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.

Dealing with Semantic Heterogeneity Issues on the Web

The Semantic Web is an extension of the traditional Web in which meaning of information is well defined, thus allowing a better interaction between people and computers. To accomplish its goals, mechanisms are required to make explicit the semantics of Web resources, to be automatically processed by software agents (this semantics being described by means of online ontologies). Nevertheless, issues arise caused by the semantic heterogeneity that naturally happens on the Web, namely redundancy and ambiguity. For tackling these issues, we present an approach to discover and represent, in a non-redundant way, the intended meaning of words in Web applications, while taking into account the (often unstructured) context in which they appear. To that end, we have developed novel ontology matching, clustering, and disambiguation techniques. Our work is intended to help bridge the gap between syntax and semantics for the Semantic Web construction

Semantic middleware development for the Internet of Things

After the extraordinary spread of the World Wide Web during the last fifteen years, engineers and developers are pushing now the Internet to its next border. A new conception in computer science and networks communication has been burgeoning during roughly the last decade: a world where most of the computers of the future will be extremely downsized, to the point that they will look like dust at its most advanced prototypes. In this vision, every single element of our “real” world has an intelligent tag that carries all their relevant data, effectively mapping the “real” world into a “virtual” one, where all the electronically augmented objects are present, can interact among them and influence with their behaviour that of the other objects, or even the behaviour of a final human user. This is the vision of the Internet of the Future, which also draws ideas of several novel tendencies in computer science and networking, as pervasive computing and the Internet of Things. As it has happened before, materializing a new paradigm that changes the way entities interrelate in this new environment has proved to be a goal full of challenges in the way. Right now the situation is exciting, with a plethora of new developments, proposals and models sprouting every time, often in an uncoordinated, decentralised manner away from any standardization, resembling somehow the status quo of the first developments of advanced computer networking, back in the 60s and the 70s. Usually, a system designed after the Internet of the Future will consist of one or several final user devices attached to these final users, a network –often a Wireless Sensor Network- charged with the task of collecting data for the final user devices, and sometimes a base station sending the data for its further processing to less hardware-constrained computers. When implementing a system designed with the Internet of the Future as a pattern, issues, and more specifically, limitations, that must be faced are numerous: lack of standards for platforms and protocols, processing bottlenecks, low battery lifetime, etc. One of the main objectives of this project is presenting a functional model of how a system based on the paradigms linked to the Internet of the Future works, overcoming some of the difficulties that can be expected and showing a model for a middleware architecture specifically designed for a pervasive, ubiquitous system. This Final Degree Dissertation is divided into several parts. Beginning with an Introduction to the main topics and concepts of this new model, a State of the Art is offered so as to provide a technological background. After that, an example of a semantic and service-oriented middleware is shown; later, a system built by means of this semantic and service-oriented middleware, and other components, is developed, justifying its placement in a particular scenario, describing it and analysing the data obtained from it. Finally, the conclusions inferred from this system and future works that would be good to be tackled are mentioned as well. RESUMEN Tras el extraordinario desarrollo de la Web durante los últimos quince años, ingenieros y desarrolladores empujan Internet hacia su siguiente frontera. Una nueva concepción en la computación y la comunicación a través de las redes ha estado floreciendo durante la última década; un mundo donde la mayoría de los ordenadores del futuro serán extremadamente reducidas de tamaño, hasta el punto que parecerán polvo en sus más avanzado prototipos. En esta visión, cada uno de los elementos de nuestro mundo “real” tiene una etiqueta inteligente que porta sus datos relevantes, mapeando de manera efectiva el mundo “real” en uno “virtual”, donde todos los objetos electrónicamente aumentados están presentes, pueden interactuar entre ellos e influenciar con su comportamiento el de los otros, o incluso el comportamiento del usuario final humano. Ésta es la visión del Internet del Futuro, que también toma ideas de varias tendencias nuevas en las ciencias de la computación y las redes de ordenadores, como la computación omnipresente y el Internet de las Cosas. Como ha sucedido antes, materializar un nuevo paradigma que cambia la manera en que las entidades se interrelacionan en este nuevo entorno ha demostrado ser una meta llena de retos en el camino. Ahora mismo la situación es emocionante, con una plétora de nuevos desarrollos, propuestas y modelos brotando todo el rato, a menudo de una manera descoordinada y descentralizada lejos de cualquier estandarización, recordando de alguna manera el estado de cosas de los primeros desarrollos de redes de ordenadores avanzadas, allá por los años 60 y 70. Normalmente, un sistema diseñado con el Internet del futuro como modelo consistirá en uno o varios dispositivos para usuario final sujetos a estos usuarios finales, una red –a menudo, una red de sensores inalámbricos- encargada de recolectar datos para los dispositivos de usuario final, y a veces una estación base enviando los datos para su consiguiente procesado en ordenadores menos limitados en hardware. Al implementar un sistema diseñado con el Internet del futuro como patrón, los problemas, y más específicamente, las limitaciones que deben enfrentarse son numerosas: falta de estándares para plataformas y protocolos, cuellos de botella en el procesado, bajo tiempo de vida de las baterías, etc. Uno de los principales objetivos de este Proyecto Fin de Carrera es presentar un modelo funcional de cómo trabaja un sistema basado en los paradigmas relacionados al Internet del futuro, superando algunas de las dificultades que pueden esperarse y mostrando un modelo de una arquitectura middleware específicamente diseñado para un sistema omnipresente y ubicuo. Este Proyecto Fin de Carrera está dividido en varias partes. Empezando por una introducción a los principales temas y conceptos de este modelo, un estado del arte es ofrecido para proveer un trasfondo tecnológico. Después de eso, se muestra un ejemplo de middleware semántico orientado a servicios; después, se desarrolla un sistema construido por medio de este middleware semántico orientado a servicios, justificando su localización en un escenario particular, describiéndolo y analizando los datos obtenidos de él. Finalmente, las conclusiones extraídas de este sistema y las futuras tareas que sería bueno tratar también son mencionadas.

