I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes (EI3 2011) Organizadas por:

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2 I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes (EI3 2011) Organizadas por:

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4 Actas del I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes (EI3 2011) Edificio Multidepartamental Guadalajara 17 de marzo de 2011 Editores de la presente edición: Luis Bengochea Martínez Antonio García Cabot Eva García López José Antonio Gutiérrez de Mesa Luis de Marcos Ortega Editorial: Servicio de Publicaciones - Universidad de Alcalá

5 El contenido de este libro no podrá ser reproducido, ni total ni parcialmente, sin el previo permiso escrito del editor. Todos los derechos Universidad de Alcalá Servicio de Publicaciones Plaza de San Diego, s/n Alcalá de Henares ISBN: Depósito Legal: M Impresión y encuadernación: Impulso Global Solutions Impreso en España

6 Presidencia de honor José María Barreda Fontes (Presidente de Castilla-La Mancha) Fernando Galván Reula (Rector de la UAH) Íñigo Meirás Amusco (Consejero Delegado de Ferrovial) Presidencia institucional María Ángeles García Moreno (Consejera de Educación, Ciencia y Cultura de Castilla-La Mancha) José Antonio Gutiérrez de Mesa (Vicerrector de la Universidad de Alcalá) Alberto López-Oleaga López (Director de Innovación y Procesos de Ferrovial) Presidencia de las Jornadas Rafael Fando Mestre (Ferrovial) Carlos F. Essebag Benchimol (Matemáticas) Juan Jesús García Domínguez (Electrónica) Saturnino Maldonado Bascón (Teoría de la Señal y Comunicaciones) Agustín Martínez Hellín (Automática) José Javier Martínez Herráiz (Ciencias de la Computación) Antonio Sastre Merlín (Geología) Comité de Organización Antonio Abellán García (Universidad de Alcalá) Guillermo de Alarcón Pareja (Universidad de Alcalá) Roberto Barchino Plata (Universidad de Alcalá) Luis Bengochea Martínez (Universidad de Alcalá) Luciano Boquete Vázquez (Universidad de Alcalá) Alvaro Carbajo Rafel (CI3) Gabriel Cuervo Leicach (CI3) Enrique Díez Barra (Viceconsejero de Castilla-La Mancha) Eladio Domínguez Murillo (Universidad de Zaragoza) Carlos F. Esebbag Benchimol (Universidad de Alcalá) Ángel Francés Román (Universidad de Zaragoza) Dolores Francés San Román (CI3) Antonio García Cabot (Universidad de Alcalá) Eloy García Calvo (IMDEA AGUA) Eva García López (Universidad de Alcalá) Verónica González Araujo (Universidad de Alcalá) 5

7 José María Gutiérrez Martínez (Universidad de Alcalá) José Ramón Hilera González (Universidad de Alcalá) Juan Carlos López López (UCLM) Francisco López Ferreras (Universidad de Alcalá) Luis de Marcos Ortega (Universidad de Alcalá) Blanca Menéndez Olías (Fundación General de la Universidad de Alcalá) Salvador Otón Tortosa (Universidad de Alcalá) Mario Piattini Velthuis (UCLM) Ana María Privado Rivera (Fundación General de la Universidad de Alcalá) Juan Antonio Rodrigo Yanes (Universidad de Alcalá) Juan Ramón Velasco Pérez (Universidad de Alcalá) 6

