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).

Vision-Based Tracking, Odometry and Control for UAV Autonomy

El principal objetivo de este trabajo es proporcionar una solución en tiempo real basada en visión estéreo o monocular precisa y robusta para que un vehículo aéreo no tripulado (UAV) sea autónomo en varios tipos de aplicaciones UAV, especialmente en entornos abarrotados sin señal GPS. Este trabajo principalmente consiste en tres temas de investigación de UAV basados en técnicas de visión por computador: (I) visual tracking, proporciona soluciones efectivas para localizar visualmente objetos de interés estáticos o en movimiento durante el tiempo que dura el vuelo del UAV mediante una aproximación adaptativa online y una estrategia de múltiple resolución, de este modo superamos los problemas generados por las diferentes situaciones desafiantes, tales como cambios significativos de aspecto, iluminación del entorno variante, fondo del tracking embarullado, oclusión parcial o total de objetos, variaciones rápidas de posición y vibraciones mecánicas a bordo. La solución ha sido utilizada en aterrizajes autónomos, inspección de plataformas mar adentro o tracking de aviones en pleno vuelo para su detección y evasión; (II) odometría visual: proporciona una solución eficiente al UAV para estimar la posición con 6 grados de libertad (6D) usando únicamente la entrada de una cámara estéreo a bordo del UAV. Un método Semi-Global Blocking Matching (SGBM) eficiente basado en una estrategia grueso-a-fino ha sido implementada para una rápida y profunda estimación del plano. Además, la solución toma provecho eficazmente de la información 2D y 3D para estimar la posición 6D, resolviendo de esta manera la limitación de un punto de referencia fijo en la cámara estéreo. Una robusta aproximación volumétrica de mapping basada en el framework Octomap ha sido utilizada para reconstruir entornos cerrados y al aire libre bastante abarrotados en 3D con memoria y errores correlacionados espacialmente o temporalmente; (III) visual control, ofrece soluciones de control prácticas para la navegación de un UAV usando Fuzzy Logic Controller (FLC) con la estimación visual. Y el framework de Cross-Entropy Optimization (CEO) ha sido usado para optimizar el factor de escala y la función de pertenencia en FLC. Todas las soluciones basadas en visión en este trabajo han sido probadas en test reales. Y los conjuntos de datos de imágenes reales grabados en estos test o disponibles para la comunidad pública han sido utilizados para evaluar el rendimiento de estas soluciones basadas en visión con ground truth. Además, las soluciones de visión presentadas han sido comparadas con algoritmos de visión del estado del arte. Los test reales y los resultados de evaluación muestran que las soluciones basadas en visión proporcionadas han obtenido rendimientos en tiempo real precisos y robustos, o han alcanzado un mejor rendimiento que aquellos algoritmos del estado del arte. La estimación basada en visión ha ganado un rol muy importante en controlar un UAV típico para alcanzar autonomía en aplicaciones UAV. ABSTRACT The main objective of this dissertation is providing real-time accurate robust monocular or stereo vision-based solution for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to achieve the autonomy in various types of UAV applications, especially in GPS-denied dynamic cluttered environments. This dissertation mainly consists of three UAV research topics based on computer vision technique: (I) visual tracking, it supplys effective solutions to visually locate interesting static or moving object over time during UAV flight with on-line adaptivity approach and multiple-resolution strategy, thereby overcoming the problems generated by the different challenging situations, such as significant appearance change, variant surrounding illumination, cluttered tracking background, partial or full object occlusion, rapid pose variation and onboard mechanical vibration. The solutions have been utilized in autonomous landing, offshore floating platform inspection and midair aircraft tracking for sense-and-avoid; (II) visual odometry: it provides the efficient solution for UAV to estimate the 6 Degree-of-freedom (6D) pose using only the input of stereo camera onboard UAV. An efficient Semi-Global Blocking Matching (SGBM) method based on a coarse-to-fine strategy has been implemented for fast depth map estimation. In addition, the solution effectively takes advantage of both 2D and 3D information to estimate the 6D pose, thereby solving the limitation of a fixed small baseline in the stereo camera. A robust volumetric occupancy mapping approach based on the Octomap framework has been utilized to reconstruct indoor and outdoor large-scale cluttered environments in 3D with less temporally or spatially correlated measurement errors and memory; (III) visual control, it offers practical control solutions to navigate UAV using Fuzzy Logic Controller (FLC) with the visual estimation. And the Cross-Entropy Optimization (CEO) framework has been used to optimize the scaling factor and the membership function in FLC. All the vision-based solutions in this dissertation have been tested in real tests. And the real image datasets recorded from these tests or available from public community have been utilized to evaluate the performance of these vision-based solutions with ground truth. Additionally, the presented vision solutions have compared with the state-of-art visual algorithms. Real tests and evaluation results show that the provided vision-based solutions have obtained real-time accurate robust performances, or gained better performance than those state-of-art visual algorithms. The vision-based estimation has played a critically important role for controlling a typical UAV to achieve autonomy in the UAV application.

