Validación de un marco abierto accesible de tercera generación para la integración nativa de productos de apoyo en tecnologías de la información y la comunicación

Las personas con discapacidad a menudo se encuentran con problemas de acceso a las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC), debido a diseños y desarrollos que no tienen en cuenta sus diferencias funcionales, y en consecuencia se encuentran en riesgo de exclusión social. Cada vez es más común encontrar productos de apoyo que permitan utilizar diferentes tecnologías (ordenadores, Internet, dispositivos móviles), pero muchos de ellos no se encuentran integrados debido a que funcionan esencialmente modificando la plataforma donde están instalados, siendo soluciones de acceso de segunda generación. Más allá del desarrollo de los productos de apoyo, que sin duda ha evolucionado positivamente en los últimos años, cabe resaltar que existe una falta de herramientas y de aproximación holística que ayuden a los desarrolladores y diseñadores hacer las TIC accesibles. Esta tesis doctoral pretende validar la hipótesis de que una metodología holística de desarrollo de aplicaciones y productos de apoyo TIC, llamada Marco Abierto Accesible, facilita el desarrollo y la integración de modo nativo de la accesibilidad en las aplicaciones y productos apoyo, independientemente de la tecnología utilizada, dando lugar a soluciones de acceso de tercera generación que permitan mejorar la utilización de dichas aplicaciones por parte de personas con discapacidad. Este trabajo se ha desarrollado en el marco del proyecto AEGIS (del inglés, open Accessibility Everywhere: Groundwork, Infrastructure, Standards), que fue parcialmente financiado por la Comisión Europea (CE) bajo el VII Programa Marco y tuvo una duración de cuatro años. La metodología para el diseño, desarrollo y validación seguida en esta tesis es una adaptación de dos metodologías de diseño existentes (el Diseño Centrado en el Usuario y el Diseño Orientado a Metas), la implementación del Marco Abierto Accesible y el uso de diferentes técnicas de validación. Además se ha desarrollado un marco metodológico de entrenamiento para minimizar el efecto que tiene la curva de aprendizaje cuando los usuarios prueban por primera vez las soluciones desarrolladas. En esta tesis se presenta el Marco Abierto Accesible aplicado a las TIC en las tres áreas en las que se desarrolla este trabajo: ordenadores, Internet y dispositivos móviles, partiendo de las necesidades y problemas que tienen los usuarios con discapacidad en el uso de las TIC. Diferentes instanciaciones del Marco Abierto Accesible se definen en las tres áreas TIC mencionadas anteriormente y se describen varios ejemplos de sus implementaciones particulares. Los resultados de las evaluaciones de las implementaciones particulares con usuarios finales y expertos, una vez discutidos y contrastados con las hipótesis, sirven para probar la validez del Marco Abierto Accesible para la integración nativa de productos de apoyo en Tecnologías de la Información y la Comunicación. Finalmente, se presentan las líneas de investigación y trabajo futuro en el área de la accesibilidad en las TIC. ABSTRACT People with disabilities often encounter problems of access to Information and Communications Technology (ICT), due to design and developments that do not take into account their functional differences and therefore put them at risk of social exclusion. It is increasingly common to find assistive products that allow to use different technologies (computers, Internet, mobile devices), but many of them are not well integrated because they work essentially modifying the platform where they are installed, beeing the second-generation access solutions. Beyond the assistive product development, which has certainly evolved positively in recent years, it is notable that there is a lack of tools and holistic approach to help developers and designers make accessible ICT. This doctoral thesis aims to validate the hypothesis that a holistic approach to application development and assistive ICT products, called Open Accessibility Framework, facilitates the development and integration of native accessible applications and assistive products, regardless of the technology used, resulting in third-generation access solutions that improve the use of such applications by people with disabilities. This work was developed under the AEGIS project (open Accessibility Everywhere: Groundwork, Infrastructure, Standards), which was partially funded by the European Commission (EC) under the Seventh Framework Programme and lasted four years. The methodology for the design, development and validation followed in this thesis is an adaptation of two existing design methodologies (User Centered Design and Goal Oriented Design), the implementation of the Open Accessibility Framework and the usage of different validation techniques. A training methodological framework ha also been developed to minimize the effect of the learning curve when users first try the solutions developed. This thesis presents the Open Accessibility Framework applied to ICT in three areas in which this work is developed: computers, Internet and mobile devices, based on the needs and problems of the disabled users in the use of ICT. Different instantiations of the Open Accessibility Framework are defined in the three aforementioned ICT areas and various examples of its particular implementations are described. The results of the evaluations of the particular implementations which have been carried with end users and experts, once discussed and contrasted with the hypotheses, have been used to test the validity of the Open Accessibility Framework for the native integration of assistive products in Information and Communications Technology. Finally, the future research lines and future work in the area of ICT accessibility are presented.

