Intelligent context-aware services based on internet of things architectures

La Internet de las Cosas (IoT), como parte de la Futura Internet, se ha convertido en la actualidad en uno de los principales temas de investigación; en parte gracias a la atención que la sociedad está poniendo en el desarrollo de determinado tipo de servicios (telemetría, generación inteligente de energía, telesanidad, etc.) y por las recientes previsiones económicas que sitúan a algunos actores, como los operadores de telecomunicaciones (que se encuentran desesperadamente buscando nuevas oportunidades), al frente empujando algunas tecnologías interrelacionadas como las comunicaciones Máquina a Máquina (M2M). En este contexto, un importante número de actividades de investigación a nivel mundial se están realizando en distintas facetas: comunicaciones de redes de sensores, procesado de información, almacenamiento de grandes cantidades de datos (big--‐data), semántica, arquitecturas de servicio, etc. Todas ellas, de forma independiente, están llegando a un nivel de madurez que permiten vislumbrar la realización de la Internet de las Cosas más que como un sueño, como una realidad tangible. Sin embargo, los servicios anteriormente mencionados no pueden esperar a desarrollarse hasta que las actividades de investigación obtengan soluciones holísticas completas. Es importante proporcionar resultados intermedios que eviten soluciones verticales realizadas para desarrollos particulares. En este trabajo, nos hemos focalizado en la creación de una plataforma de servicios que pretende facilitar, por una parte la integración de redes de sensores y actuadores heterogéneas y geográficamente distribuidas, y por otra lado el desarrollo de servicios horizontales utilizando dichas redes y la información que proporcionan. Este habilitador se utilizará para el desarrollo de servicios y para la experimentación en la Internet de las Cosas. Previo a la definición de la plataforma, se ha realizado un importante estudio focalizando no sólo trabajos y proyectos de investigación, sino también actividades de estandarización. Los resultados se pueden resumir en las siguientes aseveraciones: a) Los modelos de datos definidos por el grupo “Sensor Web Enablement” (SWE™) del “Open Geospatial Consortium (OGC®)” representan hoy en día la solución más completa para describir las redes de sensores y actuadores así como las observaciones. b) Las interfaces OGC, a pesar de las limitaciones que requieren cambios y extensiones, podrían ser utilizadas como las bases para acceder a sensores y datos. c) Las redes de nueva generación (NGN) ofrecen un buen sustrato que facilita la integración de redes de sensores y el desarrollo de servicios. En consecuencia, una nueva plataforma de Servicios, llamada Ubiquitous Sensor Networks (USN), se ha definido en esta Tesis tratando de contribuir a rellenar los huecos previamente mencionados. Los puntos más destacados de la plataforma USN son: a) Desde un punto de vista arquitectónico, sigue una aproximación de dos niveles (Habilitador y Gateway) similar a otros habilitadores que utilizan las NGN (como el OMA Presence). b) Los modelos de datos están basado en los estándares del OGC SWE. iv c) Está integrado en las NGN pero puede ser utilizado sin ellas utilizando infraestructuras IP abiertas. d) Las principales funciones son: Descubrimiento de sensores, Almacenamiento de observaciones, Publicacion--‐subscripcion--‐notificación, ejecución remota homogénea, seguridad, gestión de diccionarios de datos, facilidades de monitorización, utilidades de conversión de protocolos, interacciones síncronas y asíncronas, soporte para el “streaming” y arbitrado básico de recursos. Para demostrar las funcionalidades que la Plataforma USN propuesta pueden ofrecer a los futuros escenarios de la Internet de las Cosas, se presentan resultados experimentales de tres pruebas de concepto (telemetría, “Smart Places” y monitorización medioambiental) reales a pequeña escala y un estudio sobre semántica (sistema de información vehicular). Además, se está utilizando actualmente como Habilitador para desarrollar tanto experimentación como servicios reales en el proyecto Europeo SmartSantander (que aspira a integrar alrededor de 20.000 dispositivos IoT). v Abstract Internet of Things, as part of the Future Internet, has become one of the main research topics nowadays; in part thanks to the pressure the society is putting on the development of a particular