Arquitectura y construcción, paisaje y territorio : los refugios de la Cuenca Alta del río Tajo

La Tesis estudia un tipo de refugio ganadero de la Cuenca Alta del río Tajo, conocidos como chozones. Singular arquitectura ligada a la ganadería extensiva ovina que servía de abrigo al ganado durante la noche invernal y umbráculo en estío. Construcciones de muros bajos de mampuesto colocados a hueso de planta circular o rectangular, levantadas alrededor de una estructura leñosa o un árbol en posición de vida que soportan una cubierta de ramas de la poda de la sabina. Son cientos diseminados por toda la región, si bien concentrados en la Sesma del sabinar, una de las cuatro divisiones históricas del Señorío de Molina. La decadencia de la ganadería en la comarca, sumada a otras causas de sociales y económicas, ha llevado a que estén cada vez en peor estado de conservación; con todo lo que ello supone de pérdida de una memoria histórica inseparable del paisaje del que son parte. Mi primera aproximación a estos refugios fue una oferta que aceptó el equipo de dirección del Parque Natural del Alto Tajo para catalogar los que se encontraban en su área de protección, un paisaje de Alto Valor Natural donde la ganadería ha sido el sustento tradicional. Tras terminar el inventario se produjo el gran incendio en Riba de Saélices (2005). Además de calcinar a 11 retenes voluntarios, quemó parte de las chozones inventariados. Tomé entonces consciencia de la fragilidad de este patrimonio popular y del valor que cobraba el trabajo realizado, pues en muchos casos era el único testimonio que había de los chozones desaparecidos. De ahí nació esta investigación. Al comienzo el enfoque analítico fue eminentemente disciplinar, como recoge la primera parte del título de la tesis: arquitectura y construcción. Pronto comprendí que este enfoque no era suficiente para entender las preguntas dejadas abierta por el análisis espacial, tales como su origen, razón de ser, función social, etc. Profundizando en estos temas la investigación fue haciéndose más amplia y transversal, hasta llegar a lo indicado en la segunda parte del título: paisaje y territorio. En síntesis, la tesis pasó del análisis de un objeto en sí a su entendimiento como parte de una sociedad y un paisaje del que es indisoluble. Para lograr estos objetivos transversales, los refugios ganaderos se estudiaron considerando desde sus aspectos geográficos e históricos a los propios de la arquitectura y del sistema ganadero que acoge. A cada enfoque se dedica un capítulo de la Tesis, lo que nos obligó a utilizar distintas metodologías de análisis: de un amplio trabajo de campo para catalogar y levantar los casi un centenar de chozones inventariados a la búsqueda de información documental en archivos históricos. Por el carácter del estudio fue también fundamental la revisión del material etnográfico de la zona, así como las entrevistas con vecinos y los pocos pastores que quedaban en los municipios estudiados. Los resultados de la Tesis muestran que los refugios ganaderos son construcciones con una serie de valores de distinto tipo. Entre ellos destacaría: (a) ambientales, porque son arquitecturas integradas en el medio ambiente, con empleo de materiales del territorio y adaptación a sus condiciones físicas; (b) históricos, porque son testimonio de un patrimonio arquitectónico que al menos desde la Edad Media se mantiene sin apenas modificaciones; (c) etnográficos, porque son un elemento arquitectónico con usos estrechamente ligados a la cultura tradicional, ganadera y rural de la cuenca del Alto Tajo. Tan clara es la relación entre estos tres aspectos que no es exagerado afirmar que desde el comienzo hasta su final, pasando por las distintas actividades cotidianas, la vida de los habitantes de la comarca giraba en torno al patrimonio vernáculo estudiado. Por ello, entendemos que todos estos elementos son lo suficientemente relevantes como para intentar evitar su destrucción, fomentar una reutilización que contribuya a un desarrollo sostenible de este singular paisaje etnológico. ABSTRACT My first approach to these refugees was commissioned by the management of the Alto Tajo Natural Park to catalog those who were in their protection area, a landscape of high natural value where livestock has been the traditional livelihood. After completing the inventory came the great fire in Riba de Saelices (2005). Besides calcine 11 firefighters, burned many of these popular architectures. I took then awareness of the fragility of this vernacular heritage and the value of the work charged, since in many cases it was the only witness who had disappeared from the shelters. At that time, this research was born. At the begging our study was eminently from the point of view of our discipline, as it picks up the first part of the title of the Thesis: architecture and construction. Soon I realized that this approach was not sufficient to understand the questions left open by the spatial analysis, such as its origin, purpose, social function, etc. By studying topics, my research become to be more comprehensive and transversal, up to coming to the indicated in the second part of the title: landscape and territory. In synthesis, the Thesis went on from the analysis of an object in itself to its understanding like part of a society and a landscape of which it is indissoluble. To achieve these cross-cutting objectives, livestock shelters were studied considering from its geographic and historic aspects to this relating to his architecture own the livestock system to which they belong. To each approach we devoted a chapter of the Thesis, which forced us to use different methodologies of analysis: an extensive field work in cataloguing and lift the nearly a hundred chozones inventoried to the search of documentary information in historical archives. By the nature of the study, the review of the ethnographic material in the area was also essential, as well as interviews with neighbors and the few remaining shepherds in the municipalities studied. The results of our Thesis show that livestock shelters are constructions with a series of values of different types. Among them I would highlight three: (a) environmental, because they are architectures integrated in the territory, with the use of materials of the location and adapted to their physical conditions; (b) historical, because they are testimony of an architectural heritage that at least since the Middle Ages remains with little modifications; (c) ethnographic, because they are architectural elements closely linked to livestock, rural and traditional culture of the Alto Tajo basin. So clear is the relationship between these three aspects, that is not an exaggeration to say that from the beginning until the end, passing through the various daily activities, the life of the inhabitants of the region was in completed connection with the studied vernacular heritage. For it, we understand that all these elements are relevant enough to try to prevent their destruction and promote a recycling that contributes to a sustainable development of this unique ethnological landscape.

