Tecnologías Específicas

Computación

Descripcion y Objetivos

Diferentes propuestas han aparecido hasta la fecha en el área de la Computación Móvil y Pervasiva que persiguen alcanzar el principio enunciado por Mark Weisser (Xerox Park, 1990): conseguir que la tecnología sea utilizada por el usuario sin que éste perciba su uso. Diferentes propuestas persiguen que se dote a los diferentes objetos físicos en el entorno del usuario de capacidades de comunicación y computación de manera que el usuario interactúe de forma explícita y simultánea tanto con el mundo físico como con el ciber-mundo, es decir, se proporcione una experiencia física aumentada. Pero no sólo se dota a los objetos físicos de dichas capacidades, sino que el propio usuario interactúa también de forma implícita proporcionando información personal (por ejemplo, mediante su smartphone) para facilitar esa interacción en ambos mundos, confluyendo hacia lo que se ha denominado la Convergencia Ciber–Física (Conti et al., 2012).

Así, dotando al mundo físico de sensores, los sistemas que integran el ciber-mundo son capaces de monitorizar constantemente qué ocurre en el mundo físico (ver Figura 1). Esa información es procesada por los sistemas del ciber-mundo para razonar acerca de qué ocurre en el mundo físico y poder determinar qué operaciones son necesarias. Finalmente, mediante los actuadores dichos sistema son capaces de actuar sobre el mundo físico. Este tipo de sistemas son conocidos como Sistemas Ciber-Físicos (Cyber-Physical Systems, CPS (Rajkumar, Lee, Sha, & Stankovic, 2010)). Dichos CPS están siendo utilizados en dominios tan diversos como infraestructuras críticas o sistemas aeroespaciales y ferroviarios, así como en el cuidado de la salud o en los denominados vehículos autónomos.

Recientemente, se ha dado un paso más en el desarrollo de dichos CPS, con la aparición de los denominados Sistemas Ciber-Físicos Sociales (Cyber-Physical Social Systems, CPSS (Zeng, Yang, Lin, Ning, & Ma, 2016)). Estos sistemas persiguen acercarse más a dicha Convergencia Ciber-Física, poniendo el foco de la computación en la persona a fin de considerar una característica tan intrínsicamente humana como es la social. Dichos sistemas pretenden ir más allá de la interacción del usuario en un entorno ciber-físico, considerando ahora aspectos de la dimensión social del individuo, de cómo éste socializa, colabora e interactúa con otros individuos. Los CPS consideran aspectos del individuo tales como su comportamiento, sus afectos o sus emociones. Dichos sistemas, tal y como se ha comentado anteriormente, permiten la sensorización del usuario a fin de poder monitorizarlo y proporcionar dicha información relevante al sistema. Sin embargo, los CPSS transcienden al individuo. Éstos consideran además las características sociales y las relaciones del individuo, apareciendo conceptos como el crowd sourcing (De, Zhou, Larizgoitia Abad, & Moessner, 2017) o los objetos sociales (Atzori, Carboni, & Iera, 2014), a fin de conseguir que los CPSS operen de forma integral.

