Küberfüüsikalised süsteemid eristuvad teistest arvutisüsteemidest oma interdistsiplinaarsuse poolest, st loodav süsteem on alati ühendatud reaalse maailma protsessidega ja eeldab seetõttu teadmisi näiteks füüsikalistest protsessidest (robotid, moodsad lennukid ja autod), keemiast (nt. tööstustootmisprotsessides), bioloogiast (südamestimulaatorid), geoloogiast (looduskatastroofi hoiatussüsteemid), meteoroloogiast (ilmavaatlusseadmed) jne. Selliste süsteemide disain ja arendus on seetõttu erinev ja teatud mõttes keerukam kui ainult arvutisüsteemide disain. Antud kursusel käsitletakse kõiki olulisemaid etappe küberfüüsikaliste süsteemide disainimisel ja arendamisel, st tutvustatakse küberfüüsikaliste süsteemide ehituse põhilisi osi (füüsikalise protsessi modelleerimine, arvutusprotsessi modelleerimine, riistvara valik, võrguarhitektuuri valik, võrgusisene andmetöötlus, mudeli verifitseerimine, testimine, ohutus) selgitatakse sealseid probleeme, tutvustatakse levinud disainimeetodeid ja antakse lahendada tüüpülesandeid.

Cyber-physical systems connect computer systems with real-world physical processes and are distinct from other computer systems in that their operation is highly dependent on the real world processes. The design of cyber-physical systems is an interdisciplinary process that typically requires specialised knowledge of not only computer systems but also physics (robotics, air-plane and vehicle development), chemistry (industrial processes), biology (heart pacemakers), geology (natural disaster warning systems), meteorology (weather surveillance systems), etc. The design process of such systems is typically different and more complex than the design of pure computer systems. This course covers the main aspects of the design, application and analysis of cyber-physical systems. This includes the modelling of physical processes, modelling of computing systems, design of network architecture, choice of hardware, in-network data processing, testing, verification of models, safety concerns and more.

Aine läbinud üliõpilane:
1. tunneb küberfüüsikaliste süsteemide loomisel, rakendamisel ja analüüsil kasutatavaid praktilisi meetodeid;
2. mõistab küberfüüsikaliste süsteemide loomisega, rakendamisega ja analüüsiga seotud iseloomulikke probleeme, tunneb meetodeid nende lahendamiseks;
3. on saanud ülevaate kasutatavatest traadiga ja traadita kommunikatsioonivahenditest küberfüüsikalistes süsteemides ja mõistab nende võimalusi ja piiranguid;
4. oskab eristada otsest, kaudset ja vahendatud interaktsiooni ja mõistab nende olemust;
5. mõistab põhilisi andmete verifitseerimise ja valideerimise viise ning selle vajalikkust küberfüüsikalistes süsteemides;
6. oskab rakendada omandatud teadmisi ja oskusi grupitöös, tegeledes nii süsteemide kavandamise, realiseerimise kui ka nõutud omaduste testimisega.

On completion of the course, the student:
1. knows the practical methods used for the design, application and analysis of cyber-physical systems;
2. understands the problems distinctive to cyber-physical systems and knows the general methods for solving these problems;
3. has an overview of wired and wireless communication technologies used in cyberphysical systems and understands their capabilities and limitations;
4. understands the differences between direct, indirect and mediated interaction and their usage;
5. knows the main methods of data verification and validation and the need for this in cyber-physical systems;
6. can apply the gained skills and knowledge in group work concerning the design and application of cyberphysical systems as well as testing the required skills.

Pidev- ja diskreetaja süsteemide modelleerimine diferentsiaalvõrrandite ja lõplike olekute masina näitel. Aja mõiste arvutisüsteemides. Hübriidsüsteemi mõiste. Sardarvutite riist- ja tarkvara. Andurid ja täiturid ja nende liidestamine sardarvutitega (ADC, I2C, SPI jt). Mikrokontrollerite tutvustus. Sardarvutite operatsioonisüsteemid, lõimede kasutus, planeerimine (scheduling) ja sündmustepõhine (event-driven) programmeerimine, sundparalleelsus. Sardarvutite traadiga ja traadita võrgud (WiFi, Zigbee, 6LoWPAN, jt.). Sõnumiedastusmeetodid spontaanvõrkudes, side töökindlus ja andmevahetus häiringute korral. Võimalikud andmemahud, leviulatus, andmeedastuskiirus ja turvalisus. Andmetöötlus ja andmevahetus sardarvutite võrgus. Sensorandmete hajutatud ja tsentraalne töötlus (cloud, fog and mist computing). Andmete kehtivus (valiidsus), usaldusväärsus ja terviklikkus (integrity). Ajaga seotud probleemid, globaalne ja lokaalne aeg, samaaegsus, võrgusõlmede sünkroniseerimine või andmevahetus asünkroonses võrgus. Otsene, kaudne ja vahendatud suhtlus. Läheteülesande püstitamine ja nõuete sõnastamine sardsüsteemide puhul. Süsteemi on-line arendamine (on-line modification and development).

Modelling continuous- and discrete-time systems with differential equations and finite state machines. Depiction and management of time in computer systems. Hybrid systems. Hardware and software of embedded computers. Sensors and actuators and their integration with embedded devices (ADC, I2C, SPI, etc.). Microcontrollers. Embedded operating systems, threads, scheduling, event-driven programming, forced parallelism. Networked embedded computing. Wired (CANbus, Fieldbus) and wireless networks (WiFi, Zigbee, 6LoWPAN, etc). Communication reliability, throughput, range and security, communication under disruptions. Data exchange and processing in cyber-physical systems. Wireless sensor networks, cloud, fog and mist computing. Data validity, reliability and integrity. Global and local time, simultaneity, synchronous and asynchronous communication. Direct, indirect and mediated interaction. Problem statement and requirements in cyber-physical systems design. Online modification and development.

Teadmiste kontroll toimub eksamil. Eksamile pääsemiseks tuleb sooritada iseseisvad kodutööd ja kontrolltööd.

Examination. A condition for admission to the examination is the completion of independent homework and the test.

32 tundi loenguid + 32 tundi praktikume ning harjutustunde + 92 tundi iseseisvat tööd.

32 tundi loenguid + 32 tundi praktikume ning harjutustunde + 92 tundi iseseisvat tööd.

E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems - A Cyber-Physical Systems Approach Second Edition, MIT Press, 2017 • 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 cyberphysical systems and mobile computing, Newnes, 2014 • Liu, Chi Harold, and Yan Zhang, eds. Cyber Physical Systems: Architectures, Protocols and Applications, CRC Press, 2015.

-