ID:
A001227
Durata (ore):
48
CFU:
6
Url:
ENGINEERING AND COMPUTER SCIENCE/PERCORSO COMUNE Anno: 1
Anno:
2023
Dati Generali
Periodo di attività
Secondo Semestre (26/02/2024 - 17/05/2024)
Syllabus
Obiettivi Formativi
- Fornire le conoscenze di base sugli aspetti teorici e pratici legati alla progettazione e all’analisi dei sistemi cyber-fisici con particolare riferimento alle tecniche di modellizzazione, alla comunicazione in ambito industriale e ai requisiti di affidabilità che ne derivano. Fornire un quadro generale delle varie categorie di tecnologie e protocolli disponibili e i principi di base del loro impiego.
- Consentire agli studenti di essere in grado di realizzare prototipi funzionali o simulazioni accurate di sistemi IoT industriali mediante l’applicazione delle metodologie apprese.
- Favorire l’autonomia dello studente che sarà messo in grado di avere una visione critica, influenzata dai modelli, sulle principali problematiche riguardanti i sistemi cyber-fisici in ambito industriale quali la presenza di requisiti real-time, i trade-off tra affidabilità e prestazioni ed i vincoli in termini di sicurezza, e di essere in grado di ideare e progettare in autonomia un sistema basato su IoT per l’industria, tenendo conto dell’insieme dei requisiti presenti.
- Far acquisire la terminologia di base e la capacità di interloquire con linguaggio tecnico appropriato alla disciplina. Lo studente sarà messo in grado di comunicare le motivazioni delle scelte tecniche adottate e di rappresentare adeguatamente i risultati ottenuti.
- Sviluppare nello studente un metodo di studio individuale adeguato a consentire l’approfondimento delle conoscenze acquisite. Fornire una capacità di aggiornamento autonomo rispetto all’avanzamento delle tecnologie abilitanti con particolare riferimento agli strumenti per la modellizzazione, la progettazione e la simulazione, come anche gli ambienti di sviluppo disciplinato ed esecuzione protetta, impiegati nell’ambito dei sistemi IoT industriali, ed ai principali standard per pile protocollari
Prerequisiti
Conoscenze di base di logica matematica (variabili booleane, operazioni logiche, teoria degli insiemi), analisi matematica (successioni, limiti, equazioni differenziali), di geometria differenziale (calcolo vettoriale e matriciale), dei principi della comunicazione elettrica, di reti di calcolatori (modelli di riferimento ISO-OSI e TCP/IP), di architettura degli elaboratori (unità di controllo, unità aritmetico-logica, memorie), di sistemi operativi (processi, thread, schedulazione), di informatica teorica (complessità computazionale), di programmazione a basso livello (paradigma procedurale, puntatori).
Metodi didattici
Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali in laboratorio. Sono inoltre previste esercitazioni in laboratorio guidate dal docente, con lo scopo di stimolare la capacità di applicare la conoscenza acquisita durante le lezioni frontali. Tutte le attività sono svolte con supporto di slide delle lezioni.
Verifica Apprendimento
Il corso prevede un’attività di progettazione sotto forma di realizzazione di un prototipo e di un elaborato scritto. L’obiettivo è consentire agli studenti di dimostrare la capacità di realizzare prototipi o simulazioni accurate di sistemi IoT industriali mediante l’applicazione delle metodologie apprese. L'argomento dell’attività di progettazione viene concordato con il docente. L’attività viene sottoposta al giudizio del docente che potrà approvare o respingere il progetto. Gli studenti per i quali il progetto viene approvato sono ammessi alla prova orale. L’obiettivo di tale prova è di verificare il livello di conoscenza acquisito dallo studente e la sua capacità di comunicare le motivazioni delle scelte tecniche adottate nonché di rappresentare adeguatamente i risultati ottenuti. Il voto finale è espresso in trentesimi e tiene conto della complessità dell’attività di progettazione e della qualità della prova orale.
Testi
- E. A. Lee & S. A. Seshia, “Introduction to Embedded Systems – A Cyber-Physical Systems Approach.”, 2nd edition, MIT Press, 2017
- R. Zurawski, “Industrial Communication Technology Handbook.”, 2nd edition, CRC Press, 2017
- R. Zurawski, “Industrial Communication Technology Handbook.”, 2nd edition, CRC Press, 2017
Contenuti
- INTRODUZIONE ALL’IIOT: definizioni e terminologia, relazione tra Cyber- Physical Systems ed Internet of Things, IoT per l’Industria 4.0, campi applicativi: smart manufacturing (CIM), automotive (ADAS, autonomous driving), requisiti.