8 Comité Científico Bárbara Álvarez Torres (UPCT) Luis Miguel Bergasa Pascual (Universidad de Alcalá) Manuel Blanco Velasco (Universidad de Alcalá) Tomasa Calvo Sánchez (Universidad de Alcalá) Manuel Felipe Cátedra Pérez (Universidad de Alcalá) Pilar Chías Navarro (Universidad de Alcalá) Emilio Chuvieco Salinero (Universidad de Alcalá) Arturo de la Escalera Hueso (UC3M) Óscar Esteban Martínez (Universidad de Alcalá) Miguel Ángel Esteso Díaz (Universidad de Alcalá) José Raúl Fernández del Castillo (Universidad de Alcalá) Eugenio José Fernández Vicente (Universidad de Alcalá) M. Ángeles Fernández de Sevilla (Universidad de Alcalá) Luis Fernández Sanz (ATI) Elena García Barriocanal (Universidad de Alcalá) Eloy García Calvo (Universidad de Alcalá) M. Pilar Jarabo Amores (Universidad de Alcalá) Manuel Jiménez Buendía (UPCT) José Antonio Malpica Velasco (Universidad de Alcalá) Tomás Mancha Navarro (Universidad de Alcalá) Esperanza Marcos Martínez (URJC) José María Mercé Hospital (Universidad de Alcalá) Daniel Meziat Luna (Universidad de Alcalá) Antonio Mocholí Salcedo (UPV) Emilio Olías Ruiz (UC3M) M. José Ortiz Bevia (Universidad de Alcalá) Rafael Rico López (Universidad de Alcalá) Francisco J. Rodríguez Sánchez (Universidad de Alcalá) M. Dolores Rodríguez Frías (Universidad de Alcalá) Manuel Rosa Zurera (Universidad de Alcalá) Sancho Salcedo Sanz (Universidad de Alcalá) Francisco Manuel Sáez de Adana Herrero (Universidad de Alcalá) José Francisco Sancho Comins (Universidad de Alcalá) Manuel Francisco Segura Redondo (Universidad de Alcalá) Salvador del Valle Ballesteros (GESFOR) 7

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10 Prólogo Como fruto de la colaboración entre la Universidad de Alcalá, La Junta de Comunidades de Castilla La Mancha y la empresa Ferrovial a través de la Fundación Centro de Innovación de Infraestructuras Inteligentes, surgen este I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes (EI3-2011), con el objetivo de presentar y poner en común trabajos y experiencias en el ámbito de la aplicación de las Tecnologías que puedan ser de utilidad a los asistentes, tanto empresas como grupos de investigación, aportando ideas y soluciones a problemas reales relacionados con diferentes aspectos de la utilización de estas tecnologías al servicio de la sociedad digital en general y a sus nuevos problemas con que nos desafía. Las áreas de interés de este primer encuentro incluyen las siguientes, aunque no están limitadas a ellas: Infraestructuras Inteligentes, Eficiencia Energética, Sensores, Software Aplicado a Infraestructuras, Eficiencia Ecológica, Movilidad, Ciudades Sostenibles, Autopistas del Futuro, Transporte Ecológico y Eficiente, Domótica, Automatización, Sostenibilidad Medioambiental, Aeropuertos, Vehículos Inteligentes, Gestión de Residuos y Energías Renovables. En relación con estas áreas tecnológicas, en este libro de actas se recoge la descripción de trabajos de desarrollo de aplicaciones y posibles soluciones en los que se han utilizando herramientas, métodos y tecnologías para la automatización de las actividades de análisis, diseño, construcción, implementación, pruebas e implantación de los productos presentados por sus autores. Además de aplicaciones de gestión para su ejecución en un entorno de escritorio, también pueden encontrarse en el libro complejas aplicaciones basadas en las tecnologías más avanzadas y para cuyo desarrollo los autores han seguido un enfoque de ingeniería. Otros trabajos están relacionados con las comunicaciones, la construcción, gestión, configuración y verificación de redes de ordenadores para el control energético de grandes ciudades; así como las aportaciones de los pavimentos inteligentes, tanto en lo que respecta a la instalación, configuración y mantenimiento, como de las mejoras que puede introducir en los medios urbanos. Finalmente, se han seleccionado valiosas aportaciones vinculadas a casos prácticos como pueden ser la mejoras de control en parque eólicos o las consideraciones de la eficiencia de las ciudades. Aunque los trabajos incluidos en este libro de actas pueden ser de aplicación en cualquier ámbito, la mayor parte de ellos pueden orientarse al contexto de la explotación de negocio de las empresas participantes y a mejorar la calidad de vida de todos los ciudadanos. El objetivo de las propuestas y estudios realizados por los diferentes autores es que sus trabajos puedan servir de referencia y aportar nuevas ideas en relación con la aplicación de las tecnologías de la información y las comunicaciones en el ámbito de la sostenibilidad. Para ello, en algunos casos se ha recurrido a plantear supuestos 9