Los CPSS están siendo utilizados en diferentes dominios donde la dimensión social es de especial relevancia. Así, tal y como se ha comentado, se están empleando para el desarrollo de Sistemas de Transporte. Un sencillo ejemplo es proporcionado por (Hussein, Park, Han, & Crespi, 2015) en el que se describe cómo una persona en un aeropuerto podría acceder a los servicios de éste. También en este dominio es Platooning (Dressler, 2018) orientado a permitir la comunicación entre vehículos (car2x) permite coordinarlos a fin de conseguir objetivos como mejorar la seguridad del conductor, optimizar el uso de la carretera o reducir las emisiones considerando todas las posibles interacciones humanas, así como deseos, capacidades, e incluso intenciones maliciosas. También en el dominio de Smart Cities  se ha empleado por ejemplo crowd sourcing (De et al., 2017) para llevar a cabo una sensorización participativa en la que cada usuario proporciona información sobre la polución en la ciudad mediante sus propios dispositivos. Aquí aparecen conceptos como las relaciones de confianza, los errores o los aspectos de privacidad que se han de considerar en el diseño. En las Smart Homes también podemos encontrar ejemplos de CPSS (Wang, Yang, Feng, Chen, & Deen, 2016) en los que los patrones de uso de pequeños electrodomésticos en el hogar, junto con los perfiles de las redes sociales, ayudan a detectar estructuras de la comunidad. Un paso más allá en este dominio ha aparecido con los denominados Entornos de Vida Mejorados (Enhanced Living Environments, ELE (Pop, Ganchev, Valderrama, Belov, & Di Martino, 2016)). Así, se ha propuesto la creación de ELEs para proporcionar entornos inteligentes y seguros a ancianos o personas con discapacidad de forma que permitan que ellos mantengan su autonomía y tengan una buena calidad de vida. Finalmente, se han realizado diferentes propuestas de la comunidad CPSS en el dominio de la Salud. Por ejemplo, kHealth-asthma (Sheth, Jaimini, & Yip, 2018) ayuda a los niños en su auto-evaluación utilizando tanto información fisiológica como de su entorno físico, así como de su entorno social, para explicar comportamientos o dinámicas del paciente.

Uno de los aspectos críticos en el desarrollo de los CPSS es Context-Awareness (sensibilidad al contexto). Tal y como se indica en (Teruel, Navarro, González, López-Jaquero, & Montero, 2016), se han descrito hasta la fecha diferentes interpretaciones de Awareness, entre ellas Context-Awareness. Ésta tiene como objetivo principal describir todo aquello que hay en el entorno de una entidad ya sea física o lógica. Así permitiría, por ejemplo, saber la actividad que está desarrollando una persona o las propiedades/estado de cualquier objeto físico que hay en el entorno. La mayoría de los trabajos relativos a este aspecto consideran lo que se ha denominado Situational-Awareness. Por ejemplo, una de las propuestas en el ámbito de los CPSS (Hussein et al., 2015) utiliza Situational-Awareness para determinar las intenciones del usuario y así optimizar la búsqueda de los objetos y servicios sociales a ofrecerle. En el desarrollo de dicha facilidad se han seguido diferentes aproximaciones, como sistemas genéticos, colonias de hormigas, redes neuronales, etc. (Kulkarni & Rodd, 2020).

Los objetivos de este proyecto son los siguientes:

• Comprender qué son los CPSS y los diferentes elementos que los conforman.
• Identificar y comprender las diferentes aproximaciones para el desarrollo de sistemas de recomendación basados en el contexto
• Justificar qué aproximación seguir en el contexto del presente TFG considerando que nuestro contexto es: (a) dinámico, dado que nuestros usuarios y objetos sociales pueden entrar y salir del mismo; (b) completamente/parcialmente observable dado que puede tener información incompleta.
• Desarrollar un prototipo de sistema CPSS utilizando Azure Digital Twins (Microsoft Corporation, 2020) como framework de desarrollo.
• Desarrollar un prototipo de un sistema de recomendación integrado en dicho CPSS.

 

Metodología y Competencias

Metodología

• Lean StartUP: esta metodología se utilizará en una primera fase del proyecto a fin de estudiar las herramientas que permitirán el desarrollo de sistemas híbridos.
• Scrum: esta metodología se utilizará para el desarollo y evaluación del sistema híbrido

Compentencias:

El presente TFG pretende reforzar las siguientes competencias:

• Capacidad para tener un conocimiento profundo de los principios fundamentales y modelos de la computación y saberlos aplicar para interpretar, seleccionar, valorar, modelar, y crear nuevos conceptos, teorías, usos y desarrollos tecnológicos relacionados con la informática.
• Capacidad para conocer los fundamentos, paradigmas y técnicas propias de los sistemas inteligentes y analizar, diseñar y construir sistemas, servicios y aplicaciones informáticas que utilicen dichas técnicas en cualquier ámbito de aplicación.
• Capacidad para adquirir, obtener, formalizar y representar el conocimiento humano en una forma computable para la resolución de problemas mediante un sistema informático en cualquier ámbito de aplicación, particularmente los relacionados con aspectos de computación, percepción y actuación en ambientes entornos inteligentes.
• Capacidad para desarrollar y evaluar sistemas interactivos y de presentación de información compleja y su aplicación a la resolución de problemas de diseño de interacción persona computadora.