Tecnología y Trabajo: La Revolución de las Tecnologías de la Información y la Comunicación y el Aumento del Tiempo de Trabajo

Durante los años 60 fueron frecuentes las profecías que anunciaban jornadas laborales de 4-5 horas para el año 2000, y se basaban generalmente en la progresiva sustitución de la mano de obra por tecnología como las electrónicas y los sistemas aplicados; este cambio permitiría un mayor tiempo libre y de ocio. Sin embargo, la realidad parece resultar peor y contraria a esas expectativas, ya que la jornada de trabajo ha ido ampliándose en el sistema productivo simultáneamente con el avance tecnológico en general y, en particular, de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC). El incremento de la jornada de trabajo es un proceso general observado en los países de la OCDE desde la transición de los años 1970/80 hasta hoy (en paralelo, precisamente, con la constante pérdida del poder adquisitivo de los salarios). Este artículo pone en relación la extensión de las TIC con la ampliación de la jornada de trabajo y añade, como nota negativa adicional, que el uso combinado del ordenador portátil y del teléfono móvil, en un entorno de Internet, se convierte en un proceso creciente por el que la gente queda laboralmente disponible durante las 24 horas del día.

Las presentaciones de trabajo en lengua inglesa: una propuesta de curso on-line.

Desde la explosión de crecimiento de internet que comenzó en los años 90, se han ido creando y poniendo a disposición de los usuarios diversas herramientas para compartir información y servicios de diversas formas, desde el nacimiento del primer navegador hasta nuestros días, donde hay infinidad de lenguajes aplicables al ámbito web. En esta fase de crecimiento, en primer lugar, de cara a usuarios individuales, saldrían herramientas que permitirían a cada cual hacer su web personal, con sus contenidos expuestos. Más adelante se fue generando el fenómeno “comunidad”, con, por ejemplo, foros, o webs en las que había múltiples usuarios que disfrutaban de contenidos o servicios que la web ofreciese. Este crecimiento del mundo web en lo comunitario ha avanzado en muchas ramas,entre ellas, por supuesto, la educacional, surgiendo plataformas como la que es base del proyecto que a continuación se presenta, y herramienta básica y prácticamente ya imprescindible en la enseñanza universitaria: Moodle. Moodle es una herramienta diseñada para compatir recursos y diseñar actividades para el usuario potencial, complementando su aprendizaje en aula, o incluso siendo una vía autónoma de aprendizaje en sí misma. Se ha realizado un estudio sobre el estado de saludo de los contenidos que se exponen en Moodle, y se ha encontrado que una gran mayoría de los cursos que se pueden visitar tienen un gran número de carencias. Por un lado, hay pocos con material original explotado exclusivamente para el curso, y, si tienen material original, no se ha observado una especial atención por la maquetación. Por otro lado, hay muchos otros sin material original, y, en ambos casos, no se ha encontrado ningún curso que ofrezca material audiovisual exclusivo para el curso, presentando algunos en su lugar material audiovisual encontrado en la red (Youtube, etc). A la vista de estos hechos, se ha realizado un proyecto que intenta aportar soluciones ante estas carencias, y se presenta un curso procedente de diversas referencias bibliográficas, para la parte textual, y material audiovisual original e inédito que también se ha explotado específicamente para este curso. Este material ha sido por un lado vídeo, que se ha visionado, editado y subtitulado con software de libre distribución, y por otro lado, audio, que complementa un completo glosario que se ha añadido como extra al curso y cuyo planteamiento no se ha encontrado en ningún curso online de los revisados. Todo esto se ha envuelto en una maquetación cuidada que ha sido fruto del estudio de los lenguajes web html y CSS, de forma que, por un lado, el curso sea un lugar agradable en el que aprender dentro de internet, y por otro, se pudiesen realizar ciertas operaciones que sin estos conocimientos habrían sido imposibles, como la realización del glosario o la incrustación de imágenes y vídeos. A su vez, se ha tratado de dar un enfoque didáctico a toda la memoria del proyecto, de forma que pueda ser de utilidad a un usuario futuro que quisiese profundizar en los usos de Moodle, introducirse en el lenguaje web, o introducirse en el mundo de la edición de vídeo. ABSTRACT: Since the explosion of Internet growth beginning in the 90s, many tools have been created and made available for users to share information and services in various ways, from the birth of the first browser until today, where there are plenty of web programming languages. This growth stage would give individual users tools that would allow everyone to make an own personal website, with their contents exposed. Later, the "community" phenomenon appeared with, for example, forums, or websites where multiple users enjoyed the content or web services that those websites offered. Also, this growth in the web community world has progressed in many fields, including education, with the emerge of platforms such as the one that this project uses as its basis, and which is the basic and imperative tool in college education: Moodle. Moodle is a tool designed to share resources and design activities for the potential user, completing class learning, or even letting this user learn in an autonomous way. In this project a study on the current situation of the content present in Moodle courses around the net has been carried out, and it has been found that most of them lack of original material exploited exclusively for the courses, and if they have original material, there has been not observed concern on the layout where that material lies. On the other hand, there are many other with non original material, and in both cases, there has not been found any course that offers audio- visual material made specifically for the course, instead of presenting some audiovisual material found on the net (Youtube, etc). In view of these facts, the project presented here seeks to provide solutions to these shortcomings, presenting a course with original material exploited from various references, and unpublished audioevisual material which also has been exploited specifically for this course. This material is, on one hand, video, which has been viewed, edited and subtitled with free software, and on the other, audio, which complements a comprehensive glossary that has been added as an extra feature to the course and whose approach was not found in any of the online courses reviewed. All of this has been packaged in a neat layout that has been the result of the study of web languages HTML and CSS, so that first, the course was a pleasant place to learn on the internet, and second, certain operations could be performed which without this knowledge would have been impossible, as the glossary design or embedding images and videos. Furthermore, a didactic approach has been adopted to the entire project memory, so it can be useful to a future user who wanted to go deeper on the uses of Moodle, containing an intro into the web language, or in the world video editing.

