, praktikumide ja projekti hinnet saab kuni eksami päevani soovi korral parandada, sealjuures ettekande hinnet tuleks parandada kohe semestri jooksul loengute ajal, samas kui praktikumide ja projekti aruannet saab täiendada kuni eksamipäevani. Peale eksamit enam midagi parandada ei saa.

Semestri jooksul Sess

Variant 1 Projekt 30p Praktikum 20p Eksam 50p

Variant 2 Ettekanne 10p Referaat 30p Praktikum 10p Eksam 50p

Page 30: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

31

Kontakt

● Email [email protected] ([email protected])● Slack piisava huvi korral saab luua grupi

Koduleht - https://www.ttu.ee/institutes/proactivity-lab/education-4/prolab-courses/itb8816-kuberfuusikalised-susteemid/

Jooksvalt kõik küsimused emailile.

Tänan kuulamast!

Page 31: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

Tallinna Tehnikaülikool

Küberfüüsikalised süsteemid

sissejuhatus

Johannes [email protected]

Page 32: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

2

Tutvustus

2010 – 2017 insener, Tallinna Tehnikaülikoolis Automaatika instituudis Proaktiivtehnoloogiate teaduslaboris.

2017 – Doktorant-nooremteadur Tallinna Tehnikaülikoolis Tarkvarateaduse instituudis Proaktiivtehnoloogiate teaduslaboris.

BSc 2010 Mehhatroonika eriala, Tallinna TehnikaülikoolMSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna TehnikaülikoolPhd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

juhendajad Leo Mõtus ja Merik Meriste

Teaduslikud huvid:iseorganiseerumine, ilmnev käitumine, hajutatud ja jagatud juhtimismeetodid, aeg ja aja käsitlus küberfüüsikalistes süsteemides; andmetöötlus, andmete agregeerimine ja süntees (fusion), andmete valiidsus, infovood ja voogarvutus mudelid, situatsiooniteadlikkuse loomine küberfüüsikalistes süsteemides

Tööalane kogemus:traadita sensorvõrgud, andurite käitlus ja andmehõive, sensorandmete töötlus, mikrokontrollerite programmeerimine, raadioside mikrokontrollerite vahel, sensorvõrgu arhitektuur, suhtlusprotokollid, energiasäästlikkuse tagamine, lihtsam elektroonika

Johannes Ehala

Page 33: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

3

Definitsioon 1

Küberfüüsikalised süsteemid (KFS) on arvutuslike ja füüsikaliste protsesside lõimimise tulemusena saadud (tekkinud) süsteemid.

Cyber–physical systems (CPSs) are integrations of computation and physical processes. Lee, Edward A. "Cyber physical systems: Design challenges." 11th IEEE Symposium on Object Oriented Real-Time Distributed Computing (ISORC). IEEE, 2008.

Cyber-physical systems (CPS) are engineered systems that are built from, and depend upon, the seamless integration of computation and physical components.https://www.nsf.gov/funding/pgm_summ.jsp?pims_id=503286

The term cyber-physical systems refers to the tight conjoining of and coordination between computational and physical resources.https://www.nsf.gov/pubs/2010/nsf10515/nsf10515.htm

Embedded computers and networks monitor and control the physical processes, usually with feedback loops where physical processes affect computations and vice versa The design of such systems, therefore, requires understanding the joint dynamics of computers, software, networks, and physical processes. It is this study of joint dynamics that sets this discipline apart.

Derler, Patricia, Edward A. Lee, and Alberto Sangiovanni Vincentelli. "Modeling cyber–physical systems." Proceedings of the IEEE 100.1 (2012): 13-28.

Lee, Edward A. "Cyber-physical systems-are computing foundations adequate." Position Paper for NSF Workshop On Cyber-Physical Systems: Research Motivation, Techniques and Roadmap. Vol. 2. 2006.

Lee, Edward A. "Cyber physical systems: Design challenges." 11th IEEE Symposium on Object Oriented Real-Time Distributed Computing (ISORC). IEEE, 2008.