11 utilizando información y escenarios ficticios, pero suficientemente realistas, por lo que es posible que el lector pueda asociarlos, por pura coincidencia, a otros conocidos. Estas jornadas han sido una realidad gracias a la estrecha colaboración y armonía existente entre las tres instituciones que forman el patronato CI3 y que tuvo su origen en el convenio marco de colaboración suscrito por las partes como respuesta a un proyecto planteado en la convocatoria de Campus de Excelencia Internacional de 2009 donde la UAH obtuvo la mención de Campus Prometedor y todo el equipo de trabajo espera que en sucesivas ediciones nos encontremos con una cantera de ideas que sirvan de punto de encuentro para que surjan proyectos de interés empresarial. José Antonio Gutiérrez de Mesa Vicerrector de Innovación y Nuevas Tecnologías de la Universidad de Alcalá 10

12 Índice de Contenidos Prólogo José Antonio Gutiérrez de Mesa 9 Ponencias Integración de redes de sensores en edificios inteligentes Juan Antonio Nazabal; Victor Torres; Francisco Falcone; Carlos Fernández-Valdivielso; Ignacio Matías 17 Ambú: Arquitectura de servicios de supercomputación en la nube Javier Diego; Daniel Molina; Miguel Ortega; Álvaro García 21 Diseño inteligente de parques eólicos mediante nuevos modelos de computación heurística Beatriz Saavedra-Moreno; Arturo Paniagua-Tineo; Antonio Portilla-Figueras; Sancho Salcedo-Sanz 25 HESPERIA: Plataforma de soporte a la vigilancia de grandes infraestructuras y espacios públicos Félix J. Villanueva; Miguel A. Martinez; Cleto Martin; David Villa; María J. Santofimia 29 E-LAB Modelo de gestión del conocimiento Miriam Martinez Muñoz 33 Inteligencia Artificial aplicada a la mejora de la Calidad Empresarial José Amelio Medina; Carmen de Pablos; Lourdes Jimenez; Jorge Peñas 37 El Pavimento Inteligente Felix Navarro; Angel Lopez; Mario Piattini 41 A Common-Sense Approach for Automatic Service Composition in Ambient Intelligence María J. Santofimia; Félix J. Villanueva; Miguel A. Martínez; Francisco Moya; Juan Carlos López 45 Plataforma de alto nivel para el desarrollo de sensores y actuadores de bajo coste en entornos inteligentes Cleto Martín; David Villa; Óscar Aceña; Félix Jesús Villanueva; Francisco Moya 49 11

13 4D Trajectory generation using dynamics and location information of an aircraft Mariano Gómez Plaza; Sebastián Sánchez Prieto 53 A new Attitude Control System (ACS) for aircrafts and satellites Mariano Gómez Plaza; Sebastián Sánchez Prieto 57 SACAT: Un sistema de ayuda a la conducción y asistencia en caso de accidentes Javier Fernández Andrés; Nourdine Aliane Saadi; Sergio Bemposta Rosende; Mario Mata 61 Elcano: Infraestructura multimodal para navegación en interiores Miguel Ángel Martínez; Félix Jesús Villanueva; Francisco Moya; Carlos González; Juan Carlos López 66 Evaluación funcional del uso de la tecnología RFID en aplicaciones ferroviarias Raquel Martínez Barbero; Enrique Fernández Pinel; Jesús María González Fernández; José Hierro Ortega;Valentín González Barbosa 69 Multi-radio platform coexistence in the 5 GHz band for railway applications Jorge Higuera; Raquel Martínez Barbero; Luis Alonso; Enrique Flores; Jesús González 73 WHISNU: Plataforma abierta de bajo coste para Infraestructuras Inteligentes Jesus Ranz Abad; Saturnino Maldonado 79 Smart Cities. Eu & PEOPLE. Miguel Ruiz; Ricardo Buendía; Rafael Salamanca; José Ángel Álvarez 83 CoSGrid: Una plataforma de servicios orientada a objetos para Smart Grid David Villa; Cleto Martín; Félix Jesús Villanueva; Francisco Moya; Juan Carlos López 89 Un nuevo concepto de ciudad: Eficiencia Antonio Ruiz de Elvira; Rosa Cervera; Isabel Ordieres; Alberto Alarcón 93 Infraestructuras Inteligentes en el Internet del Futuro Diego Casado Mansilla; Mario Vega Barbas; Maite López Merayo 97 Arquitectura DOMOSEC para automatización inteligente de edificios: hacia el edificio sostenible Miguel A. Zamora; José Santa; Antonio J. Jara; Antonio F. Gomez-Skarmeta 101 Importancia de las previsiones climáticas para la planificación de infraestructuras y la gestión energética