El Internet de las Cosas y los nuevos riesgos para la privacidad

Este trabajo consiste en la elaboración de un proyecto de investigación, orientado al estudio del Internet de las Cosas y los riesgos que presenta para la privacidad. En los últimos años se han puesto en marcha numerosos proyectos y se han realizado grandes avances tecnológicos con el fin de hacer del Internet de las Cosas una realidad, sin embargo aspectos críticos como la seguridad y la privacidad todavía no están completamente solucionados. El objetivo de este Trabajo Fin de Master es realizar un análisis en profundidad del Internet del Futuro, ampliando los conocimientos adquiridos durante el Máster, estudiando paso a paso los fundamentos sobre los que se asienta y reflexionando acerca de los retos a los que se enfrenta y el efecto que puede tener su implantación para la privacidad. El trabajo se compone de 14 capítulos estructurados en 4 partes. Una primera parte de introducción en la que se explican los conceptos del Internet de las Cosas y la computación ubicua, como preámbulo a las siguientes secciones. Posteriormente, en la segunda parte, se analizan los aspectos tecnológicos y relativos a la estandarización de esta nueva red. En la tercera parte se presentan los principales proyectos de investigación que existen actualmente y las diferentes áreas de aplicación que tiene el Internet del Futuro. Y por último, en la cuarta parte, se realiza un análisis del concepto de privacidad y se estudian, mediante diferentes escenarios de aplicación, los riesgos que puede suponer para la privacidad la implantación del Internet de las Cosas. This paper consists of the preparation of a research project aimed to study the Internet of Things and the risks it poses to privacy. In recent years many projects have been launched and new technologies have been developed to make the Internet of Things a reality; however, critical issues such as security and privacy are not yet completely solved. The purpose of this project is to make a rigorous analysis of the Future Internet, increasing the knowledge acquired during the Masters, studying step by step the basis on which the Internet of Things is founded, and reflecting on the challenges it faces and the effects it can have on privacy. The project consists of 14 chapters structured in four parts. The first part consists of an introduction which explains the concepts of the Internet of Things and ubiquitous computing as a preamble to the next parts. Then, in the second part, technological and standardization issues of this new network are studied. The third part presents the main research projects and Internet of Things application areas. And finally, the fourth part includes an analysis of the privacy concept and also an evaluation of the risks the Internet of Things poses to privacy. These are examined through various application scenarios.

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).

Servicios de redes sociales en internet para generación de consenso

En los últimos años, la cantidad de información que se ha generado en la web ha sido enorme. El tráfico que se está generando en la actualidad es de unos 16144 Gigabytes/s, pero se estima que para el 2019 será tres veces mayor, de unos 51794 Gigabytes/s (Cisco Systems, Inc, 2015). Esta ingente cantidad de tráfico viene sobre todo de vídeo, audio e imágenes, ya que estos son los contenidos que requieren más almacenamiento. En esta era de la información, si nos paramos a pensar por un segundo, nos podemos dar cuenta que donde realmente está esa información es en el texto. En la web hay muchísimo texto, pero no supone una gran cantidad de almacenamiento. Esto no quiere decir que lo podamos despreciar. Lo que tenemos que hacer es darle relevancia a todo ese texto, y hacer énfasis en lo importante. Esto es lo que podríamos hacer con herramientas de argumentación. La argumentación se refiere al estudio de las disconformidades, de los diálogos y los textos que usamos para intentar convencer a alguien de nuestro punto de vista. Por tanto, estas herramientas deberían de ser capaces de organizar un diálogo o discusión y obtener un resultado de esa conversación. Esto es muy normal en las discusiones habladas: discutimos para llegar a un acuerdo (o no), pero no es tan común en las discusiones online. En las discusiones online suele haber muchísimos comentarios, sin orden alguno, y sin conocer cuál es el acuerdo al que se ha llegado. Este trabajo hará una presentación de la argumentación y los modelos de argumentación: esquemas o estructuras a los cuales responde una discusión o un texto argumentativo. Así pues, nos centramos en las herramientas disponibles, ya que queremos conocer en qué estado se encuentran: si realmente ya hay herramientas que solucionen el problema organizativo o no. Por tanto, se presentan varias herramientas y se comparan en base al problema que existe utilizando ciertas características necesarias para el correcto funcionamiento de una de estas herramientas. Es ahí donde conoceremos si la herramienta que buscamos existe.---ABSTRACT---In recent years, the amount of Information generated on the web has been quite great. The traffic generated currently is approximately 16144 Gigabytes/s, but it is estimated that it will be three times larger by 2019, approximately 51794 Gigabytes/s (Cisco Systems, Inc, 2015). This huge amount of traffic comes mostly from multimedia (video, audio and images), as these kind of contents require more storage. This is the information era. If we think a bit about it, we can realize that this information is actually in the text. The web contains so much text, but it represents a small part of the whole storage. This does not mean that we can underestimate it. What we have to do is to give it relevance and emphasize what is important. This could be done by using argumentation tools. Argumentation refers to the study of agreement, disagreement, and of the dialogues and writing through which we convince others of our points of view. Therefore, these tools should be able to organize a dialogue or discussion and obtain from it an outcome or answer. It is common to obtain this outcome in spoken discussions: we discuss to reach an agreement (or not), however it is not really common in online discussions. In online discussions, they tend to have a huge amount of comments, with no order, and without knowing the outcome that has been reached. This thesis will explain the argumentation and the argumentation models: schemes or structures which a discussion or argumentative text respond to. Knowing this, we will focus on the available tools, because we want to know their state: whether there already are tools which can solve the organizational problem or not. Therefore, several tools are presented and compared based on this problem using some features that are needed for the proper functioning of these tools. This is where we will know whether the tool we are looking for exists or not.