Los avances experimentados en el marco de la investigación en la modelización y el análisis del comportamiento de sistemas constructivos

En este artículo se hace una breve descripción de la evolución en el Siglo XX de los modelos abstractos utilizados para calcular el comportamiento de los sistemas constructivos y se analizan algunos temas con futuro.

La forma del agua. Temas e invariantes en el jardín y el paisaje. Análisis de casos (Holanda-España, 1548-1648)

El espacio geográfico, entendido como territorio que da soporte a la vida y a la civilización, ha estado siempre fuertemente supeditado a la presencia de agua. Desde la Prehistoria el hombre otorgó al agua, junto a otros elementos que aseguraban o protegían su vida, un valor superior, por encima de lo humano. Paralelamente y de manera natural, el jardín, en sus inicios en estrecha relación con la agricultura y con el paisaje, fue el ámbito idóneo para la creación de nuevas formas acuáticas artificiales. Este proceso dio lugar a un extenso repertorio de formas compositivas que parece que tuvo en el Renacimiento un punto de inflexión, en el que se observa como la mayoría de recursos y configuraciones básicas del agua estaban ya plenamente establecidas. Esta evolución y sus resultados ha sido el objeto de la primera parte de la tesis: su objetivo ha sido analizar cómo el agua configura, cualifica o puede llegar a construir el jardín y el territorio en el que se inserta, así como establecer las posibles relaciones entre estos dos ámbitos de estudio. Aunque la historia es su fundamento, el planteamiento aquí ha sido más bien conceptual; estudiando los componentes acuáticos desde un punto de vista fundamentalmente compositivo. Esta indagación previa ha sido indispensable para llegar a entender en profundidad los modos en los que el agua se muestra en el jardín y en el paisaje renacentista y manierista, momentos en que se insertan los dos casos de estudio que constituyen la segunda parte de la tesis. Sin caer en un determinismo geográfico extremo, puede admitirse que el jardín, como manifestación cultural intrínsecamente ligada al entorno, depende fuertemente del territorio en el que se asienta; hecho particularmente evidente en aquellas regiones en las que su especial geografía ha sido un claro factor condicionante de su historia. Por ello, Holanda y España han sido las dos localizaciones elegidas para profundizar en este estudio; no tanto por su estrecha relación política y cultural, sino por su profundo y sugerente contraste de medio físico y climático. La Península Ibérica, geográficamente el término del mundo conocido en Occidente hasta el final de la Edad Media, y por esta circunstancia convertida en destino, en territorio de permanencia y fusión, estará además supeditada en la mayoría de su territorio a la falta de agua, siendo a la vez heredera directa del universo y la tradición del jardín meridional originario de Oriente. En el extremo opuesto, Holanda, espacio de transición entre el mar y la tierra firme “real”, es un territorio permeado de humedad y surcado con generosidad por grandes ríos. El país, con una relación ambivalente con el agua, unas veces como amenaza y otras como fuente de nuevas oportunidades, será por el contrario especialmente favorable para el desarrollo de un modelo de jardín septentrional. Un jardín del norte, que no obstante, no surgirá de despejar los bosques, como en el arquetipo nórdico, sino que crecerá sobre planicies antes saturadas de agua o directamente anegadas. El marco temporal de los dos casos concretos ha considerado como fecha inicial 1548, momento en el que Felipe II, aún príncipe, realizó su primer viaje a los Países Bajos, y entró en contacto con el modelo holandés. La extensa producción posterior de jardines de Felipe II, siempre con el agua como protagonista, tuvo como destacado referente la adaptación al suelo y la geografía hispánicos de dicho modelo. Como fecha final se fija 1648, justo un siglo después, fecha coincidente con la firma de la Paz de Westfalia, tratado que supone la total reorganización política del territorio europeo y la pérdida de la hegemonía española en Europa. En Holanda sólo dos años después nacerá Guillermo III de Orange, estatúder de las Provincias Unidas, también futuro rey de Inglaterra, Escocia e Irlanda. Para entonces en Holanda ya se había asistido al desarrollo de un arte propio de jardín, íntimamente ligado al