- TECNOLOGIE ABILITANTI PER L’IIOT: pile protocollari low-energy/long- range.
- SERVICE-ORIENTED IIOT: API Web, protocolli constrained, modello pub- sub.
- COMUNICAZIONE IN AMBITO INDUSTRIALE: cenni sui sistemi di controllo distribuito ed IEC 62451, IEEE 802.1AS, IEC 61784/61158 e relativi profili, IEEE 802.15.4 ed estensioni per traffico real-time, protocollo Thread.
- MODELLAZIONE DI CPS: cenni sul controllo retroazionato e Digital Twin, Actor model, sistemi discreti, macchine a stati finiti, macchine a stati estese, nondeterminismo, tracce.
- SISTEMI IBRIDI: modelli modali, automi temporizzati, composizione concorrente, gerarchie di macchine a stati.
- CALCOLO CONCORRENTE: modelli sincrono-reattivi, modelli temporizzati, modelli time-triggered, modelli basati su flussi dati, ambienti di sviluppo basati su flussi – Node-RED e DNR, supervisione presso stazioni di controllo – cruscotti.
- PRINCIPI DI PROGETTAZIONE DI CPS: trasduttori e loro caratterizzazione, tipi di processori, memorie ed I/O, multitasking e schedulazione, cenni introduttivi su schedulazione real-time ed RTOS.
- ELEMENTI DI PROGRAMMAZIONE SICURA ED AFFIDABILE: undefined behaviour, controlli a runtime ed a compile-time, reference counting, linguaggi e tool.
- METODI DI PROGETTAZIONE PER L’IOT: sincronizzazione e coordinazione, clock logici, protocolli di consistenza, tolleranza ai guasti, consenso distribuito - Paxos, Raft, PBFT.
- REGISTRI DISTRIBUITI PER L’IOT: blockchain, machine virtuali decentralizzate e smart contract, casi d’uso per l’Industrial IoT.
- ANALISI E VERIFICA DI PROGETTO: invarianti, logica temporale lineare, equivalenza e raffinamento, simulazione, analisi di raggiungibilità, model checking, analisi quantitativa basata su grafi, tempo di esecuzione, limiti, proprietà di sicurezza.
- TECNOLOGIE ABILITANTI PER L’IIOT: pile protocollari low-energy/long- range.
- SERVICE-ORIENTED IIOT: API Web, protocolli constrained, modello pub- sub.
- COMUNICAZIONE IN AMBITO INDUSTRIALE: cenni sui sistemi di controllo distribuito ed IEC 62451, IEEE 802.1AS, IEC 61784/61158 e relativi profili, IEEE 802.15.4 ed estensioni per traffico real-time, protocollo Thread.
- MODELLAZIONE DI CPS: cenni sul controllo retroazionato e Digital Twin, Actor model, sistemi discreti, macchine a stati finiti, macchine a stati estese, nondeterminismo, tracce.
- SISTEMI IBRIDI: modelli modali, automi temporizzati, composizione concorrente, gerarchie di macchine a stati.
- CALCOLO CONCORRENTE: modelli sincrono-reattivi, modelli temporizzati, modelli time-triggered, modelli basati su flussi dati, ambienti di sviluppo basati su flussi – Node-RED e DNR, supervisione presso stazioni di controllo – cruscotti.
- PRINCIPI DI PROGETTAZIONE DI CPS: trasduttori e loro caratterizzazione, tipi di processori, memorie ed I/O, multitasking e schedulazione, cenni introduttivi su schedulazione real-time ed RTOS.
- ELEMENTI DI PROGRAMMAZIONE SICURA ED AFFIDABILE: undefined behaviour, controlli a runtime ed a compile-time, reference counting, linguaggi e tool.
- METODI DI PROGETTAZIONE PER L’IOT: sincronizzazione e coordinazione, clock logici, protocolli di consistenza, tolleranza ai guasti, consenso distribuito - Paxos, Raft, PBFT.
- REGISTRI DISTRIBUITI PER L’IOT: blockchain, machine virtuali decentralizzate e smart contract, casi d’uso per l’Industrial IoT.
- ANALISI E VERIFICA DI PROGETTO: invarianti, logica temporale lineare, equivalenza e raffinamento, simulazione, analisi di raggiungibilità, model checking, analisi quantitativa basata su grafi, tempo di esecuzione, limiti, proprietà di sicurezza.
Lingua Insegnamento
INGLESE
Corsi
Corsi
ENGINEERING AND COMPUTER SCIENCE
Laurea Magistrale
2 anni
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Persone
Persone
Professori/esse Associati/e
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