The term "cyber-physical systems" emerged around 2006, when it was coined by Helen Gill at the National Science Foundation in the United States. While we are all familiar with the term "cyberspace," and may be tempted to associate it with CPS, the roots of the term CPS are older and deeper. It would be more accurate to view the terms "cyberspace" and "cyber-physical systems" as stemming from the same root, "cybernetics," rather than viewing one as being derived from the other. The term "cybernetics" was coined by Norbert Wiener (Wiener, 1948), an American mathematician who had a huge impact on the development of control systems theory.

During World War II, Wiener pioneered technology for the automatic aiming and firing of anti-aircraft guns. Although the mechanisms he used did not involve digital computers, the principles involved are similar to those used today in a huge variety of computerbased feedback control systems. Wiener derived the term from the Greek kybernetes, meaning helmsman, governor, pilot, or rudder. The metaphor is apt for control systems.

Wiener described his vision of cybernetics as the conjunction of control and communication. His notion of control was deeply rooted in closed-loop feedback, where the control logic is driven by measurements of physical processes, and in turn drives the physical processes. Even though Wiener did not use digital computers, the control logic is effectively a computation, and therefore cybernetics is the conjunction of physical processes, computation, and communication.

Wiener could not have anticipated the powerful effects of digital computation and networks. The fact that the term "cyber-physical systems" may be ambiguously interpreted as the conjunction of cyberspace with physical processes, therefore, helps to underscore the enormous impact that CPS will have. CPS leverages a phenomenal information technology that far outstrips even the wildest dreams of Wiener's era.

Source: Lee and Seshia, Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach, LeeSeshia.org, 2011.

Page 34: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

4

Definitsioon 2

Cyber-physical systems are physical, biological, and engineered systems whose operations are integrated, monitored, and/or controlled by a computational core. Components are networked at every scale. Computing is “deeply embedded” into every physical component, possibly even into materials. The computational core is an embedded system, usually demands real-time response, and is most often distributed. The behavior of a cyber-physical system is a fully-integrated hybridization of computational (logical) and physical action. Rajkumar, Ragunathan, et al. "Cyber-physical systems: the next computing revolution." Design Automation Conference (DAC), 2010 47th ACM/IEEE. IEEE, 2010.https://labs.ece.uw.edu/nsl/aar-cps/Gill_HCSS_Transportation_Cyber-Physical_Systems_2008.pdf

Cyber-Physical Systems – systems in which the cyber and physical systems are tightly integrated at all scales and levels.https://labs.ece.uw.edu/nsl/aar-cps/Gill_HCSS_Transportation_Cyber-Physical_Systems_2008.pdf

The term cyber-physical systems (CPS) refers to a new generation of systems with integrated computational and physical capabilities that can interact with humans through many new modalities. Baheti, Radhakisan, and Helen Gill. "Cyber-physical systems." The impact of control technology 12.1 (2011): 161-166.

Page 35: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

5

Definitsioon 3

https://ptolemy.berkeley.edu/projects/cps/

Page 36: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

6

Klassifikatsioon 1

Page 37: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

7

Klassifikatsioon 2

Page 38: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

8

Klassifikatsioon 3

Page 39: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

9

Näited

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/83/Tesla_Model_3_parked%2C_front_driver_side.jpg/1200px-Tesla_Model_3_parked%2C_front_driver_side.jpg

http://nerdist.com/wp-content/uploads/2017/04/Chinese-Sorting-Robots-Feature-Image-04132017.jpghttp://i2.cdn.turner.com/money/dam/assets/151103152805-delivery-robot-1024x576.png

https://s3-eu-central-1.amazonaws.com/ centaur-wp/theengineer/prod/content /uploads/2018/05/10124042/Andover.jpg

https://www.solarguidebook.com/demand-response-for-renewables-integration-making-a-smart-grid-for-tomorrow/

Tesla Model SPaki- ja lao-

robotid

General Atomics MQ-9 Reaper

https://en.wikipedia.org/wiki/Unmanned_aerial_vehicle

Boston DynamicsSpot

https://www.bostondynamics.com/spot

Mars Rover varumudelid Sojourner (ees), Opportunity (vasakul), Curiosity (paremal)