Contributions to the Resilience Management in the Internet of Things

El auge del "Internet de las Cosas" (IoT, "Internet of Things") y sus tecnologías asociadas han permitido su aplicación en diversos dominios de la aplicación, entre los que se encuentran la monitorización de ecosistemas forestales, la gestión de catástrofes y emergencias, la domótica, la automatización industrial, los servicios para ciudades inteligentes, la eficiencia energética de edificios, la detección de intrusos, la gestión de desastres y emergencias o la monitorización de señales corporales, entre muchas otras. La desventaja de una red IoT es que una vez desplegada, ésta queda desatendida, es decir queda sujeta, entre otras cosas, a condiciones climáticas cambiantes y expuestas a catástrofes naturales, fallos de software o hardware, o ataques maliciosos de terceros, por lo que se puede considerar que dichas redes son propensas a fallos. El principal requisito de los nodos constituyentes de una red IoT es que estos deben ser capaces de seguir funcionando a pesar de sufrir errores en el propio sistema. La capacidad de la red para recuperarse ante fallos internos y externos inesperados es lo que se conoce actualmente como "Resiliencia" de la red. Por tanto, a la hora de diseñar y desplegar aplicaciones o servicios para IoT, se espera que la red sea tolerante a fallos, que sea auto-configurable, auto-adaptable, auto-optimizable con respecto a nuevas condiciones que puedan aparecer durante su ejecución. Esto lleva al análisis de un problema fundamental en el estudio de las redes IoT, el problema de la "Conectividad". Se dice que una red está conectada si todo par de nodos en la red son capaces de encontrar al menos un camino de comunicación entre ambos. Sin embargo, la red puede desconectarse debido a varias razones, como que se agote la batería, que un nodo sea destruido, etc. Por tanto, se hace necesario gestionar la resiliencia de la red con el objeto de mantener la conectividad entre sus nodos, de tal manera que cada nodo IoT sea capaz de proveer servicios continuos, a otros nodos, a otras redes o, a otros servicios y aplicaciones. En este contexto, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio del problema de conectividad IoT, más concretamente en el desarrollo de modelos para el análisis y gestión de la Resiliencia, llevado a la práctica a través de las redes WSN, con el fin de mejorar la capacidad la tolerancia a fallos de los nodos que componen la red. Este reto se aborda teniendo en cuenta dos enfoques distintos, por una parte, a diferencia de otro tipo de redes de dispositivos convencionales, los nodos en una red IoT son propensos a perder la conexión, debido a que se despliegan en entornos aislados, o en entornos con condiciones extremas; por otra parte, los nodos suelen ser recursos con bajas capacidades en términos de procesamiento, almacenamiento y batería, entre otros, por lo que requiere que el diseño de la gestión de su resiliencia sea ligero, distribuido y energéticamente eficiente. En este sentido, esta tesis desarrolla técnicas auto-adaptativas que permiten a una red IoT, desde la perspectiva del control de su topología, ser resiliente ante fallos en sus nodos. Para ello, se utilizan técnicas basadas en lógica difusa y técnicas de control proporcional, integral y derivativa (PID - "proportional-integral-derivative"), con el objeto de mejorar la conectividad de la red, teniendo en cuenta que el consumo de energía debe preservarse tanto como sea posible. De igual manera, se ha tenido en cuenta que el algoritmo de control debe ser distribuido debido a que, en general, los enfoques centralizados no suelen ser factibles a despliegues a gran escala. El presente trabajo de tesis implica varios retos que conciernen a la conectividad de red, entre los que se incluyen: la creación y el análisis de modelos matemáticos que describan la red, una propuesta de sistema de control auto-adaptativo en respuesta a fallos en los nodos, la optimización de los parámetros del sistema de control, la validación mediante una implementación siguiendo un enfoque de ingeniería del software y finalmente la evaluación en una aplicación real. Atendiendo a los retos anteriormente mencionados, el presente trabajo justifica, mediante una análisis matemático, la relación existente entre el "grado de un nodo" (definido como el número de nodos en la vecindad del nodo en cuestión) y la conectividad de la red, y prueba la eficacia de varios tipos de controladores que permiten ajustar la potencia de trasmisión de los nodos de red en respuesta a eventuales fallos, teniendo en cuenta el consumo de energía como parte de los objetivos de control. Así mismo, este trabajo realiza una evaluación y comparación con otros algoritmos representativos; en donde se demuestra que el enfoque desarrollado es más tolerante a fallos aleatorios en los nodos de la red, así como en su eficiencia energética. Adicionalmente, el uso de algoritmos bioinspirados ha permitido la optimización de los parámetros de control de redes dinámicas de gran tamaño. Con respecto a la implementación en un sistema real, se han integrado las propuestas de esta tesis en un modelo de programación OSGi ("Open Services Gateway Initiative") con el objeto de crear un middleware auto-adaptativo que mejore la gestión de la resiliencia, especialmente la reconfiguración en tiempo de ejecución de componentes software cuando se ha producido un fallo. Como conclusión, los resultados de esta tesis doctoral contribuyen a la investigación teórica y, a la aplicación práctica del control resiliente de la topología en redes distribuidas de gran tamaño. Los diseños y algoritmos presentados pueden ser vistos como una prueba novedosa de algunas técnicas para la próxima era de IoT. A continuación, se enuncian de forma resumida las principales contribuciones de esta tesis: (1) Se han analizado matemáticamente propiedades relacionadas con la conectividad de la red. Se estudia, por ejemplo, cómo varía la probabilidad de conexión de la red al modificar el alcance de comunicación de los nodos, así como cuál es el mínimo número de nodos que hay que añadir al sistema desconectado para su re-conexión. (2) Se han propuesto sistemas de control basados en lógica difusa para alcanzar el grado de los nodos deseado, manteniendo la conectividad completa de la red. Se han evaluado