14 Maria Jose Ortiz; Francisco Álvarez; Antonio Ruiz de Elvira; Giovanni Liguori Context-aware, Personalized Services for Smart Cities Hasier Iñan; Manel Palau; Victor García; Alberto Pobre 109 Sistema para la navegación en interiores mediante técnicas de Realidad Aumentada Carlos González-Morcillo; Miguel Ángel Martínez; Félix Jesús Villanueva; David Vallejo; Juan Carlos López 113 Monitorización Automática del Nivel de Llenado de Contenedores de Residuos Rafael Barea; José Joaquín Cantos Frontela; Jesús Sánchez Monedero; Juan Manuel Miguel Jiménez; José Manuel Rodríguez-Ascariz 117 Real Time Monitoring of Railway Traffic Using Fiber Bragg Grating Sensors Massimo L. Filograno 121 Detección y clasificación automática de vehículos por medio del sonido Enrique Alexandre; Roberto Gil; Lucas Cuadra; Raúl Vicen; Manuel Rosa 125 Herramienta de localización a demanda basada en telefonía móvil y GPS Juan Ignacio Godino LLorente; Fernando Cruz Roldán; Manuel Blanco Velasco; Victor Osma Ruíz; Nicolás Sáenz Lechón 129 Development of low consumption HVPS for MAPMTs Space applications Hector Prieto; José Morales de los rios; Guadalupe Sáez; Noelia Pacheco; María Dolores Rodríguez 133 A computing model for the Science Data Center of high energy Physics Spacebased experiments. José Alberto Morales de los Ríos; María Dolores Rodríguez Frías; Luis del Peral; Héctor Prieto; Noelia Pacheco 139 La Inteligencia de Negocio en Ambientes Pervasivos: Infraestructuras Inteligentes basadas en la Gestión de Acontecimientos Eladio Domínguez; Ángel Francés 145 Aportaciones para el postproceso de datos ante el envío de parámetros muestreados en momentos críticos de vehículos aéreos no tripulados Manuel Sánchez Rubio 149 Técnicas de Localización en Plataforma Aeroportuaria basadas en Teoría del Trazado de Rayos Antonio del Corte Valiente; Oscar Gutiérrez Blanco; José Manuel Gómez Pulido

15 Índice de Autores Alberto Alarcón 93 Alberto Pobre 109 Ángel Francé 145 Ángel López 41 Antonio del Corte Valiente 153 Antonio F. Gomez-Skarmeta 101 Antonio J. Jara 101 Antonio Portilla-Figueras 25 Antonio Ruiz de Elvira 93, 105 Arturo Paniagua-Tineo 25 Beatriz Saavedra-Moreno 25 Carlos Fernández-Valdivielso 17 Carlos González 117 Carlos González-Morcillo 66 Carmen de Pablos 37 Cleto Martin 29,49,89 David Vallejo 113 David Villa 29,49,89 Diego Casado Mansilla 97 Eladio Domínguez 145 Enrique Alexandre 125 Enrique Fernández Pine l69 Enrique Flore 73 Félix J. Villanueva 29,45,49,66,89,113 Félix Navarro 41 Fernando Cruz Roldán 129 Francisco Álvarez 105 Francisco Falcone 117 Francisco Moya 45,49,66,89 Giovanni Liguori 105 Guadalupe Sáez 133 Hasier Iñan 109 Héctor Prieto 133 Ignacio Matías 17 Isabel Ordieres 93 Javier Fernández Andrés 61 Jesús González 73 Jesús María González Fernández 69 Jesús Ranz Abad 79 Jesús Sánchez Monedero 117 Jorge Higuera 73 Jorge Peñas 37 José Amelio Medina 37 José Ángel Álvarez 83 14