<<<<<

https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA15280

Tark elektrisüsteem

Packaging robotshttps://www.youtube.com/watch?v=4DKrcpa8Z_Ehttps://www.youtube.com/watch?v=jwu9SX3YPSkhttps://www.youtube.com/watch?v=_QndP_PCRSwhttps://www.youtube.com/watch?v=Ox05Bks2Q3shttps://www.youtube.com/watch?v=MczGB9cw9I4

Tark elektrivõrkhttps://www.youtube.com/watch?v=HRc9HkmFtuU

Page 40: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

10

Süsteemide vead 1

Mis juhtub autopiloodiga sõitval nafta-tankeril sõites punktist A punkti B kui järsku maa magneetiline poolus vahetub (või nihkub või tekib mitu lokaalset poolust)?

http://www.seatrade-maritime.com/smem-2016/seatrade-tanker-middle-east-set-for-lively-debate-amid-testing-market-conditions.html

The Kuwait Oil Tanker Company VLCC Al Funtas

Navigeerimiseks kasutatakse:● gürokompass● GPS● kompass● sekstant

Tankerite keskine kiirus 20km/h (30km/h max)

Küro korrektsiooni tuleb teha 10-15min tagant, enamasti magentilise kompassiga (wiki: https://en.wikipedia.org/wiki/Heading_indicator)

suurimad tankrid on TI klassi tankrid (4tk), 380m pikad, 68m laiad, süvis 28m, kiirus 30km/h, 67.5ktonni, 501 ktonni täislastis

GPS ei anna suunda! (okei, see on tinglik) http://tmqeurope.com/information/how-does-an-autopilot-work/

Yorkshire laeva network crashhttps://en.wikipedia.org/wiki/USS_Yorktown_%28CG-48%29http://web.archive.org/web/20071213201037/http:/www.gcn.com/print/17_17/33727-1.html?topic=newshttps://www.wired.com/1998/07/sunk-by-windows-nt/

Gürokompasshttps://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_navigation_systemhttps://en.wikipedia.org/wiki/Gyrocompass

Ei maksa ka unustada GPS süsteemide lollitamist valesignaalidega, et panna süsteemid oma koordinaati valesti arvutama ja asukohta valesti hindama.

https://www.newscientist.com/article/2143499-ships-fooled-in-gps-spoofing-attack-suggest-russian-cyberweapon/

https://news.utexas.edu/2013/07/29/ut-austin-researchers-successfully-spoof-an-80-million-yacht-at-sea/

Magnetvälja enne-aegne muutus https://www.ncei.noaa.gov/news/world-magnetic-model-out-cycle-releasehttps://novaator.err.ee/907951/magnetiline-pohjapoolus-triivib-oodatust-kiiremini-siberi-

suunas

Page 41: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

11

Süsteemide vead 2 – disaini loogika

Probleemid ekvaatori ületamisel, allpool merepiiri lendamisel ja 180° meridiaani (kuupäevaraja) ületamisel.

● F-22 puhul lülitusid välja navigatsiooni- ja kommunikatsiooniseadmed

● C-130J Hercules lülitusid välja navigatsiooniseadmed

Rob Shenk https://www.flickr.com/photos/rcsj/2504022678/

Lockheed Martin F-22 Raptor

● F-16 testimisel simulatsioonis tarkvara väidetavalt pööras lennuki 180 kraadi tagurpidi kohe peale ekvaatori ületamist; piloodile tõenäoliselt surmav; lisaks ei suutnud süsteem otsutada, kas tagasi keerata üle parema või vasaku külje

Allpool merepiiri, Surnumere ääreshttps://www.avgeekery.com/challenge-flying-sea-level/

F-16 keeras simulatsioonis pea-peale kui üle ekvaatori lennata, oleks piloodile surmav (tõendamata)

http://catless.ncl.ac.uk/Risks/3.44.htmlhttps://news.ycombinator.com/item?id=4541501