kind of services (Smart metering, Smart Grids, eHealth, etc.), and by the recent business forecasts that situate some players, like Telecom Operators (which are desperately seeking for new opportunities), at the forefront pushing for some interrelated technologies like Machine--‐to--‐Machine (M2M) communications. Under this context, an important number of research activities are currently taking place worldwide at different levels: sensor network communications, information processing, big--‐ data storage, semantics, service level architectures, etc. All of them, isolated, are arriving to a level of maturity that envision the achievement of Internet of Things (IoT) more than a dream, a tangible goal. However, the aforementioned services cannot wait to be developed until the holistic research actions bring complete solutions. It is important to come out with intermediate results that avoid vertical solutions tailored for particular deployments. In the present work, we focus on the creation of a Service--‐level platform intended to facilitate, from one side the integration of heterogeneous and geographically disperse Sensors and Actuator Networks (SANs), and from the other the development of horizontal services using them and the information they provide. This enabler will be used for horizontal service development and for IoT experimentation. Prior to the definition of the platform, we have realized an important study targeting not just research works and projects, but also standardization topics. The results can be summarized in the following assertions: a) Open Geospatial Consortium (OGC®) Sensor Web Enablement (SWE™) data models today represent the most complete solution to describe SANs and observations. b) OGC interfaces, despite the limitations that require changes and extensions, could be used as the bases for accessing sensors and data. c) Next Generation Networks (NGN) offer a good substrate that facilitates the integration of SANs and the development of services. Consequently a new Service Layer platform, called Ubiquitous Sensor Networks (USN), has been defined in this Thesis trying to contribute to fill in the previous gaps. The main highlights of the proposed USN Platform are: a) From an architectural point of view, it follows a two--‐layer approach (Enabler and Gateway) similar to other enablers that run on top of NGN (like the OMA Presence). b) Data models and interfaces are based on the OGC SWE standards. c) It is integrated in NGN but it can be used without it over open IP infrastructures. d) Main functions are: Sensor Discovery, Observation Storage, Publish--‐Subscribe--‐Notify, homogeneous remote execution, security, data dictionaries handling, monitoring facilities, authorization support, protocol conversion utilities, synchronous and asynchronous interactions, streaming support and basic resource arbitration. vi In order to demonstrate the functionalities that the proposed USN Platform can offer to future IoT scenarios, some experimental results have been addressed in three real--‐life small--‐scale proofs--‐of concepts (Smart Metering, Smart Places and Environmental monitoring) and a study for semantics (in--‐vehicle information system). Furthermore we also present the current use of the proposed USN Platform as an Enabler to develop experimentation and real services in the SmartSantander EU project (that aims at integrating around 20.000 IoT devices).

A novel context ontology to facilitate interoperation of semantic services in environments with wearable devices

The LifeWear-Mobilized Lifestyle with Wearables (Lifewear) project attempts to create Ambient Intelligence (AmI) ecosystems by composing personalized services based on the user information, environmental conditions and reasoning outputs. Two of the most important benefits over traditional environments are 1) take advantage of wearable devices to get user information in a nonintrusive way and 2) integrate this information with other intelligent services and environmental sensors. This paper proposes a new ontology composed by the integration of users and services information, for semantically representing this information. Using an Enterprise Service Bus, this ontology is integrated in a semantic middleware to provide context-aware personalized and semantically annotated services, with discovery, composition and orchestration tasks. We show how these services support a real scenario proposed in the Lifewear project.