16 José Hierro Ortega 69 José Joaquín Cantos Frontela 117 José Manuel Gómez Pulido 153 José Manuel Rodríguez-Ascariz 117 José Morales de los ríos 133 José Santa 101 Juan Antonio Nazabal 17 Juan Carlos López 45,66,89,113 Juan Ignacio Godino Llorente 129 Juan Manuel Miguel Jiménez 117 Lourdes Jiménez 37 Lucas Cuadra 125 Luis Alonso 73 Luis del Peral 139 Maite López Merayo 97 Manel Palau 109 Manuel Blanco Velasco 129 Manuel Sánchez Rubio 149 Manuel Rosa 125 María Dolores Rodríguez 139 María J. Santofimia 29,45 Maria Jose Ortiz 105 Mariano Gómez Plaza 53,57 Mario Mata 61 Mario Piattini 41 Mario Vega Barbas 97 Massimo L. Filograno 121 Miguel A. Martínez 29 Miguel A. Zamora 101 Miguel Ruiz 83 Miriam Martínez Muñoz 33 Nicolás Sáenz Lechón 129 Noelia Pacheco 133,139 Nourdine Aliane Saadi 61 Óscar Aceña 49 Oscar Gutiérrez Blanco 153 Rafael Barea 117 Rafael Salamanca 83 Raquel Martínez Barbero 69,73 Raúl Vicen 125 Ricardo Buendía 83 Roberto Gil 125 Rosa Cervera 93 Sancho Salcedo-Sanz 25 Saturnino Maldonado 79 Sebastián Sánchez Prieto 53,57 Sergio Bemposta Rosende 61 15

17 Valentín González Barbosa 69 Víctor García 109 Víctor Osma Ruíz 129 Víctor Torres 17 16

18 Integración de redes de sensores en edificios inteligentes J.A. Nazabal 1, V. Torres 1, J. Becerra 1, F. Falcone 1, C. Fernández-Valdivielso 1 y I.R. Matías 1 1 Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Pública de Navarra, Campus de Arrosadia s/n, 31006, Pamplona Persona de contacto: J. A. Nazabal (juanantonio.nazabal@unavarra.es) Abstract. In this work we present a system based on the integration of different type of sensor technologies. A ZigBee temperature sensor prototype has been integrated with a fiber optic sensor network and a KNX sensor network. The system also has the capability of remote monitoring in real-time all the different sensor presented in the system. Keywords: Fiber Optic, ZigBee, KNX, Integration, Intelligent Buildings 1 Introducción Los sensores basados en redes de difracción en fibra óptica (FBG) [1]-[2], presentan una serie de ventajas frente al cableado convencional como por ejemplo su ligereza, su resistencia a la corrosión, su inmunidad electromagnética y su baja atenuación. Los dispositivos de comunicación inalámbrica ZigBee cuentan con un bajo consumo y una baja velocidad de transmisión, características que los convierten en buenos candidatos para su uso en redes de sensores. Para la realización de este proyecto se ha utilizado tecnología KNX, como estándar y referente mundial en el sector y donde el grupo participante cuenta con una extensa experiencia. En pasados trabajos, ya se ha conseguido realizar satisfactoriamente la integración de una serie de sensores ópticos de temperatura y deformación junto con varios sensores meteorológicos KNX en la fachada de un edificio real [3]. La finalidad de este trabajo consiste precisamente en integrar las diferentes tecnologías ZigBee, sensores de fibra óptica y KNX en un mismo sistema a nivel de laboratorio que ofrezca la funcionalidad de monitorización remota de todos los sensores. 2 Descripción El sistema consiste en una parte software y otra hardware. El interrogador de fibra óptica utilizado para el sensado de los sensores ópticos incorpora un sistema operativo 17

19 Windows XP embebido, que será utilizado para ejecutar parte de los módulos software implementados que componen el sistema. 2.1 Parte hardware del sistema Como se puede ver en la Fig 1, la parte central del sistema es el interrogador óptico, modelo FS5200 de la empresa FiberSensing. Fig. 1. Parte hardware del sistema La red de sensores KNX consiste en dos sensores analógicos, uno de temperatura y el otro de luminosidad. Los modelos utilizados son WS 10T y WS 10 H de la marca Jung. Ambos sensores están conectados a un modulo de cuatro entradas analógicas, concretamente modelo 2214 REG A de Jung. Este módulo ha sido programado para mandar los datos de los sensores únicamente bajo demanda. Para la comunicación de dispositivos KNX con redes IP, es necesaria la utilización de un interfaz hardware KNX/IP. El dispositivo utilizado en este proyecto a sido un modelo N148/21 de la marca Siemens. El interfaz KNX/IP se conectará al interrogador mediante un cable Ethernet UDP a uno de los dos interfaces de red disponibles. La red óptica consiste en dos sensores de temperatura, conectados cada uno de ellos a un canal óptico diferente del interrogador. La red ZigBee consiste en dos sensores de temperatura y un coordinador de red, insertado en un dispositivo XBee Explorer USB conectado a un Puerto del interrogador mediante un cable USB. Los sensores de temperatura ZigBee desarrollados para este proyecto están basados en módulos XBee de la marca Digi International. El sensor de temperatura ZigBee desarrollado consiste en un sensor analógico de temperatura (un LM335 con encapsulado plástico TO-92) conectado a un pin del modulo XBee configurado como entrada analógica. El sensor de temperatura funciona con 5 VDC y el módulo XBee, 18

