Optimal Observation for Cyber-physical Systems: A Fisher-information-matrix-based Approach

سیستم‌های فیزیکی-سایبری (CPS) تعامل بین یک سیستم محاسباتی و یک فرآیند فیزیکی را در بر می‌گیرد و از سیستم‌های تعبیه‌شده سنتی متمایز می‌شود که به‌عنوان شبکه‌ای از عناصر متقابل طراحی شده‌اند و نه به عنوان دستگاه‌های مجزا. شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN) که تمرکز تحقیق ارائه‌شده در اینجا هستند، نمونه‌هایی از کاربرد CPS در نظارت بر برخی کمیت‌های فیزیکی محیط و انتقال اطلاعات پردازش‌شده به یک هاب مرکزی هستند.

مشاهده بهینه برای سیستم‌های فیزیکی سایبری به چالشی می‌پردازد که در طراحی WSN‌ها اساسی است، که توسط مبادله اجباری بین برآوردهای دقیق و محدودیت‌های سیستم ارائه شده است. یک چارچوب نظری یکپارچه، بر اساس تئوری تثبیت شده طراحی آزمایشی بهینه و ارائه راه‌حل‌های ثابت برای مسائلی که تاکنون به رویکردهای متنوعی نیاز دارند، برای حل یک کلاس بزرگ از مسائل مشاهده بهینه ارائه شده است. ماتریس اطلاعات فیشر در این چارچوب نقش کلیدی ایفا می کند و ارائه راه حل های تحلیلی برای برخی از سوالات پیچیده و مهم که در گذشته قابل پاسخگویی نبودند را امکان پذیر می کند. مجموعه ای از فایل های MATLAB® نیز برای استفاده خواننده (از طریق دانلود از www.springer.com/978-1-84882-655-7) برای شبیه سازی آزمایش هایی که در کتاب توضیح داده شده است، ارائه شده است.

مشاهده بهینه برای سیستم‌های فیزیکی سایبری برای محققان دانشگاهی در WSN و برای خوانندگان با پیشینه کاربردی در پیاده‌سازی WSN که بیشتر درک نظری نظریه کلیدی را پیدا می‌کنند مورد علاقه خواهد بود. طراحی تجربی بهینه ای که آنها در این کتاب نیاز دارند. استفاده از مثال‌های چندگانه دنیای واقعی برای نشان دادن بخش‌های نظری کتاب، موضوع را نسبت به یک بحث تئوریک انتزاعی به تمرکز واضح‌تری می‌آورد. محققان علاقه مند به بهینه سازی محدب و پایش محیطی و تخمین آلودگی انتشار نیز متن خدمات را پیدا خواهند کرد.

Cyber-physical systems (CPS) embody the interaction between a computing system and a physical process, being distinguished from traditional embedded systems by being designed as networks of interacting elements rather than as isolated devices. The wireless sensor networks (WSNs) which are the focus of the research presented here are examples of the application of CPS in monitoring some physical quantities of the environment and relaying the processed information to a central hub.

Optimal Observation for Cyber-physical Systems addresses the challenge, fundamental to the design of WSNs, presented by the obligatory trade-off between precise estimates and system constraints. A unified theoretical framework, based on the well-established theory of optimal experimental design and providing consistent solutions to problems hitherto requiring a variety of approaches, is put forward to solve a large class of optimal observation problems. The Fisher information matrix plays a key role in this framework and makes it feasible to provide analytical solutions to some complex and important questions which could not be answered in the past. A set of MATLAB® files are also provided for the use of the reader (via download from www.springer.com/978-1-84882-655-7), to simulate the experiments that are described in the book.

Optimal Observation for Cyber-physical Systems will be of interest to academic researchers in WSNs and to readers with an applied background in WSN implementation who will find most of the theoretical understanding of the key theory of optimal experimental design they need within this book. The use of multiple real-world examples to illustrate the theoretical parts of the book brings the subject into sharper focus than would an abstract theoretical disquisition. Researchers interested in convex optimization and in environmental monitoring and the estimation of diffusive pollution will also find the text of service.