Semantic Heterogeneity Issues on the Web

The Semantic Web is an extension of the traditional Web in which meaning of information is well defined, thus allowing a better interaction between people and computers. To accomplish its goals, mechanisms are required to make explicit the semantics of Web resources, to be automatically processed by software agents (this semantics being described by means of online ontologies). Nevertheless, issues arise caused by the semantic heterogeneity that naturally happens on the Web, namely redundancy and ambiguity. For tackling these issues, we present an approach to discover and represent, in a non-redundant way, the intended meaning of words in Web applications, while taking into account the (often unstructured) context in which they appear. To that end, we have developed novel ontology matching, clustering, and disambiguation techniques. Our work is intended to help bridge the gap between syntax and semantics for the Semantic Web construction.

The technofusion project for fusion technology development: opportunities for the inertial community

The new Spanish installation for fusion research (Technofusion) has been approved by both the national and regional governments. Funding up to 80-100 M€ will be invested in the construction of seven laboratories to cover many aspects relevant to fusion technology development. This work discusses their utility for inertial fusion research.

The technofusion project for fusion technology development: opportunities for the inertial community

Technofusion will be the new Spanish singular scientific-technical installation for fusion research. The research activities will be focused on seven areas of materials research considered the most relevant ones for further technological developments of fusion energy. In principle, most of the infrastructure in Technofusion will be useful for both, magnetic (MC) and inertial (IC) confinement fusion communities and most of the research and developments carried out for one of the fusion concepts will be valid and transferable to the other. However, some aspects related to first wall materials strongly differ in MC and IC approaches. This is due to the very different typical ion energy and deposited powers in both cases.