20 con 3.3 VDC, con lo que es necesario la utilización de circuiteria adicional. Para la obtención de estos dos voltajes diferentes, se utilizan dos pilas AA junto con un conversor DC/DC que proporciona 5 VDC y un LD1117V33 que suministra 3.3 VDC. El módulo se programa para enviar al coordinador de red el valor registrado en su entrada analógica cada segundo, valor que puede ser parametrizado. 2.2 Parte software del sistema Como se muestra en la Fig 2, el sistema consiste en cinco módulos separados que se intercomunican entre si mediante UDP o TCP, dependiendo de la naturaleza de los datos a intercambiar. Para datos críticos, se hará uso del protocolo TCP mientras que para datos de streaming, UDP. Todos los módulos a excepción del SensorViewer se ejecutarán en el interrogador mientras que este último deberá ejecutarse en la máquina remota de monitorización. Fig. 2. Parte software del sistema OpticModule El interrogador óptico utiliza un software propietario desarrollado en labview. Esta herramienta contiene diferentes variables compartidas mediante las cuales se puede acceder externamente a los parámetros de los sensores como el nombre, las unidades o los valores medidos KNXModule Este modulo utiliza la librería Calimero [4] desarrollada en java por la universidad tecnológica de Viena para acceder a los valores de los sensores de la red KNX a través del interfaz KNX/IP. 19

21 2.2.3 ZigBeeModule Cada vez que el coordinador de la red ZigBee recibe un paquete de datos, manda la información recibida por su puerto serie a través del cable USB hasta el puerto USB del interrogador. Allí, el ZigBeeModule obtiene el nombre del sensor que a mandado la información, así como el valor medido por este Hub Este modulo manda peticiones de datos a los módulos OpticModule, KNXModule y ZigBeeModule para obtener los datos de todos los sensores. Finalmente presenta la funcionalidad mediante la cual posibilita la conexión con el modulo SensorViewer vía Internet para mostrar en pantalla los datos de todos los sensores en tiempo real SensorViewer Consiste en un tabbed pane con tres pestañas diferentes. En la primera de ellas, en la parte superior izquierda aparece una lista desplegable con todos los tipos de sensor disponibles. Una vez seleccionado uno, en la parte derecha aparecen todos los sensores disponibles en forma de botón. El borde de cada botón será de color rojo si el sensor esta seleccionado para su visualización o negro en caso contrario, cambiando de un estado al otro mediante un simple cliqueo del mismo. En el centro de la pantalla aparece una figura con la evolución temporal de los valores de los sensores seleccionados, cada uno con un color y leyenda diferente. 3 Conclusiones Debido a la rápida evolución de las tecnologías de comunicación, control y sensado, es común (y lo será mas en un futuro) la coexistencia de diferentes tipos de tecnología en un mismo edificio. Mediante este trabajo se ha podido demostrar la posibilidad de integración de tecnologías trabajando sobre medios tan diferentes como son la fibra óptica, el cableado convencional y el canal radio. 4 Referencias 1. D. Kersey, M. A. Davis, H. J. Patrick, M. LeBlane, K. P. Koo, C. G. Askins, M. A. Putnam, and E. J. Friebele, Fiber grating sensors J. Lightwave. Technolog., Vol. 15, no. 8, pp , Aug S. Liu, Y. Yu, J. Zhang X. Chen, Real-Time monitoring sensor system for Fiber Bragg Grating array, IEEE Photonics Technology letters, Vol. 19, no.19, , Oct J.A. Nazabal, G. Vargas, R. Hernández, C. Fernández-Valdivielso, F. Falcone, M. López- Amo. Integración de sensores de fibra óptica en una red KNX y su monitorización remota. KNX International Forum, Madrid,