agua, sorprendentemente no demasiado bien conocido y que será uno de los temas de esta investigación. Finalmente, se propone una lectura conjunta de toda esta serie de intervenciones que tienen como argumento el agua, en la que se integra la información procedente de distintos campos de estudio, cada una con su metodología particular. El resultado es una tesis en la que el jardín y el territorio son tratados desde un nuevo y enriquecedor punto de vista. ABSTRACT Geographical space, understood as the territory that provides support to human life and civilization, has always been strongly subjected to the presence of water. From Prehistory man gave to water, along with other elements that ensured or protected life, a higher value than the merely human. At the same time and in a natural way, the garden, in its beginnings with a close relationship with agriculture and landscape, soon developed as the appropriate ground for the creation of new artificial aquatic forms, in a process that seems to have a turning point in the Renaissance, when most of the basic waterworks and resources were already fully established. This development and its outcomes are the subjects of the first part of the thesis: its scope has been to analyse how water configures, qualifies and might even help to construct the garden or landscape attached to it; and to establish the possible links between these two fields of study. Although history based, the point of view here is mainly conceptual, studying the water components understood as composite elements. This exploratory research has been essential to deeply understand the water patterns shown in the Renaissance and Mannerist garden and landscape, periods in which the two case studies are inserted. Without falling in extreme determinism, it can be accepted however, that garden, as a cultural expression linked to environment, is strongly dependant on territorial setting; something particularly evident in those areas where specific geography has been a clear history conditioning factor. This is the reason that leads to choose the Netherlands and Spain to deepen this study, no so much for their interesting cultural and politics relations as for the suggestive and profound contrast of their physical environment and climate. The Iberian Peninsula, geographically the limit of the known world in Occident until the end of the Medium Age, and by this circumstance understood as endpoint, more a destination than a crossroad, a territory of permanence and fusion, but also subjected to water shortage; is thus associated with the universe and tradition of the meridional garden imported from Orient. In the opposite, the Netherlands, a transitional space between the sea and the “real” firm land, is a territory permeated by water and crossed by big rivers. Always with an ambivalent relationship with water, sometimes seen as a threat and sometimes as a source of new opportunities, it was in the other hand the adequate land for the development of a special model of Northern garden. A garden that will not arise, however, from the clearing of woods as in the Nordic archetype, but that will grow on plains originally saturated of water or directly waterlogged. The timeframe of the two cases has 1548 as the initial year, moment in which Philip II, yet prince, made his first trip to the Low Lands and imbibed the Dutch garden model. The later and bountiful garden works of the king, always with the water as the main focus, adapted the imported model to the Spanish ground and geography. The final date is fixed in 1648, just a century after, in coincidence with the Westfalia Peace; a treaty that implied the total political reorganization of the European territory and the end of the Spanish hegemony in the continent. In Holland, only two years later, William III of Orange, Stadtholder of the United Provinces and also future king of England, Scotland and Ireland, was born. But by then the Netherlands had developed an own garden art, closely linked to water. This type garden, surprisingly not very well known, and its relationship with water, will be other of the addressing questions of this work. Finally, the investigation merges the different interventions that have water as an argument, integrating all the fields considered with their particular methodological approaches. The final result is a thesis in which garden and territory are treated from a new and enriching perspective.