diferentes tipos de controladores basados en lógica difusa mediante simulaciones, y los resultados se han comparado con otros algoritmos representativos. (3) Se ha investigado más a fondo, dando un enfoque más simple y aplicable, el sistema de control de doble bucle, y sus parámetros de control se han optimizado empleando algoritmos heurísticos como el método de la entropía cruzada (CE, "Cross Entropy"), la optimización por enjambre de partículas (PSO, "Particle Swarm Optimization"), y la evolución diferencial (DE, "Differential Evolution"). (4) Se han evaluado mediante simulación, la mayoría de los diseños aquí presentados; además, parte de los trabajos se han implementado y validado en una aplicación real combinando técnicas de software auto-adaptativo, como por ejemplo las de una arquitectura orientada a servicios (SOA, "Service-Oriented Architecture"). ABSTRACT The advent of the Internet of Things (IoT) enables a tremendous number of applications, such as forest monitoring, disaster management, home automation, factory automation, smart city, etc. However, various kinds of unexpected disturbances may cause node failure in the IoT, for example battery depletion, software/hardware malfunction issues and malicious attacks. So, it can be considered that the IoT is prone to failure. The ability of the network to recover from unexpected internal and external failures is known as "resilience" of the network. Resilience usually serves as an important non-functional requirement when designing IoT, which can further be broken down into "self-*" properties, such as self-adaptive, self-healing, self-configuring, self-optimization, etc. One of the consequences that node failure brings to the IoT is that some nodes may be disconnected from others, such that they are not capable of providing continuous services for other nodes, networks, and applications. In this sense, the main objective of this dissertation focuses on the IoT connectivity problem. A network is regarded as connected if any pair of different nodes can communicate with each other either directly or via a limited number of intermediate nodes. More specifically, this thesis focuses on the development of models for analysis and management of resilience, implemented through the Wireless Sensor Networks (WSNs), which is a challenging task. On the one hand, unlike other conventional network devices, nodes in the IoT are more likely to be disconnected from each other due to their deployment in a hostile or isolated environment. On the other hand, nodes are resource-constrained in terms of limited processing capability, storage and battery capacity, which requires that the design of the resilience management for IoT has to be lightweight, distributed and energy-efficient. In this context, the thesis presents self-adaptive techniques for IoT, with the aim of making the IoT resilient against node failures from the network topology control point of view. The fuzzy-logic and proportional-integral-derivative (PID) control techniques are leveraged to improve the network connectivity of the IoT in response to node failures, meanwhile taking into consideration that energy consumption must be preserved as much as possible. The control algorithm itself is designed to be distributed, because the centralized approaches are usually not feasible in large scale IoT deployments. The thesis involves various aspects concerning network connectivity, including: creation and analysis of mathematical models describing the network, proposing self-adaptive control systems in response to node failures, control system parameter optimization, implementation using the software engineering approach, and evaluation in a real application. This thesis also justifies the relations between the "node degree" (the number of neighbor(s) of a node) and network connectivity through mathematic analysis, and proves the effectiveness of various types of controllers that can adjust power transmission of the IoT nodes in response to node failures. The controllers also take into consideration the energy consumption as part of the control goals. The evaluation is performed and comparison is made with other representative algorithms. The simulation results show that the proposals in this thesis can tolerate more random node failures and save more energy when compared with those representative algorithms. Additionally, the simulations demonstrate that the use of the bio-inspired algorithms allows optimizing the parameters of the controller. With respect to the implementation in a real system, the programming model called OSGi (Open Service Gateway Initiative) is integrated with the proposals in order to create a self-adaptive middleware, especially reconfiguring the software components at runtime when failures occur. The outcomes of this thesis contribute to theoretic research and practical applications of resilient topology control for large and distributed networks. The presented controller designs and optimization algorithms can be viewed as novel trials of the control and optimization techniques for the coming era of the IoT. The contributions of this thesis can be summarized as follows: (1) Mathematically, the fault-tolerant probability of a large-scale stochastic network is analyzed. It is studied how the probability of network connectivity depends on the communication range of the nodes, and what is the minimum number of neighbors to be added for network re-connection. (2) A fuzzy-logic control system is proposed, which obtains the desired node degree and in turn maintains the network connectivity when it is subject to node failures. There are different types of fuzzy-logic controllers evaluated by simulations, and the results demonstrate the improvement of fault-tolerant capability as compared to some other representative algorithms. (3) A simpler but more applicable approach, the two-loop control system is further investigated, and its control parameters are optimized by using some heuristic algorithms such as Cross Entropy (CE), Particle Swarm Optimization (PSO), and Differential Evolution (DE). (4) Most of the designs are evaluated by means of simulations, but part of the proposals are implemented and tested in a real-world application by combining the self-adaptive software technique and the control algorithms which are presented in this thesis.

