工业大数据融合体系结构与关键技术

　　本书针对工业大数据的融合架构与关键技术进行了研究，在对工业4.0、物联网和云计算进行分析的基础上，从定义、技术以及管理三个方面对大数据进行了阐述，给出了工业大数据融合研究与应用的体系结构。针对工业制造领域的特定应用场景，充分研究了数据的感知、采集和异常检测技术，阐述了现有方法的利弊，分析了存在的问题，并提出了一系列创新的解决方案。

　　高聪，男，1985年11月生，西安电子科技大学计算机科学与技术专业学士，计算机系统结构专业硕士、博士。自2015年12月至今，在西安邮电大学计算机学院任教，主要研究方向：数据感知与融合、边缘计算和无线传感器网络。近5年来，主持陕西省科学技术厅国际科技合作计划项目1项、工业和信息化部通信软科学研究计划项目1项、陕西省教育厅自然科学专项科研项目1项，以第一作者发表英文论文12篇，其中被SCI检索5篇、EI检索5篇、CPCI-S检索1篇，出版学术专著2部，获得国家发明专利授权2项，登记软件著作权9件，研究领域内相关科研报道见报3次。

前言

第1章　绪论  1

1.1　工业4.0  1

1.1.1　发展历程  1

1.1.2　设计原则  2

1.1.3　成熟度模型  4

1.2　信息物理系统  5

1.2.1　发展阶段  5

1.2.2　体系结构  5

1.2.3　关键技术  8

1.3　大数据  13

1.3.1　大数据的定义  13

1.3.2　大数据带来的挑战  16

1.3.3　大数据技术  21

1.3.4　大数据管理  44

第2章　工业无线传感器网络数据融合  53

2.1　引言  53

2.1.1　工业4.0与智能工厂  53

2.1.2　传感器云  57

2.1.3　工业无线传感器网络与传感器云  59

2.2　数据融合体系结构  65

2.2.1　多源异构数据的统一描述与管理机制  65

2.2.2　基于传感器技术的工业无线传感器网络  70

2.3　基于分布式云的数据感知与管理软件  92

2.3.1　功能描述  92

2.3.2　设计与实现  93

2.3.3　典型应用场景  102

2.3.4　运行环境及安装流程  102

2.3.5　使用说明  106

第3章　面向工业4.0的数据采集机制  110

3.1　引言  110

3.2　设施位置问题  113

3.2.1　设施位置问题概述  113

3.2.2　k中点问题  114

3.3　低开销的虚拟传感器管理机制  115

3.3.1　k资源调度器  116

3.3.2　渐进交换算法  125

3.3.3　贪心算法  127

3.3.4　RK算法  129

3.4　实验与分析  131

3.4.1　参数设置  131

3.4.2　结果与分析  132

第4章　工业过程数据的故障预测与质量预测  140

4.1　引言  140

4.2　相关工作与背景知识  141

4.3　基于高斯过程回归的预测模型  144

4.3.1　单步预测模型  144

4.3.2　基于时间序列的多步预测  147

4.3.3　基于高斯过程回归的基本模型和反馈模型  148

4.4　实验与分析  148

4.4.1　TE模拟平台  148

4.4.2　对比实验  149

4.4.3　评价指标  151

4.4.4　实验核函数构建  151

4.4.5　结果与分析  152

第5章　时间序列数据的模式异常检测  163

5.1　引言  163

5.2　相关工作  166

5.3　定义  170

5.4　骨架模式表示异常检测方法  171

5.4.1　基于可感知重要点的骨架表示  171

5.4.2　模式表示  174

5.4.3　基于骨架模式表示的异常检测  175

5.5　实验与分析  177

5.5.1　性能指标  177

5.5.2　针对合成数据集的实验  178

5.5.3　针对真实数据集的实验  185

第6章　时间序列数据的异常值检测  190

6.1　引言  190

6.2　异常值检测技术综述  193

6.2.1　常见的异常值检测技术  193

6.2.2　隔离森林  196

6.2.3　本地异常值因子  198

6.3　基于最近邻居集合的隔离方案  200

6.3.1　问题陈述  200

6.3.2　基于最近邻居集合的隔离  202

6.3.3　面向无线传感器网络的分布式检测模型  205

6.4　实验与分析  210

6.4.1　数据集  211

6.4.2　性能指标  213

6.4.3　结果与分析  214

第7章　总结与展望  225

参考文献  231

主要缩略语对照表  263