22 AMBÚ: ARQUITECTURA DE SERVICIOS DE SUPERCOMPUTACIÓN EN LA NUBE * Javier Diego 1,2, Daniel Molina 1, Miguel Ortega 2, Alvaro García 2 jdiego@gesfor.es, dmolina@germinus.com, miguel.ortega.mier@upm.es, alvaro.garcia@upm.es 1 Gesfor, Avenida de Manoteras 32, Madrid. 2 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid Resumen. El proyecto AMBÚ es una solución novedosa de ejecución de problemas de optimización de recursos, bajo arquitecturas abiertas (Internet), concebido sobre el paradigma de computación en la nube, basado en arquitecturas informáticas del futuro. El sistema permite aislar al cliente de la complejidad de la resolución de los problemas de optimización, mediante plataformas hardware compartidas, y a bajo coste. Palabras clave: Cloud computing, procesadores multi-core, tarjetas gráficas NVIDIA, Cuda, optimización de recursos, programación lineal, metaheurísticas. 1 Introducción El principal motivo que justifica la realización de este proyecto, viene dado por la necesidad de mejorar la productividad de las empresas industriales, en un mundo empresarial tan competitivo como el actual, y especialmente en la coyuntura económica que atravesamos. La vía de mejora de productividad que proponemos en este proyecto es la optimización en la asignación de los recursos. Los problemas de asignación de recursos de los sectores industrial, productivo y logístico presentan una gran complejidad de resolución debido a lo que se conoce como crecimiento exponencial de soluciones. Esto significa, que a medida que crece el tamaño del problema, el número de posibles soluciones al problema crece de forma exponencial, de forma que incluso para problemas pequeño tamaño existe un número tan elevado de posibles soluciones que es imposible calcularlas todas. Resolver un problema de optimización en la asignación de recursos consiste en encontrar la mejor solución, de entre las prácticamente infinitas soluciones posibles. * Este proyecto está apoyado por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, en la convocatoria de Acción Estratégica de Telecomunicaciones y Sociedad de la Información, Subprograma: Avanza Competitividad I+D+I. Número de expediente: TSI

23 Por otro lado, una correcta asignación de los recursos es una tarea vital para la empresa, ya que incide directamente en la cuenta de resultados de la empresa, en su eficiencia, y en su rentabilidad. La resolución de problemas de optimización de recursos requiere de una gran capacidad de cálculo computacional, y de la aplicación de técnicas matemáticas muy especializadas. En este punto, AMBÚ utiliza las plataformas informáticas del futuro, de reciente aparición. Hablamos de los procesadores multi-núcleo y de las tarjetas gráficas, capaces de ejecutar algoritmos de cálculo a una gran velocidad. Por otro lado, recientemente ha aparecido el concepto de computación en nube, cloud computing, que es un nuevo paradigma de la computación para la prestación de servicios de negocio y tecnología, que permite al usuario acceder a un catálogo de servicios estandarizados y responder a las necesidades del negocio, de forma flexible y adaptativa, en caso de demandas no previsibles o de picos de trabajo, pagando únicamente por el consumo efectuado. El proyecto AMBÚ unifica bajo un único servicio todas las tecnologías mencionadas anteriormente, y proporciona un punto de entrada para resolver problemas como planificación de producción, rutas de distribución de mercancías, asignación de flotas, turnos de personal, mediante Internet, a bajo coste, aislando al cliente del uso e integración de tecnologías hardware, software o matemáticas. El presente artículo está organizado de la siguiente forma: primero se exponen las diversas tecnologías que se utilizan en el proyecto, y finalmente, se ofrece una visión del sistema que se presenta. 2 Computación en nube Buyya [1] ofrece una definición de consenso: "El Cloud es un tipo de sistema paralelo y distribuido que consiste en un conjunto de computadores virtuales conectados que se mantienen dinámicamente y que se presenta como uno o mas recursos unificados, basándose en acuerdos de niveles de servicio establecidos por negociación entre el proveedor de servicios y los consumidores". Cloud Computing puede ofrecer diferentes servicios de TI, que se agrupan según el nivel de abstracción que suponen sobre los recursos subyacentes. En concreto, existe SaaS (software as a service), donde las aplicaciones y servicios se ejecutan en la nube, no en la máquina del cliente. Para este cliente, es totalmente transparente la manera en que se resuelven sus solicitudes, así como los recursos utilizados. Los clientes del Cloud Computing no tienen que preocuparse en comprar, gestionar y mantener los recursos que utilizan. Para los propietarios de la nube, este modelo permite gestionar la infraestructura de forma transparente a los clientes y servicios, escalando y distribuyendo recursos bajo demanda. El proyecto AMBÚ encaja completamente en la definición de computación en nube, y es un sistema SaaS, ya que el cliente hace peticiones de servicios de optimización de recursos, sin preocuparse de la infraestructura y las tecnologías que se empleen en la resolución de su instancia de problema. 22