Guidelines for the design of an environmental flow regime program at the regional scale: Application of the ELOHA framework in the Ebro River basin

La gestión de los recursos hídricos se convierte en un reto del presente y del futuro frente a un panorama de continuo incremento de la demanda de agua debido al crecimiento de la población, el crecimiento del desarrollo económico y los posibles efectos del calentamiento global. La política hidráulica desde los años 60 en España se ha centrado en la construcción de infraestructuras que han producido graves alteraciones en el régimen natural de los ríos. Estas alteraciones han provocado y acrecentado los impactos sobre los ecosistemas fluviales y ribereños. Desde los años 90, sin embargo, ha aumentado el interés de la sociedad para conservar estos ecosistemas. El concepto de caudales ambientales consiste en un régimen de caudales que simula las características principales del régimen natural. Los caudales ambientales están diseñados para conservar la estructura y funcionalidad de los ecosistemas asociados al régimen fluvial, bajo la hipótesis de que los elementos que conforman estos ecosistemas están profundamente adaptados al régimen natural de caudales, y que cualquier alteración del régimen natural puede provocar graves daños a todo el sistema. El método ELOHA (Ecological Limits of Hydrological Alteration) tiene como finalidad identificar las componentes del régimen natural de caudales que son clave para mantener el equilibrio de los ecosistemas asociados, y estimar los límites máximos de alteración de estas componentes para garantizar su buen estado. Esta tesis presenta la aplicación del método ELOHA en la cuenca del Ebro. La cuenca del Ebro está profundamente regulada e intervenida por el hombre, y sólo las cabeceras de los principales afluentes del Ebro gozan todavía de un régimen total o cuasi natural. La tesis se estructura en seis capítulos que desarrollan las diferentes partes del método. El primer capítulo explica cómo se originó el concepto “caudales ambientales” y en qué consiste el método ELOHA. El segundo capítulo describe el área de estudio. El tercer capítulo realiza una clasificación de los regímenes naturales de la cuenca (RNC) del Ebro, basada en series de datos de caudal mínimamente alterado y usando exclusivamente parámetros hidrológicos. Se identificaron seis tipos diferentes de régimen natural: pluvial mediterráneo, nivo-pluvial, pluvial mediterréaneo con una fuerte componente del caudal base, pluvial oceánico, pluvio-nival oceánico y Mediterráneo. En el cuarto capítulo se realiza una regionalización a toda la cuenca del Ebro de los seis RNC encontrados en la cueca. Mediante parámetros climáticos y fisiográficos se extrapola la información del tipo de RNC a puntos donde no existen datos de caudal inalterado. El patrón geográfico de los tipos de régimen fluvial obtenido con la regionalización resultó ser coincidente con el patrón obtenido a través de la clasificación hidrológica. El quinto capítulo presenta la validación biológica de los procesos de clasificación anteriores: clasificación hidrológica y regionalización. La validación biológica de los tipos de regímenes fluviales es imprescindible, puesto que los diferentes tipos de régimen fluvial van a servir de unidades de gestión para favorecer el mantenimiento de los ecosistemas fluviales. Se encontraron diferencias significativas entre comunidades biológicas en cinco de los seis tipos de RNC encontrados en la cuenca. Finalmente, en el sexto capítulo se estudian las relaciones hidro-ecológicas existentes en tres de los seis tipos de régimen fluvial encontrados en la cuenca del Ebro. Mediante la construcción de curvas hidro-ecológicas a lo largo de un gradiente de alteración hidrológica, se pueden sugerir los límites de alteración hidrológica (ELOHAs) para garantizar el buen estado ecológico en cada uno de los tipos fluviales estudiados. Se establecieron ELOHAs en tres de los seis tipos de RNC de la cuenca del Ebro Esta tesis, además, pone en evidencia la falta de datos biológicos asociados a registros de caudal. Para llevar a cabo la implantación de un régimen de caudales ambientales en la cuenca, la ubicación de los puntos de muestreo biológico cercanos a estaciones de aforo es imprescindible para poder extraer relaciones causa-efecto de la gestión hidrológica sobre los ecosistemas dependientes. ABSTRACT In view of a growing freshwater demand because of population raising, improvement of economies and the potential effects of climate change, water resources management has become a challenge for present and future societies. Water policies in Spain have been focused from the 60’s on constructing hydraulic infrastructures, in order to dampen flow variability and granting water availability along the year. Consequently, natural flow regimes have been deeply altered and so the depending habitats and its ecosystems. However, an increasing acknowledgment of societies for preserving healthy freshwater ecosystems started in the 90’s and agreed that to maintain healthy freshwater ecosystems, it was necessary to set environmental flow regimes based on the natural flow variability. The