 

Medios a utilizar

Para el desarrollo de este TFG se utilizaran los siguientes medios:

• Entorno de programación Visual Studio
• Azure Digital Twins
• Sensores
• Móviles

 

Bibliografía

Atzori, L., Carboni, D., & Iera, A. (2014). Smart things in the social loop: Paradigms, technologies, and potentials. Ad Hoc Networks, 18, 121–132. https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2013.03.012

Conti, M., Das, S. K., Bisdikian, C., Kumar, M., Ni, L. M., Passarella, A., … Zambonelli, F. (2012). Looking ahead in pervasive computing: Challenges and opportunities in the era of cyber–physical convergence. Pervasive and Mobile Computing, 8(1), 2–21. https://doi.org/10.1016/j.pmcj.2011.10.001

De, S., Zhou, Y., Larizgoitia Abad, I., & Moessner, K. (2017). Cyber–Physical–Social Frameworks for Urban Big Data Systems: A Survey. Applied Sciences, 7(10), 1017. https://doi.org/10.3390/app7101017

Dressler, F. (2018). Cyber Physical Social Systems: Towards Deeply Integrated Hybridized Systems. In 2018 International Conference on Computing, Networking and Communications (ICNC) (pp. 420–424). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICCNC.2018.8390404

Hussein, D., Park, S., Han, S. N., & Crespi, N. (2015). Dynamic Social Structure of Things: A Contextual Approach in CPSS. IEEE Internet Computing, 19(3), 12–20. https://doi.org/10.1109/MIC.2015.27

Kulkarni, S., & Rodd, S. F. (2020). Context Aware Recommendation Systems: A review of the state of the art techniques. Computer Science Review, 37, 100255. https://doi.org/10.1016/j.cosrev.2020.100255

Microsoft Corporation. (2020). Azure Digital Twins. Retrieved July 21, 2020, from https://docs.microsoft.com/en-us/azure/digital-twins/

Oracle. (n.d.). Developing Applications with Oracle Internet of Things Cloud Service. Retrieved July 21, 2020, from https://docs.oracle.com/en/cloud/paas/iot-cloud/iotgs/iot-digital-twin-framework.html

Pop, F., Ganchev, I., Valderrama, C., Belov, K., & Di Martino, B. (2016). Cloud Computing for Enhanced Living Environments. IEEE Cloud Computing, 3(6), 24–27. https://doi.org/10.1109/MCC.2016.136

Rajkumar, R., Lee, I., Sha, L., & Stankovic, J. (2010). Cyber-physical systems: The next computing revolution. In 47th ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC’10) (pp. 731–736). https://doi.org/10.1145/1837274.1837461

Sheth, A., Jaimini, U., & Yip, H. Y. (2018). How Will the Internet of Things Enable Augmented Personalized Health? IEEE Intelligent Systems, 33(1), 89–97. https://doi.org/10.1109/MIS.2018.012001556

Teruel, M. A., Navarro, E., González, P., López-Jaquero, V., & Montero, F. (2016). Applying thematic analysis to define an awareness interpretation for collaborative computer games. Information and Software Technology, 74, 17–44. https://doi.org/10.1016/j.infsof.2016.01.009

W3C. (n.d.). Web of Things (WoT) Architecture. Retrieved July 21, 2020, from https://www.w3.org/TR/wot-architecture/

Wang, X., Yang, L. T., Feng, J., Chen, X., & Deen, M. J. (2016). A Tensor-Based Big Service Framework for Enhanced Living Environments. IEEE Cloud Computing, 3(6), 36–43. https://doi.org/10.1109/MCC.2016.130

Zeng, J., Yang, L. T., Lin, M., Ning, H., & Ma, J. (2016). A survey: Cyber-physical-social systems and their system-level design methodology. Future Generation Computer Systems. https://doi.org/10.1016/j.future.2016.06.034