F-22 süsteemid maas peale kuupäevaraja ületamisthttp://transcripts.cnn.com/TRANSCRIPTS/0702/24/tww.01.htmlhttps://www.defenseindustrydaily.com/f22-squadron-shot-down-by-the-international-date-line-03087/https://it.slashdot.org/story/07/02/25/2038217/Software-Bug-Halts-F-22-Flight#

Page 42: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

12

Süsteemide vead 3 - keerukus

Three Mile Island tuumareaktori maha põlemine

● Hooldustööd eelmisel päeval● Üks jahutusvedeliku ventiilidest jäi lahti● Vees leiduvad setted sattusid ummistama pneumosüsteemi● Jahutusvedelik hakkas lekkima ja jahutamine oli häiritud● Reaktor kuumenes üle● Juhtruumis indikaatorid viitasid kõrgele rõhule ja suletud

ventiilile

https://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_accident

Three Mile Island tuumajaam● Operaatorid olid segaduses ja

lülitasid varujahutuse välja● Reaktor kuumenes üle ja

radioaktiivne aine jõudis jahutussüsteemi

● Hommikune uus vahetus suutis probleemi korrektselt diagnoosida

Page 43: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

13

Süsteemide vead 4 – keerukus, verifitseerimine

● 1998 aasta missioon uurida Marsi atmosfääri

● Side katkes aasta hiljem, kui sond jõudis Marsi orbiidile

● Hilisem uurimine tuvastas, et üks projekti tarkvara tarnijatest edastas impulsi arvutusi inglise imperiaalses mõõtesüsteemis (lbfs), samas kui ülejäänud tarkvara eeldas, et andmed on rahvusvahelistes SI ühikutes (Ns)

https://www2.jpl.nasa.gov/files/images/browse/mco_mapping.gif

Mars Climate Orbiter

Tegu oli tasakaalustava reaktiivmootoriga, mis pidi tagama sondi sisenemise ja püsimise õige kõrgusega orbiidil. Soovitud sondi orbiit oli 226km kõrgusel Marsi pinnast, kuid tegelikult oli see 150-170km. Enne atmosfääri sisenemist tehtud maapealse juhtimismeeskonna navigatsiooniarvutused näitasid, et sond võib olla lausa 110 km kõrgusel. Juhtimismeeskonna juhid ignoreerisid neid arvutusi, arvates, et sond on õigel kohal. Järgneva atmosfääri sisenemise käigus sond tõenäoliselt põles ära ja kukkus Marsi pinnale, või mootorite abiga lendas orbiidilt välja avakosmosesse.

Viga oli LockheedMartin tarnitud tarkvaras, kuid NASA’t ennast süüdistati samuti palju, et nad ei suutnud sellist viga enne starti tuvastada.

Page 44: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

14

Süsteemide vead 5 – aeg, prioriteedid

Mars Pathfinder Lander. Maandas Sojourner sõiduki ja pidi tagama side maaga. Tarkvara jooksutas erineva prioriteediga tegumeid (tasks), et omi ülesandeid täita. Tarkvara vea tõttu madala prioriteediga tegumid said eelise kõrgemate ees. Valvetaimer tegi sellepeale kogu süsteemile taaskäivitust. Probleem lahendati.

https://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Pathfinder

Mars Pathfinder Lander

Patriot õhutõrjeraketi aja arvestuses tekkis arvutamisel ümardamisviga, mis akumuleerus aja jooksul suureks veaks. Lahesõja ajal sai 28 sõdurit surma kuna Patriot õhutõrje rakett ei suutnud ründeraketti tabada.

https://en.wikipedia.org/wiki/MIM-104_Patriot

Patriot Missile

Pathfinderhttps://en.wikipedia.org/wiki/Mars_Pathfinder#On-board_computerhttps://www.rapitasystems.com/blog/what-really-happened-to-the-software-on-the-mars-

pathfinder-spacecraftPatriot missle www-users.math.umn.edu/~arnold/disasters/patriot.html

https://www.rapitasystems.com/blog/what-really-happened-to-the-software-on-the-mars-pathfinder-spacecraft

Page 45: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

15

Süsteemide vead 6 – interaktsioonid, küberturvalisus

https://www.wired.com/2015/07/hackers-remotely-kill-jeep-highway/

https://www.youtube.com/watch?v=MAcHkASmXEc

http://st.motortrend.com/uploads/sites/10/2015/09/2014-Jeep-Cherokee-Limited-front-drivers-side-view.jpg

Jeep Cherokee

● 2015 aastal suutsid heatahtlikud häkkerid sisse tungida Jeep Cherokee juhtimissüsteemi, tehes seda raadio (GSM) teel.