Natural Flow Regime paradigm (Richter et al. 1996, Poff et al. 1997) bases on the hypothesis that freshwater ecosystems are made up by elements adapted to natural flow conditions, and any change on these conditions can provoke deep impacts on the whole system. Environmental flow regime concept consists in designing a flow regime that emulates natural flow characteristics, so that ecosystem structure, functions and services are maintained. ELOHA framework (Ecological Limits of Hydrological Alteration) aims to identify key features of the natural flow regime (NFR) that are needed to maintain and preserve healthy freshwater and riparian ecosystems. Moreover, ELOHA framework aims to quantify thresholds of alteration of these flow features according to ecological impacts. This thesis describes the application of the ELOHA framework in the Ebro River Basin. The Ebro River basin is the second largest basin in Spain and it is highly regulated for human demands. Only the Ebro headwaters tributaries still have completely unimpaired flow regime. The thesis has six chapters and the process is described step by step. The first chapter makes an introduction to the origin of the environmental flow concept and the necessity to come up. The second chapter shows a description of the study area. The third chapter develops a classification of NFRs in the basin based on natural flow data and using exclusively hydrological parameters. Six NFRs were found in the basin: continental Mediterranean-pluvial, nivo-pluvial, continental Mediterranean pluvial (with groundwater-dominated flow pattern), pluvio-oceanic, pluvio-nival-oceanic and Mediterranean. The fourth chapter develops a regionalization of the six NFR types across the basin by using climatic and physiographic variables. The geographical pattern obtained from the regionalization process was consistent with the pattern obtained with the hydrologic classification. The fifth chapter performs a biological validation of both classifications, obtained from the hydrologic classification and the posterior extrapolation. When the aim of flow classification is managing water resources according to ecosystem requirements, a validation based on biological data is compulsory. We found significant differences in reference macroinvertebrate communities between five over the six NFR types identified in the Ebro River basin. Finally, in the sixth chapter we explored the existence of significant and explicative flow alteration-ecological response relationships (FA-E curves) within NFR types in the Ebro River basin. The aim of these curves is to find out thresholds of hydrological alteration (ELOHAs), in order to preserve healthy freshwater ecosystem. We set ELOHA values in three NFR types identified in the Ebro River basin. During the development of this thesis, an inadequate biological monitoring in the Ebro River basin was identified. The design and establishment of appropriate monitoring arrangements is a critical final step in the assessment and implementation of environmental flows. Cause-effect relationships between hydrology and macroinvertebrate community condition are the principal data that sustain FA-E curves. Therefore, both data sites must be closely located, so that the effects of external factors are minimized. The scarce hydro-biological pairs of data available in the basin prevented us to apply the ELOHA method at all NFR types.

New agri-environmental policies for the sustainability of mountainous olive farming. Evidences from Andalusia, Spain

La sostenibilidad de los sistemas olivareros situados en zonas de pendiente y montaña (SMOPS) en Andalucía se encuentra actualmente amenazada por las elevadas tasas de abandono que afectan a estos sistemas productivos. Así, la consumación de este proceso de abandono, no sólo pondría en peligro a las propias explotaciones, sino a todo el conjunto de bienes y servicios no productivos y al patrimonio cultural generado por este sistema productivo. En este contexto, la búsqueda de alternativas políticas enfocadas a revertir este proceso se erige como una necesidad categórica en aras de garantizar en el largo plazo la sostenibilidad de los olivares de montaña. Esta tesis pretende hacer frente a esta necesidad a través de la construcción de un marco político alternativo para los SMOPS, que permita la integración simultánea de todas las dimensiones que pueden influir en su desarrollo; esto es: el marco político actual, principalmente determinado por la Política Agraria Común (PAC) de la Unión Europea (UE); las preferencias de la sociedad hacia la oferta de bienes y servicios públicos generados por los SMOPS; y las preferencias y voluntad de innovación hacia nuevos manejos y sistemas de gestión de los agricultores y propietarios de las explotaciones. Para ello, se emplea una metodología de investigación mixta, que abarca la realización de cuatro encuestas (personales y online) llevadas a cabo a los agentes o grupos de interés involucrados directa o indirectamente en la gestión de los SMOPS –ciudadanos, agricultores y propietarios y expertos-; una profunda revisión de las herramientas de política agroambiental actuales y posibles