數據驅動的信息物理系統（英文版）

Contents

Chapter 1  Introduction to Data-driven Cyber Physical Systems 1

1.1  What are cyber physical systems? 2

1.2  Data-driven approaches for CPS 3

1.3  Importance of DDCPS 3

1.4  Key challenges in DDCPS 4

1.5  Applications of DDCPS 11

1.6  Evolution of data-driven approaches in cyber physical systems 12

1.7  How can data be used to improve cyber physical systems? 15

1.8  Overview of the book 18

References 18

Chapter 2  Fundamentals of Data-driven Cyber Physical Systems 20

2.1  Definitions 20

2.1.1  Definitions of CPS 20

2.1.2  Definitions of DDCPS 31

2.2  Characteristics of DDCPS 34

2.2.1  Networked communication 35

2.2.2  Scalability 36

2.2.3  Heterogeneity 38

2.2.4  Interdisciplinary 39

2.2.5  Real-time processing 40

2.2.6  Real-time decision-making 41

2.3  Components of DDCPS 41

2.3.1  Sensing components 41

2.3.2  Computational components 42

2.3.3  Communication components 43

2.3.4  Control components 44

2.4  Examples of DDCPS in different industries 45

2.4.1  Smart grids 45

2.4.2  Agriculture 46

2.4.3  Healthcare 47

2.4.4  Intelligent transportation 49

2.4.5  Smart manufacturing 51

2.5  Challenges of DDCPS 53

2.5.1  Data storage 54

2.5.2  Integration 55

2.5.3  Communication 56

2.5.4  Cybersecurity 57

2.5.5  System stability 58

2.6  Summary 60

References 60

Chapter 3  Data Collection in Cyber Physical Systems 66

3.1  Sensors and auxiliary components 66

3.1.1  Type of sensor and auxiliary components 67

3.1.2  Factors for selecting sensors and auxiliary components 71

3.1.3  Typical scenarios for data collection  75

3.2  Types of data 79

3.2.1  One dimensional data 81

3.2.2  Image and video data 83

3.2.3  Other types of data 85

3.3  Real time and latency 87

3.3.1  Techniques for reducing latency 88

3.3.2  Key considerations of real time and latency 92

3.3.3  Evaluating the performance 95

3.4  Data quality and reliability issues 98

3.4.1  Data preprocessing techniques 100

3.4.2  Impact of data redundancy on reliability 103

3.4.3  Data validation techniques 104

3.5  Summary 107

References 108

Chapter 4  Data Storage and Management in Cyber Physical Systems 115

4.1  Types of data storage for DDCPS 116

4.1.1  An introduction to data storage in DDCPS 116

4.1.2  Explore data storage instances in the system 128

4.2  Data management and processing techniques 131

4.2.1  Database management techniques 133

4.2.2  Data processing techniques 137

4.3  Big data processing technology of DDCPS 140

4.3.1  Data process for storage and management 141

4.3.2  Storage for DDCPS 141

4.3.3  Management for DDCPS 143

4.3.4  Big data for DDCPS 144

4.4  Summary 144

References 145

Chapter 5  Data Integration and Fusion in Cyber Physical Systems 153

5.1  Data integration and fusion 153

5.1.1  CPS data characteristics 154

5.1.2  CPS data integration 155

5.1.3  CPS data fusion 156

5.1.4  Data integration and fusion framework  157

5.1.5  Data representation 160

5.2  Techniques for fusing data from multiple sources 161

5.2.1  Stage-based data fusion methods 161

5.2.2  Semantic meaning-based data fusion  163

5.2.3  Artificial intelligence-based data fusion 170

5.3  CPS data integration and fusion case studies 173

5.3.1  Cloud-integrated CPS for smart cities case study 173

5.3.2  Data fusion framework for smart healthcare case study 175

5.4  Challenges and future work opportunities 179

5.4.1  Integrated models challenges 179

5.4.2  CPS data fusion challenges 181

5.4.3  Future work opportunities 185

5.5  Summary 187

References 188

Chapter 6  Data-driven Modeling and Simulation in Cyber Physical Systems 194

6.1  Importance of modeling and simulation in cyber physical systems 195

6.1.1  Importance of complex system modeling for CPS 197

6.1.2  Importance of complex system simulation for CPS 200

6.1.3  Benefits of modeling and simulation in CPS 203

6.2  Data-driven modeling techniques 205

6.2.1  Introduction to data-driven modeling  207

6.2.2  Types of data-driven models used in CPS 210

6.2.3  Methods for model selection and validation 226

6.2.4  Examples of data-driven modeling in CPS applications 229

6.3  Simulation and testing of cyber physical systems using data-driven models 230

6.3.1  Introduction to data-driven simulation  232

6.3.2  Types of data-driven simulation used in CPS 234

6.3.3  Model validation and uncertainty quantification 237

6.3.4  Case studies of simulation and testing using data-driven models in CPS

applications 238

6.4  Summary 240

References 241

Chapter 7  Fault Detection and Predictive Maintenance in Cyber Physical

Systems 247

7.1  An overview of fault detection and maintenance 247

7.1.1  The development of CPS fault detection  248

7.1.2  The development of CPS maintenance  250

7.1.3  Future trends of fault detection and predictive maintenance 251

7.2  Data-driven approaches for fault detection and predictive maintenance 253

7.2.1  Data-driven fault detection approaches  254

7.2.2  Data-driven predictive maintenance approaches 259

7.2.3  Discussion of fault detection and predictive maintenance 264

7.3  Applications of fault detection and predictive maintenance 266

7.3.1  Application background of fault detection and predictive maintenance 267

7.3.2  Case studies of fault detection and predictive maintenance 273

7.3.3  Challenges in cases 283

7.4  Summary 285

References 285

Chapter 8  Cybersecurity in Data-driven Cyber Physical System 291

8.1  Cyber attacks in data-driven CPS 293

8.1.1  Attacks at the perception layer 294

8.1.2  Attacks at the transmission layer 297

8.1.3  Attacks at the platform layer 299

8.1.4  Attacks at the application layer 301

8.2  Requirements of cybersecurity 302

8.2.1  Objective of cybersecurity 302

8.2.2  Hardware security 303

8.2.3  Software security 305

8.2.4  Network security 306

8.2.5  Data security 307

8.3  Importance of cybersecurity in data-driven CPS 308

8.3.1  Data integrity and accuracy 309

8.3.2  Privacy and confidentiality 310

8.3.3  System resilience and availability  311

8.3.4  Regulatory requirements 313

8.4  Challenges of cybersecurity in data-driven CPS 314

8.4.1  Data-driven techniques for attack detection and mitigation 314

8.4.2  Data trustworthiness and policy-based sharing 316

8.4.3  Risk-based security metrics 317

8.5  Data-driven techniques of cybersecurity in CPS 318

8.5.1  Data-driven attack detection and migitation 319

8.5.2  Data-driven data confidence assessment  330

8.5.3  Risk assessment metrics 332

8.6  Summary 334

References 334

Chapter 9  Future of Data-driven Cyber Physical Systems  345

9.1  Potential impacts 345

9.2  Emerging trends and technologies in DDCPS 349

9.3  Societal and ethical implications 351

9.4  Concluding remarks 353

Acknowledgements 355