Estudio de arquitecturas software para servicios de Internet de las Cosas

A medida que la sociedad avanza, la cantidad de datos almacenados en sistemas de información y procesados por las aplicaciones y servidores software se eleva exponencialmente. Además, las nuevas tecnologías han confiado su desarrollo en la red internacionalmente conectada: Internet. En consecuencia, se han aprovechado las conexiones máquina a máquina (M2M) mediante Internet y se ha desarrollado el concepto de "Internet de las Cosas", red de dispositivos y terminales donde cualquier objeto cotidiano puede establecer conexiones con otros objetos o con un teléfono inteligente mediante los servicios desplegados en dicha red. Sin embargo, estos nuevos datos y eventos se deben procesar en tiempo real y de forma eficaz, para reaccionar ante cualquier situación. Así, las arquitecturas orientadas a eventos solventan la comprensión del intercambio de mensajes en tiempo real. De esta forma, una EDA (Event-Driven Architecture) brinda la posibilidad de implementar una arquitectura software con una definición exhaustiva de los mensajes, notificándole al usuario los hechos que han ocurrido a su alrededor y las acciones tomadas al respecto. Este Trabajo Final de Grado se centra en el estudio de las arquitecturas orientadas a eventos, contrastándolas con el resto de los principales patrones arquitectónicos. Esta comparación se ha efectuado atendiendo a los requisitos no funcionales de cada uno, como, por ejemplo, la seguridad frente a amenazas externas. Asimismo, el objetivo principal es el estudio de las arquitecturas EDA (Event-Driven Architecture) y su relación con la red de Internet de las Cosas, que permite a cualquier dispositivo acceder a los servicios desplegados en esa red mediante Internet. El objeto del TFG es observar y verificar las ventajas de esta arquitectura, debido a su carácter de tipo inmediato, mediante el envío y recepción de mensajes en tiempo real y de forma asíncrona. También se ha realizado un estudio del estado del arte de estos patrones de arquitectura software, así como de la red de IoT (Internet of Things) y sus servicios. Por otro lado, junto con este TFG se ha desarrollado una simulación de una EDA completa, con todos sus elementos: productores, consumidores y procesador de eventos complejo, además de la visualización de los datos. Para ensalzar los servicios prestados por la red de IoT y su relación con una arquitectura EDA, se ha implementado una simulación de un servicio personalizado de Tele-asistencia. Esta prueba de concepto ha ayudado a reforzar el aprendizaje y entender con más precisión todo el conocimiento adquirido mediante el estudio teórico de una EDA. Se ha implementado en el lenguaje de programación Java, mediante las soluciones de código abierto RabbitMQ y Esper, ayudando a su unión el estándar AMQP, para completar correctamente la transferencia.