alternativas a las mismas; y el desarrollo de nuevas estrategias metodológicas para dotar de mayor precisión y fiabilidad las estimaciones obtenidas a partir del Método del Experimento de Elección (MEE) en el campo de la valoración medioambiental. En general, los resultados muestran que una estrategia de política agroambiental basada en la combinación de los Contratos Territoriales de Zona Rural (CTZR) y el manejo ecológico supondría una mejora en la sostenibilidad de los sistemas olivareros de montaña andaluces, que, al mismo tiempo, propiciaría una mejor consideración de las necesidades y demandas de los agentes implicados en su gestión. Asimismo, los hallazgos obtenidos en esta investigación demandan un cambio de paradigma en los actuales pagos agroambientales, que han de pasar de una estrategia basada en la implementación de acciones, a otra enfocada al logro de objetivos, la cual, en el caso del olivar, se podría centrar en el aumento del secuestro de carbono en el suelo. Desde un punto de vista metodológico, los resultados han contribuido notablemente a mejorar la fiabilidad y precisión de las conclusiones estimadas a partir del MEE, mediante el diseño de un novedoso proceso iterativo para detectar posibles comportamientos inconsistentes por parte de los entrevistados con respecto a su máxima Disposición al Pago (DAP) para lograr la situación considerada como “óptima” en los olivares ecológicos de montaña andaluces. En líneas generales, el actual marco institucional favorece la puesta en práctica de la mayoría de las estrategias propuestas en esta tesis; sin embargo son necesarios mayores esfuerzos para reconducir los actuales Pagos Agroambientales y Climáticos de la PAC, hacia una estrategia de política agroambiental adaptada a las necesidades y requisitos del territorio en el que se aplica, enfocada al logro de objetivos y que sea capaz de integrar y coordinar al conjunto de agentes y grupos de interés involucrados -directa o indirectamente- en la gestión de los olivares de montaña. En este contexto, se espera que la puesta en práctica de nuevas estructuras y acuerdos de gobernanza territorial juegue un importante papel en el desarrollo de una política agroambiental realmente adaptada a las necesidades de los sistemas olivareros de montaña andaluces. ABSTRACT The long-term sustainability of Andalusian sloping and mountainous olive production systems (SMOPS) is currently threatened by the high abandonment rates that affect these production systems. The effective occurrence of this abandonment process is indeed menacing not only farms themselves, but also the wide array of public goods and services provided by SMOPS and the cultural heritage held by this production system. The search of policy alternatives aimed at tackling this process is thus a central necessity. This thesis aims to undertake this necessity by building an alternative policy framework for SMOPS that simultaneously integrates the several dimensions that are susceptible to influence it, namely: the current policy framework, mainly determined by the European Union’s (EU) Common Agricultural Policy (CAP); the social preferences toward the supply of SMOPS’ public goods and services; and farmers’ preferences and willingness to innovate toward new management practices in their farms. For this purpose, we put into practice a mixed-method strategy that combines four face-to-face and online surveys carried out with SMOPS’ stakeholders -including citizens, farmers and experts-; in-depth analysis of current and alternative agrienvironmental policy (AEP) instruments; and the development of novel methodological approaches to advance toward more reliable Discrete Choice Experiment’s (DCE) outcomes in the field of environmental valuation. Overall, results show that a policy strategy based on the combination of Territorial Management Contracts (TMC) and organic management would further enhance Andalusian SMOPS’ sustainability by simultaneously taking into account stakeholders’ demands and needs. Findings also call for paradigm shift of the current action-oriented design of Agri-Environmental-Climate Schemes (AECS), toward a result-based approach, that in the case of olive orchards should particularly be focused on enhancing soil carbon sequestration. From a methodological perspective, results have contributed to improve the accuracy and feasibility of DCE outcomes by designing a novel and iterative procedure focused in ascertaining respondents’ inconsistent behaviour with respect to their stated maximum WTP for the attainment of an ideal situation to be achieved in organic Andalusian SMOPS. Generally, the present institutional framework favours the implementation of the main policy strategies proposed in this thesis, albeit further efforts are required to better conduct current CAP’s agri-environmental instruments toward a territorially targeted result-oriented strategy capable to integrate and coordinate the whole set of stakeholders involved in the management of SMOPS. In this regard, alternative governance structures and arrangements are expected to play a major role on the process of tackling SMOPS’ agri-environmental policy challenge.