● Üle suudetid võtta põhimõtteliselt kõik süsteemid: pidurdamine, rooli keeramine, mootori töö, kiirus, raadio, kliima, kojamehed, gps jne.

● Varasemalt olid autotootja esindajad väitnud, et see on (raadio) teel võimatu ja et juhtimissüsteemid on füüsiliselt eraldatud multimeedia- süsteemidest (kusjuures see oli õige väide!).

http://image.automobilemag.com/f/53234212+q100+re0/2014-jeep-grand-cherokee-dash-17.jpg

Multimeediasüsteemi 3G kaudu tungisid remotely sisse, said juurdepääsu multimeedia süsteemile, mis oli SPI kaudu ühendatud CAN süsteemis oleva kiibiga, revers-engineerisid kiibi koodi, istutasid oma koodi sinna juurde, mis edastas üle 3G tulnud käsud CAN-BUS’ile ja sellega kontrollisid autot

Sarnane asi oli Iraani tuumarajatiste süsteemide rünnak läbi kontrollerite. Stuxnethttps://en.wikipedia.org/wiki/Stuxnet

Page 46: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

17

Aine sisu

õppeaine kood NTR0510õppeaine nimetus eesti k Küberfüüsikalised süsteemidõppeaine nimetus inglise k Cyber-physical systemskontrollivorm eksam

Semestri jooksul Sess

Variant 1 Projekt 30p Praktikum 20p Eksam 50p

Variant 2 Ettekanne 10p Referaat 30p Praktikum 10p Eksam 50p

● Kõik praktikumid on grupitööd, kus grupi suurus on 2 liiget. Praktikumide kohta tuleb esitada aruanded (~6 tk).

● Projekt on meeskonnatöö, kus grupi suurus varieerub sõltuvalt ülesandest 2-6 liiget. Projektitöö kohta tuleb esitada aruanne ja tutvustada projekti tulemusi 15.-16. nädala loengutes.

● Referaat on individuaalne töö ja tuleb esitada 14. nädalaks.● Ettekanne on individuaalne töö ja tuleb sooritada semestri jooksul mõnes

loengus. Ettekannet hindab kogu kuulajaskond ja ettekande teemadel võib tulla eksamiküsimusi.

Iga tudeng valib endale ühe variandi kahest hiljemalt 3. nädalaks (12.02).

https://ois.ttu.ee/portal/page?_pageid=37,674560&_dad=portal&_schema=PORTAL&p_action=view&p_fk_str_yksus_id=50007&p_kava_versioon_id=50451&p_net=internet&p_lang=ET&p_rezhiim=0&p_mode=1&p_from=#50319

õppekavast:NTR0290 Side (põhiõpe)RAM0620 Programmeerimine (põhiõpe)RAM0640 Objektorienteeritud programmeerimine (põhiõpe)RAM0800 Digitaalloogika ja -süsteemid (põhiõpe)NTR0280 Süsteemiteooria ja automaatika alused (erialaõpe)NTR0310 Agenditehnika (erialaõpe)NTR0360 Elektroonika (erialaõpe)NTR0400 Mikroprotsessorsüsteemid (erialaõpe)NTR0490 Andurite ja täiturite süsteemitehnika (erialaõpe)NTR0320 Automaatjuhtimissüsteemid (valik)

Page 47: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

18

Aja kasutus

6 EAP = 156 tundi tööd (1 EAP = 26 tundi)Kontakttunnid (loeng + praktikum) = 16x4 = 64 tundi töödIseseisev töö = 92 tundi

laboritööde aruanded 8x1,5 ~ 12 tundiettekande ettevalmistamine ~16 tundiprojektülesande lahendamine ~44 tundieksamiks valmistumine ~20 tundi