Utilizing the Internet of Things to promote energy awareness and efficiency at discrete production processes: Practices and methodology

El actual contexto de fabricación, con incrementos en los precios de la energía, una creciente preocupación medioambiental y cambios continuos en los comportamientos de los consumidores, fomenta que los responsables prioricen la fabricación respetuosa con el medioambiente. El paradigma del Internet de las Cosas (IoT) promete incrementar la visibilidad y la atención prestada al consumo de energía gracias tanto a sensores como a medidores inteligentes en los niveles de máquina y de línea de producción. En consecuencia es posible y sencillo obtener datos de consumo de energía en tiempo real proveniente de los procesos de fabricación, pero además es posible analizarlos para incrementar su importancia en la toma de decisiones. Esta tesis pretende investigar cómo utilizar la adopción del Internet de las Cosas en el nivel de planta de producción, en procesos discretos, para incrementar la capacidad de uso de la información proveniente tanto de la energía como de la eficiencia energética. Para alcanzar este objetivo general, la investigación se ha dividido en cuatro sub-objetivos y la misma se ha desarrollado a lo largo de cuatro fases principales (en adelante estudios). El primer estudio de esta tesis, que se apoya sobre una revisión bibliográfica comprehensiva y sobre las aportaciones de expertos, define prácticas de gestión de la producción que son energéticamente eficientes y que se apoyan de un modo preeminente en la tecnología IoT. Este primer estudio también detalla los beneficios esperables al adoptar estas prácticas de gestión. Además, propugna un marco de referencia para permitir la integración de los datos que sobre el consumo energético se obtienen en el marco de las plataformas y sistemas de información de la compañía. Esto se lleva a cabo con el objetivo último de remarcar cómo estos datos pueden ser utilizados para apalancar decisiones en los niveles de procesos tanto tácticos como operativos. Segundo, considerando los precios de la energía como variables en el mercado intradiario y la disponibilidad de información detallada sobre el estado de las máquinas desde el punto de vista de consumo energético, el segundo estudio propone un modelo matemático para minimizar los costes del consumo de energía para la programación de asignaciones de una única máquina que deba atender a varios procesos de producción. Este modelo permite la toma de decisiones en el nivel de máquina para determinar los instantes de lanzamiento de cada trabajo de producción, los tiempos muertos, cuándo la máquina debe ser puesta en un estado de apagada, el momento adecuado para rearrancar, y para pararse, etc. Así, este modelo habilita al responsable de producción de implementar el esquema de producción menos costoso para cada turno de producción. En el tercer estudio esta investigación proporciona una metodología para ayudar a los responsables a implementar IoT en el nivel de los sistemas productivos. Se incluye un análisis del estado en que se encuentran los sistemas de gestión de energía y de producción en la factoría, así como también se proporcionan recomendaciones sobre procedimientos para implementar IoT para capturar y analizar los datos de consumo. Esta metodología ha sido validada en un estudio piloto, donde algunos indicadores clave de rendimiento (KPIs) han sido empleados para determinar la eficiencia energética. En el cuarto estudio el objetivo es introducir una vía para obtener visibilidad y relevancia a diferentes niveles de la energía consumida en los procesos de producción. El método propuesto permite que las factorías con procesos de producción discretos puedan determinar la energía consumida, el CO2 emitido o el coste de la energía consumida ya sea en cualquiera de los niveles: operación, producto o la orden de fabricación completa, siempre considerando las diferentes fuentes de energía y las fluctuaciones en los precios de la misma. Los resultados muestran que decisiones y prácticas de gestión para conseguir sistemas de producción energéticamente eficientes son posibles en virtud del Internet de las Cosas. También, con los resultados de esta tesis los responsables de la gestión energética en las compañías pueden plantearse una aproximación a la utilización del IoT desde un punto de vista de la obtención de beneficios, abordando aquellas prácticas de gestión energética que se encuentran más próximas al nivel de madurez de la factoría, a sus objetivos, al tipo de producción que desarrolla, etc. Así mismo esta tesis muestra que es posible obtener reducciones significativas de coste simplemente evitando los períodos de pico diario en el precio de la misma. Además la tesis permite identificar cómo el nivel de monitorización del consumo energético (es decir al nivel de máquina), el intervalo temporal, y el nivel del análisis de los datos son factores determinantes a la hora de localizar oportunidades para mejorar la eficiencia energética. Adicionalmente, la integración de datos de consumo energético en tiempo real con datos de producción (cuando existen altos niveles de estandarización en los procesos productivos y sus datos) es esencial para permitir que las factorías detallen la energía efectivamente consumida, su coste y CO2 emitido durante la producción de un producto o componente. Esto permite obtener una valiosa información a los gestores en el nivel decisor de la factoría así como a los consumidores y reguladores. ABSTRACT In today‘s manufacturing scenario, rising energy prices, increasing ecological awareness, and changing consumer behaviors are driving decision makers to prioritize green manufacturing. The Internet of Things (IoT) paradigm promises to increase the visibility and awareness of energy consumption, thanks to smart sensors and smart meters at the machine and production line level. Consequently, real-time energy consumption data from the manufacturing processes can be easily collected and then analyzed, to improve energy-aware decision-making. This thesis aims to investigate how to utilize the adoption of the Internet of Things at shop floor level to increase energy–awareness and the energy efficiency of discrete production processes. In order to achieve the main research goal, the research is divided into four sub-objectives, and is accomplished during four main phases (i.e., studies). In the first study, by relying on a comprehensive literature review and on experts‘ insights, the thesis defines energy-efficient production management practices that are enhanced and enabled by IoT technology. The first study also explains the benefits that can be obtained by adopting such management practices. Furthermore, it presents a framework to support the integration of gathered energy data into a company‘s information technology tools and platforms, which is done with the ultimate goal of highlighting how operational and tactical decision-making processes could leverage such data in order to improve energy efficiency. Considering the variable energy prices in one day, along with the availability of detailed machine status energy data, the second study proposes a mathematical model to minimize energy consumption costs for single machine production scheduling during production processes. This model works by making decisions at the machine level to determine the launch times for job processing, idle time, when the machine must be shut down, ―turning on‖ time, and ―turning off‖ time. This model enables the operations manager to implement the least expensive production schedule during a production shift. In the third study, the research provides a methodology to help managers implement the IoT at the production system level; it includes an analysis of current energy management and production systems at the factory, and recommends procedures for implementing the IoT to collect and analyze energy data. The methodology has been validated by a pilot study, where energy KPIs have been used to evaluate energy efficiency. In the fourth study, the goal is to introduce a way to achieve multi-level awareness of the energy consumed during production processes. The proposed method enables discrete factories to specify energy consumption, CO2 emissions, and the cost of the energy consumed at operation, production and order levels, while considering energy sources and fluctuations in energy prices. The results show that energy-efficient production management practices and decisions can be enhanced and enabled by the IoT. With the outcomes of the thesis, energy managers can approach the IoT adoption in a benefit-driven way, by addressing energy management practices that are close to the maturity level of the factory, target, production type, etc. The thesis also shows that significant reductions in energy costs can be achieved by avoiding high-energy price periods in a day. Furthermore, the thesis determines the level of monitoring energy consumption (i.e., machine level), the interval time, and the level of energy data analysis, which are all important factors involved in finding opportunities to improve energy efficiency. Eventually, integrating real-time energy data with production data (when there are high levels of production process standardization data) is essential to enable factories to specify the amount and cost of energy consumed, as well as the CO2 emitted while producing a product, providing valuable information to decision makers at the factory level as well as to consumers and regulators.

