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Produktbild: Cyber-Physical Systems

Cyber-Physical Systems Theory, Methodology, and Applications

138,99 €

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Beschreibung

Produktdetails

Einband

Gebundene Ausgabe

Erscheinungsdatum

17.05.2022

Verlag

John Wiley & Sons Inc

Seitenzahl

288

Maße (L/B/H)

23,5/15,7/2 cm

Gewicht

568 g

Auflage

1. Auflage

Sprache

Englisch

ISBN

978-1-119-78516-3

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Gebundene Ausgabe

Erscheinungsdatum

17.05.2022

Verlag

John Wiley & Sons Inc

Seitenzahl

288

Maße (L/B/H)

23,5/15,7/2 cm

Gewicht

568 g

Auflage

1. Auflage

Sprache

Englisch

ISBN

978-1-119-78516-3

Herstelleradresse

Libri GmbH
Europaallee 1
36244 Bad Hersfeld
DE

Email: gpsr@libri.de

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  • Produktbild: Cyber-Physical Systems

  • Preface xi

    1 Introduction 1

    1.1 Cyber-Physical Systems in 2020 1

    1.2 Need for a General Theory 3

    1.3 Historical Highlights: Control Theory, Information Theory, and Cybernetics 6

    1.4 Philosophical Background 9

    1.5 Book Structure 14

    1.6 Summary 15

    Exercises 15

    References 16

    Part I 19

    2 System 21

    2.1 Introduction 21

    2.2 Systems Engineering 22

    2.3 Demarcation of Specific Systems 24

    2.4 Classification of Systems 28

    2.4.1 Natural and Human-Made Systems 29

    2.4.2 Material and Conceptual Systems 29

    2.4.3 Static and Dynamic Systems 30

    2.4.4 Closed and Open Systems 31

    2.5 Maxwell's Demon as a System 31

    2.5.1 System Demarcation 33

    2.5.2 Classification 33

    2.5.3 Discussions 34

    2.6 Summary 35

    Exercises 36

    References 37

    3 Uncertainty 39

    3.1 Introduction 39

    3.2 Games and Uncertainty 40

    3.3 Uncertainty and Probability Theory 45

    3.4 Random Variables: Dependence and Stochastic Processes 56

    3.5 Summary 63

    Exercises 63

    References 64

    4 Information 67

    4.1 Introduction 67

    4.2 Data and Information 68

    4.3 Information and Its Different Forms 75

    4.3.1 Mathematical Information and Communication 76

    4.3.2 Semantic Information 77

    4.3.3 Biological Information 78

    4.3.4 Physical Information 79

    4.4 Physical and Symbolic Realities 79

    4.5 Summary 82

    Exercises 82

    References 84

    5 Network 87

    5.1 Introduction 87

    5.2 Network Types 92

    5.2.1 Peer-to-Peer Networks 93

    5.2.2 One-to-Many, Many-to-One, and Star Networks 93

    5.2.3 Complete and Erdös-Rényi Networks 94

    5.2.4 Line, Ring, and Regular Networks 94

    5.2.5 Watts-Strogatz, Barabási-Albert and Other Networks 95

    5.3 Processes on Networks and Applications 96

    5.3.1 Communication Systems 97

    5.3.2 Transportation in Cities 98

    5.3.3 Virus Propagation and Epidemiology 99

    5.4 Limitations 101

    5.4.1 From (Big) Data to Mathematical Abstractions 101

    5.4.2 From Mathematical Abstractions to Models of Physical Processes 103

    5.4.3 Universality and Cross-Domain Issues 103

    5.5 Summary 105

    Exercises 105

    References 106

    6 Decisions and Actions 109

    6.1 Introduction 109

    6.2 Forms of Decision-Making 110

    6.3 Optimization 113

    6.4 Game Theory 117

    6.5 Rule-Based Decisions 123

    6.6 Limitations 124

    6.7 Summary 126

    Exercises 126

    References 129

    Part II 131

    7 The Three Layers of Cyber-Physical Systems 133

    7.1 Introduction 133

    7.2 Physical Layer, Measuring, and Sensing Processes 137

    7.3 Data Layer and Informing Processes 139

    7.4 Decision Layer and Acting Processes 144

    7.5 Self-developing Reflexive-Active System and Cyber-Physical Systems 145

    7.6 Layer-Based Protocols and Cyber-Physical Systems Design 147

    7.7 Summary 152

    Exercises 152

    References 153

    8 Dynamics of Cyber-Physical Systems 155

    8.1 Introduction 155

    8.2 Dynamics of Cyber-Physical Systems 159

    8.2.1 Elementary Cellular Automaton 159

    8.2.2 Example of a Cyber-Physical System 163

    8.2.3 Observable Attributes and Performance Metrics 164

    8.2.4 Optimization 167

    8.3 Failures and Layer-Based Attacks 170

    8.4 Summary 174

    Exercises 174

    References 174

    Part III 177

    9 Enabling Information and Communication Technologies 179

    9.1 Introduction 179

    9.2 Data Networks and Wireless Communications 180

    9.2.1 Network Layers and Their Protocols 181

    9.2.2 Network: Edge and Core 185

    9.2.3 IoT, Machine-Type Communications, and 5G 187

    9.3 Artificial Intelligence and Machine Learning 189

    9.3.1 Machine Learning: Data, Model, and Loss Function 191

    9.3.2 Formalizing and Solving a ML Problem 191

    9.3.3 ml Methods 193

    9.4 Decentralized Computing and Distributed Ledger Technology 194

    9.4.1 Federated Learning and Decentralized Machine Learning 194

    9.4.2 Blockchain and Distributed Ledger Technology 196

    9.5 Future Technologies: A Look at the Unknown Future 198

    9.5.1 Quantum Internet 198

    9.5.2 Internet of Bio-Nano Things 199

    9.5.3 After Moore's Law 200

    9.6 Summary 202

    Exercises 202

    References 204

    10 Applications 207

    10.1 Introduction 207

    10.2 Cyber-Physical Industrial System 209

    10.2.1 Tennessee Eastman Process 209

    10.2.2 Tennessee Eastman Process as a Cyber-Physical System 211

    10.2.3 Example of Fault Detection in the TEP 214

    10.3 Cyber-Physical Energy System 215

    10.3.1 Electricity Power Grid as a System 216

    10.3.2 Frequency Regulation by Smart Fridges 218

    10.3.3 Challenges in Demand-Side Management in Cyber-Physical Energy Systems 222

    10.4 Other Examples 223

    10.4.1 Cyber-Physical Public Health Surveillance System 223

    10.4.2 Mobile Application for Real-Time Traffic Routes 224

    10.5 Summary 226

    Exercises 227

    References 230

    11 Beyond Technology 233

    11.1 Introduction 233

    11.2 Governance Models 235

    11.2.1 Markets 235

    11.2.2 Central Planning 238

    11.2.3 Commons 240

    11.2.4 Final Remarks About Governance Models 245

    11.3 Social Implications of the Cyber Reality 245

    11.3.1 Data Ownership 245

    11.3.2 Global Platforms 246

    11.3.3 Fake News 247

    11.3.4 Hybrid Warfare 248

    11.4 The Cybersyn Project 251

    11.5 Summary 253

    Exercises 253

    References 254

    12 Closing Words 259

    12.1 Strong Theory Leads to Informed Practices 260

    12.2 Open Challenges in CPSs 261

    12.3 CPSs and the Fourth Industrial Revolution 262

    12.4 Building the Future 263

    Exercises 263

    Index 265