Loengud/praktikumid kolmapäeviti loeng - A105 10:15-12:00 (10:30-12:00?) praktikum - C201 12:15-14:00

õppeaine kood NTR0510õppeaine nimetus eesti k Küberfüüsikalised süsteemidõppeaine nimetus inglise k Cyber-physical systemsõppeaine maht EAP 6.00kontrollivorm eksam

https://ttu.ee/asutused/tartu-kolledz/tktudengile/tunniplaanid-11/maastikuarhitektuur-5/

Page 48: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

19

Didaktika

didaktika – õpetamisõpetus; pedagoogika haru, mis käsitleb õpetamise eesmärke, õppe sisu, õpetamise meetodeid, vorme ja õpetamise organisatoorset poolt

Jaak Umborg loeng “Didaktika põhiprintsiipide rakendamine õppetöös” loengusarjast Laboratoorse õppetöö didaktika, TTÜ, 2018, slaid 49

Uute praktiliste oskuste kujundamine ja arendamine toimub ainult sooritades seda tegevust.Kogemust ei saa edasi anda, seda peab ise omandama

Konstruktivistlik õpikäsitlus – õppur loob oma uued teadmised ja saavutab oskused ise, tuginedes õpitava teema erinevatele aspektidele ja enda olemasolevaile teadmistele ja kogeustele. Õppur on aktiivne. Vastandub passiivsele õpikäsitlusele, kus õppejõud annab teadmised õppuritele üle (nt. loengu vormis) ja õppurid võtavad uusi teadmisi kui fakti. See viimane on õppejõukeskne lähenemine samas kui konstruktivistlik lähenemine on õppuri keskne. (refereeritud Jaak Umborg loengutest Laboratoorse õppetöö didaktika, TTÜ, 2018)

kasulik vaatamine – õpetab kuidas ülikoolis ainet õppida, sh kaasa töötamine kohe algusest peale ja tuupimine vs aru saamine

https://www.youtube.com/watch?v=yGBfd7LeGMM

Page 49: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

20

Loengutabel

Nädal Teema Kuupäev

1 Sissejuhatus 29.01

2 Modelleerimine 5.02

3 Automaatika, juhtimine 12.02

4 Andurid 19.02

5 Raadioside, mikrokontrollerid 26.02

6 Tarkvara 4.03

7 Süsteemid I 11.03

8 Ilmnev käitumine, iseorganiseerumine 18.03

9 Süsteemid II, interaktsioonid, agentsus 25.03

10 Situatsiooniteadlikkus 1.04

11 Eneseteadlikkus 8.04

12 15.04

13 22.04

14 29.04

15 Projektitöö ettekanded, referaadi tutvustused 6.05

16 Projektitöö ettekanded, referaadi tutvustused 13.05

Page 50: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

21

Õpikud, kirjandus

E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach Second Edition, MIT Press, 2017 https://ptolemy.berkeley.edu/books/leeseshia/

Rawat Danda B., Joel JPC Rodrigues, and Ivan Stojmenovic, eds. Cyber-physical systems: from theory to practice, CRC Press, 2015

R. Alur, Principles of Cyber-Physical Systems, MIT Press, 2015

Wolf, Marilyn. High-performance embedded computing: applications in cyber-physical systems and mobile computing, Newnes, 2014 Liu, Chi Harold, and Yan

Zhang, eds. Cyber Physical Systems: Architectures, Protocols and Applications, CRC Press, 2015.

Page 51: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

22

Kirjandus

Mitchell, Melanie. Complexity: A guided tour. Oxford University Press, 2009.

Feynman, Richard Phillips, and Ralph Leighton. " Surely you're joking, Mr. Feynman!": adventures of a curious character. Random House, 1992.

Brooks Jr, Frederick P. The Mythical Man-Month: Essays on Software Engineering, Anniversary Edition, 2/E. Pearson Education India, 1995.