Development of a fuzzy control based self-adaptive system for energy saving in constrained networks for the Internet of Things

Las redes del futuro, incluyendo las redes de próxima generación, tienen entre sus objetivos de diseño el control sobre el consumo de energía y la conectividad de la red. Estos objetivos cobran especial relevancia cuando hablamos de redes con capacidades limitadas, como es el caso de las redes de sensores inalámbricos (WSN por sus siglas en inglés). Estas redes se caracterizan por estar formadas por dispositivos de baja o muy baja capacidad de proceso y por depender de baterías para su alimentación. Por tanto la optimización de la energía consumida se hace muy importante. Son muchas las propuestas que se han realizado para optimizar el consumo de energía en este tipo de redes. Quizás las más conocidas son las que se basan en la planificación coordinada de periodos de actividad e inactividad, siendo una de las formas más eficaces para extender el tiempo de vida de las baterías. La propuesta que se presenta en este trabajo se basa en el control de la conectividad mediante una aproximación probabilística. La idea subyacente es que se puede esperar que una red mantenga la conectividad si todos sus nodos tienen al menos un número determinado de vecinos. Empleando algún mecanismo que mantenga ese número, se espera que se pueda mantener la conectividad con un consumo energético menor que si se empleara una potencia de transmisión fija que garantizara una conectividad similar. Para que el mecanismo sea eficiente debe tener la menor huella posible en los dispositivos donde se vaya a emplear. Por eso se propone el uso de un sistema auto-adaptativo basado en control mediante lógica borrosa. En este trabajo se ha diseñado e implementado el sistema descrito, y se ha probado en un despliegue real confirmando que efectivamente existen configuraciones posibles que permiten mantener la conectividad ahorrando energía con respecto al uso de una potencia de transmisión fija. ABSTRACT. Among the design goals for future networks, including next generation networks, we can find the energy consumption and the connectivity. These two goals are of special relevance when dealing with constrained networks. That is the case of Wireless Sensors Networks (WSN). These networks consist of devices with low or very low processing capabilities. They also depend on batteries for their operation. Thus energy optimization becomes a very important issue. Several proposals have been made for optimizing the energy consumption in this kind of networks. Perhaps the best known are those based on the coordinated planning of active and sleep intervals. They are indeed one of the most effective ways to extend the lifetime of the batteries. The proposal presented in this work uses a probabilistic approach to control the connectivity of a network. The underlying idea is that it is highly probable that the network will have a good connectivity if all the nodes have a minimum number of neighbors. By using some mechanism to reach that number, we hope that we can preserve the connectivity with a lower energy consumption compared to the required one if a fixed transmission power is used to achieve a similar connectivity. The mechanism must have the smallest footprint possible on the devices being used in order to be efficient. Therefore a fuzzy control based self-adaptive system is proposed. This work includes the design and implementation of the described system. It also has been validated in a real scenario deployment. We have obtained results supporting that there exist configurations where it is possible to get a good connectivity saving energy when compared to the use of a fixed transmission power for a similar connectivity.