On the economics of energy consumption in 4G networks: the case of Spain

Reducing energy consumption is one of the main challenges in most countries. For example, European Member States agreed to reduce greenhouse gas (GHG) emissions by 20% in 2020 compared to 1990 levels (EC 2008). Considering each sector separately, ICTs account nowadays for 2% of total carbon emissions. This percentage will increase as the demand of communication services and applications steps up. At the same time, the expected evolution of ICT-based developments - smart buildings, smart grids and smart transportation systems among others - could result in the creation of energy-saving opportunities leading to global emission reductions (Labouze et al. 2008), although the amount of these savings is under debate (Falch 2010). The main development required in telecommunication networks ?one of the three major blocks of energy consumption in ICTs together with data centers and consumer equipment (Sutherland 2009) ? is the evolution of existing infrastructures into ultra-broadband networks, the so-called Next Generation Networks (NGN). Fourth generation (4G) mobile communications are the technology of choice to complete -or supplement- the ubiquitous deployment of NGN. The risk and opportunities involved in NGN roll-out are currently in the forefront of the economic and policy debate. However, the issue of which is the role of energy consumption in 4G networks seems absent, despite the fact that the economic impact of energy consumption arises as a key element in the cost analysis of this type of networks. Precisely, the aim of this research is to provide deeper insight on the energy consumption involved in the usage of a 4G network, its relationship with network main design features, and the general economic impact this would have in the capital and operational expenditures related with network deployment and usage.

Open Technologies for prototyping the Internet of Things

The worldwide "hyper-connection" of any object around us is the challenge that promises to cover the paradigm of the Internet of Things. If the Internet has colonized the daily life of more than 2000 million1 people around the globe, the Internet of Things faces of connecting more than 100000 million2 "things" by 2020. The underlying Internet of Things’ technologies are the cornerstone that promises to solve interrelated global problems such as exponential population growth, energy management in cities, and environmental sustainability in the average and long term. On the one hand, this Project has the goal of knowledge acquisition about prototyping technologies available in the market for the Internet of Things. On the other hand, the Project focuses on the development of a system for devices management within a Wireless Sensor and Actuator Network to offer some services accessible from the Internet. To accomplish the objectives, the Project will begin with a detailed analysis of various “open source” hardware platforms to encourage creative development of applications, and automatically extract information from the environment around them for transmission to external systems. In addition, web platforms that enable mass storage with the philosophy of the Internet of Things will be studied. The project will culminate in the proposal and specification of a service-oriented software architecture for embedded systems that allows communication between devices on the network, and the data transmission to external systems. Furthermore, it abstracts the complexities of hardware to application developers. RESUMEN. La “hiper-conexión” a nivel mundial de cualquier objeto que nos rodea es el desafío al que promete dar cobertura el paradigma de la Internet de las Cosas. Si la Internet ha colonizado el día a día de más de 2000 millones1 de personas en todo el planeta, la Internet de las Cosas plantea el reto de conectar a más de 100000 millones2 de “cosas” para el año 2020. Las tecnologías subyacentes de la Internet de las Cosas son la piedra angular que prometen dar solución a problemas globales interrelacionados como el crecimiento exponencial de la población, la gestión de la energía en las ciudades o la sostenibilidad del medioambiente a largo plazo. Este Proyecto Fin de Carrera tiene como principales objetivos por un lado, la adquisición de conocimientos acerca de las tecnologías para prototipos disponibles en el mercado para la Internet de las Cosas, y por otro lado el desarrollo de un sistema para la gestión de dispositivos de una red inalámbrica de sensores que ofrezcan unos servicios accesibles desde la Internet. Con el fin de abordar los objetivos marcados, el proyecto comenzará con un análisis detallado de varias plataformas hardware de tipo “open source” que estimulen el desarrollo creativo de aplicaciones y que permitan extraer de forma automática información del medio que les rodea para transmitirlo a sistemas externos para su posterior procesamiento. Por otro lado, se estudiarán plataformas web identificadas con la filosofía de la Internet de las Cosas que permitan el almacenamiento masivo de datos que diferentes plataformas hardware transfieren a través de la Internet. El Proyecto culminará con la propuesta y la especificación una arquitectura software orientada a servicios para sistemas empotrados que permita la comunicación entre los dispositivos de la red y la transmisión de datos a sistemas externos, así como facilitar el desarrollo de aplicaciones a los programadores mediante la abstracción de la complejidad del hardware.