Leveson, Nancy G., and Jorge Diaz-Herrera. Safeware: system safety and computers. Vol. 680. Reading: Addison-Wesley, 1995.

Sillitto, Hillary. Architecting systems: Concepts, principles and practice. College publications, 2014.

Page 52: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

23

Praktikumid

Aerutamise ja aerupaadi juhtimise automatiseerimine● eesmärk juhtida paat punktist A punkti B● töö individuaalselt või meeskonnana● individuaalsed lisaülesanded ja erisused

Lahendamine semestri esimeses pooles, tehtud kohta aruanne ja demonstratsioon

Page 53: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

24

Praktikumid – ülesanne 2

Virtuaalne laevade lastimise ülesanne.

Sadamas teenindab üks kraana saabuvaidlaevu. Ülesanne on jagada kraanat kuipiiratud ressurssi kõigi laevade vahel niiet kõik laevad saaksid lastitud. Kraana kasutus tuleb laevadel omavahel kokku leppida töö ajal dünaamiliselt.

● Hajutatud juhtimise probleem● Jagatud juhtimise probleem● Seosed mänguteooriaga (game theory)● Laevade modelleerimine agentidena● Ise-organiseeruvad süsteemid● Ilmnev käitumine ● Proaktiivne käitumine

mainP

start radio driver start game by sending welcome message

SystemCommunicationP

send : welcome msg query about status of some ship query about statuses of all ships query about cargo placement on ships query about global time receive : responses to queries

ShipControlP

strategy development, i.e. defining goals , deciding who to cooperate with

Radio layer (drivers, physical layer, etc.)

CraneCommunicationP

send : commands to crane receive : crane messages crane commands of other ships

ShipCommunicationP

send and receive ship to ship messages

KnowledgeCenterP

store game state (global time) store my state (loc., time, cargo) store states of other ships (loc., time, cargo)

CraneControlP

strategy implementation, i.e. deciding what command to send, based on goals and partners

Page 54: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

25

Praktikumid

Hindamine hindeline (aruanne+demo)● üks aruanne n osaga● demonstratsioon süsteemi töö kohta viimastes praktikumides

Nr Teema Nädalad1 Modelleerimine 2-32 Juhtimismudel 4-53 Juhtloogika realiseerimine 64 Mikrokontrolleritega tutvumine 75 Agendi disainimine 8-106 Hajutatud/jagatud juhtimine 11-137 Iseorganiseerumine 14-158 Demonstratsioonid / varu aeg 16

Page 55: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

26

Ettekanded

Iga tudeng teeb semestri jooksul loengus ühe ettekande● ettekande pikkus 15-20 minutit● soovituslikult koos slaididega● teema valik vaba (saab valida ette antud teemade hulgast)● teema ja ettekande aeg tuleb õppejõuga eelnevalt kokku leppida● teoreetilised ja filosoofilised teemad eelistatud● praktilised, tehnoloogiat selgitavad ettekanded võimalikud

Ettekandega esinemine on eksamieelduseks. Ettekande teemadel võib tulla eksamiküsimusi ja/või ülesandeid.

Ettekande hindamine on hindeline (0-10p). Ettekandeid hindavad kaasõpilased loengust lõplik hinne kujuneb kõikide hinnete keskmisena. Ettekanne moodustab 10% kursuselõpphindest.

Ettekannete tegemisega alustame märtsist, 1-2 ettekannet loengu kohta.Orienteeruvalt kulub ettekandeks valmistumisele ~5 päeva (3-4h päevas)

ettekande hindamine:esinemisoksus, arusaadavus 0-2pslaidide kvaliteet 0-2psisu kvaliteet, põhjalikkus, teema kaetus 0-4pteemast aru saamine, teema tundmine 0-2p

Page 56: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

27

Projekti ülesanne 1

Projektitöö variant 1

Meeskonnatööna tuleb teha ühe küberfüüsikalise süsteemi arendusprojekt.

Sarnaselt praktikumidele● süsteemi mudel● juhtimise mudel● MatLab Simulink simulatsioon

Meeskonna suurus võiks olla vähemalt 5 inimest. ● 4. nädalaks on meeskonnad moodustatud, igal meeskonnal on teema● 8. nädalaks on meeskonnasisene tööjaotus paigas, kõik on oma teemaga

alustanud● 15. nädalaks on projekt valmis (aruanne) ja hakkame loengus ettekandeid kuulama

Lisaks● rakenduse kirjeldus● disain, joonised, visandid● mehaanika spetsifikatsioon● elektroonika arhidektuur● komponentide valik● turu-uuring, tarbijad

Page 57: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

28

Projekti ülesanne 2

Projektitöö variant 2

Mikrokontrolleri programmeerimine ja füüsilise maailma mõõtmine ning mõjutamine.

A – Tuleb mõõta heli ja tuvastada mustreid mõõdetud helisignaalis ise samal ajal heli tekitades.

B – Tuleb mõõta vibratsiooni ja tuvastada mustreid mõõdetud signaalis ise samal ajal vibratsiooni tekitades.

Ülesannet tuleb sooritada edukamalt kui vastasmeeskond.

Meeskonna suurus võiks olla 2 liiget. ● 4. nädalaks on meeskonnad moodustatud, igal meeskonnal on teema● 8. nädalaks on meeskonnasisene tööjaotus paigas, kõik on oma teemaga

alustanud● 15. nädalaks on projekt valmis (aruanne) ja hakkame loengus ettekandeid kuulama

Page 58: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

29

Projekti ülesanne 3

Projektitöö variant 3

Heli salvestamine mikrokontrolleriga SD mälukaardile. Heli salvestamise alustamine ja lõpetamine mikrokontrolleril aktiveeritakse raadiosõnumiga. Sisu:

● SD kaardi mooduli füüsiline integreerimine● SD kaardi mooduliga kommunikatsiooni loomine (SPI käsustik)● SD kaardi formaatimine ja helilõikude salvestamine kaardile● raadiokommunikatsiooni realiseerimine kahe mikrokontrolleri vahel

Meeskonna suurus võiks olla 3-4 liiget. ● 4. nädalaks on meeskonnad moodustatud.● 8. nädalaks on meeskonnasisene tööjaotus paigas, kõik on oma teemaga

alustanud.● 15. nädalaks on projekt valmis (aruanne) ja hakkame loengus ettekandeid kuulama

Page 59: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

30

Hindamine

NTR0510 õppeaine on hindeline ja lõppeb eksamiga.

Eksam sisaldab n arv küsimusi, mille hulgas nii ülesandeid kui teooriaküsimusi. Küsimused on oma mahult ja kaalult enam-vähem võrdsed.Eksami sooritamise aeg on 3h.

Aine lõpphinne kujuneb sõltivalt variandist järgmiselt:

Sooritatud ettekanne, kaitstud praktikumi aruanded ja projekti kokkuvõte (aruanne) on eksami eelduseks. Praktikumi aruandeid tuleb praktikumide lõpus kaitsta, projekti tulemustest tuleb teha ettekanne loengus.

Ettekande, praktikumide ja projekti hinnet saab kuni eksami päevani soovi korral parandada, sealjuures ettekande hinnet tuleks parandada kohe semestri jooksul loengute ajal, samas kui praktikumide ja projekti aruannet saab täiendada kuni eksamipäevani. Peale eksamit enam midagi parandada ei saa.

Semestri jooksul Sess

Variant 1 Projekt 30p Praktikum 20p Eksam 50p

Variant 2 Ettekanne 10p Referaat 30p Praktikum 10p Eksam 50p

Page 60: Tallinna Tehnikaülikool€¦ · MSc 2012 Arvutisüsteemid ja süsteemitehnika, Tallinna Tehnikaülikool Phd 2013 - … ‘Iseorganiseerumine kognitiivsetes tehissüsteemides’,

31

Kontakt

● Email [email protected] ([email protected])● Slack piisava huvi korral saab luua grupi

Koduleht - https://www.ttu.ee/institutes/proactivity-lab/education-4/prolab-courses/itb8816-kuberfuusikalised-susteemid/

Jooksvalt kõik küsimused emailile.

Tänan kuulamast!