Assessing the impact of adaptive accessibility on the optimal transport policy implementation by using an integrated land-use/transport model for Madrid

Accessibility is an essential concept widely used to evaluate the impact of land-use and transport strategies in transport and urban planning. Accessibility is typically evaluated by using a transport model or a land-use model independently or successively without a feedback loop, thus neglecting the interaction effects between the two systems and the induced competition effects among opportunities due to accessibility improvements. More than a mere methodological curiosity, failure to account for land- use/transport interactions and the competition effect may result in large underestimation of the policy effects. With the recent development of land-use and transport interaction (LUTI) models, there is a growing interest in using these models to adequately measure accessibility and evaluate its impact. The current study joins this research stream by embedding an accessibility measure in a LUTI model with two main aims. The first aim is to account for adaptive accessibility, namely the adjustment of the potential accessibility due to the effect of competition among opportunities (e.g., workplaces) as a result of improved accessibility. LUTI models are particularly suitable for assessing adaptive accessibility because the competition factor is a function of the number of jobs, which is related to land-use attractiveness and the number of workers which is related, among other factors, to the transport demand. The second aim is to identify the optimal implementation scenario of policy measures on the basis of the potential and adaptive accessibility and analyse the results in terms of social welfare and accessibility. The metropolitan area of Madrid is used as a case-study and two transport policy instruments, namely a cordon toll and bus frequency increase, have been chosen for the simulation study in order to present the usefulness of the approach to urban planners and policy makers. The MARS model (Metropolitan Activity Relocation Simulator) calibrated for Madrid was employed as the analysis tool. The impact of accessibility is embedded in the model through a social welfare function that includes not only costs and benefits to both road users and transport operators, but also costs and benefits for the government and society in general (external costs). An optimisation procedure is performed by the MARS model for maximizing the value of objective function in order to find the best (optimal) policy imp lementations intensity (i.e., price, frequency). Last, the two policy strategies are evaluated in terms of their accessibility. Results show that the accessibility with competition factor influences the optimal policy implementation level and also generates different results in terms of social welfare. In addition, mapping the difference between the potential and the adaptive accessibility indicators shows that the main changes occur in areas where there is a strong competition among land-use opportunities.

Hybrid City. Learning to make cities through the daily use of the internet

The concept hybrid city responds to a series of real demands of liveability in cities in an information society as it integrates the physical and the virtual in an "augmented" reality by the everyday use of ICT and virtual social network.

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.

Towards Mapping Experience Design for the Internet of Things.

We are witnessing a fundamental transformation in how Internet of Things (IoT) is having an impact on the experience users have with data-driven devices, smart appliances, and connected products. The experience of any place is commonly defined as the result of a series of user engagements with a surrounding place in order to carry out daily activities (Golledge, 2002). Knowing about users? experiences becomes vital to the process of designing a map. In the near future, a user will be able to interact directly with any IoT device placed in his surrounding place and very little is known on what kinds of interactions and experiences a map might offer (Roth, 2015). The main challenge is to develop an experience design process to devise maps capable of supporting different user experience dimensions such as cognitive, sensory-physical, affective, and social (Tussyadiah and Zach, 2012). For example, in a smart city of the future, the IoT devices allowing a multimodal interaction with a map could help tourists in the assimilation of their knowledge about points of interest (cognitive experience), their association of sounds and smells to these places (sensory-physical experience), their emotional connection to them (affective experience) and their relationships with other nearby tourists (social experience). This paper aims to describe a conceptual framework for developing a Mapping Experience Design (MXD) process for building maps for smart connected places of the future. Our MXD process is focussed on the cognitive dimension of an experience in which a person perceives a place as a "living entity" that uses and feeds through his experiences. We want to help people to undergo a meaningful experience of a place through mapping what is being communicated during their interactions with the IoT devices situated in this place. Our purpose is to understand how maps can support a person?s experience in making better decisions in real-time.

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.