24 3 Arquitecturas informáticas del futuro Los procesadores multi-core representan una tecnología relativamente reciente, que se implanta en los ordenadores actuales, y que ofrece mayor rendimiento de ejecución gracias a la inclusión de varios núcleos en cada procesador, lo que posibilita la programación en paralelo de tareas. La era de la programación en serie ha terminado, Cormen [2]. Los sistemas multi-core han llegado; los modelos de programación paralela son necesarios para crear programas que los exploten adecuadamente. Los desarrolladores de software no pueden seguir confiando en el aumento de la velocidad de reloj de los procesadores para incrementar la velocidad de ejecución de sus aplicaciones. Al contrario, para tomar ventaja competitiva, los desarrolladores deben diseñar sus aplicaciones para ser ejecutadas en un entorno de múltiples hilos de trabajo. Las tarjetas NVIDIA Tesla representan la primera unidad de procesamiento gráfico desarrollada para la resolución de problemas de propósito general; ya que, a diferencia del resto de las tarjetas gráficas, no cuentan con salida de vídeo y han sido diseñadas específicamente para la resolución de problemas de cálculo masivo. Los últimos modelos de tarjetas Tesla tienen una gran capacidad de paralelización, gracias a sus 240 núcleos; y ofrecen una capacidad de cálculo de un Teraflop. Una de las cuestiones más interesantes referentes a este tipo de tarjetas es que NVIDIA ha desarrollado una API de programación, conocida como CUDA (Compute Unified Device Architecture), que permite desarrollar aplicaciones que exploten esta potencia de una manera sencilla. CUDA es una extensión del lenguaje de programación C que permite especificar que ciertas funciones del lenguaje sean procesadas en las tarjetas gráficas. Esto permite que las aplicaciones en C puedan beneficiarse de la capacidad de procesamiento en paralelo de estas tarjetas, a la vez que usan el procesamiento habitual de las CPUs comunes cuando éste es necesario. En suma, la arquitectura NVIDIA + CUDA representa un avance significativo en las posibilidades computacionales actuales, permitiendo la adaptación de problemas habituales a esta nueva arquitectura y proporcionando un ahorro muy significativo en los tiempos necesarios para su resolución. En el desarrollo del proyecto AMBÚ se están adaptando las técnicas de resolución de problemas de optimización de recursos a arquitecturas híbridas con tarjetas gráficas compuestas por núcleos de procesamiento paralelo que trabajarán en colaboración con los procesadores multi-núcleo, en lo que se consideran las arquitecturas informáticas del futuro, Dongarra [3]. 4 AMBÚ El proyecto que se presenta es un centro de cálculo de alto rendimiento accesible desde Internet, para la resolución de problemas de optimización de recursos mediante hardware especializado y software especialmente diseñado pare ese hardware. La arquitectura de alto nivel del sistema se presenta en la Figura 1 El acceso al sistema de podrá hacer mediante cualquier red (una intranet o Internet). Las peticiones de resolución de problemas de optimización las recibe en 23

25 primera instancia un sistema de E/S que valida al cliente que envía la petición, analiza la representación del problema para asegurar que es correcta y cumple con la estructura definida para el tipo de problema. Si todo es correcto, el sistema E/S registra la solicitud de problema en un artefacto denominado enrutador. El enrutador lee el problema y estima el esfuerzo computacional necesario para resolverlo, en base al conocimiento adquirido durante la resolución de problemas previos. En función de esa complejidad, de la infraestructura de la que dispone, y los recursos disponibles en cada momento, asigna un servidor para la resolución del problema, o lo deja en cola. Esta asignación es un auténtico problema de optimización de recursos: se debe encontrar la asignación de hardware que haga que el problema se resuelva en el menor tiempo posible, en función de la disponibilidad de recursos hardware, de forma que se disponga de una arquitectura bien dimensionada, y de bajo coste que haga viable el sistema AMBÚ. Esto significa que un mismo tipo de problema a veces se resolverá en procesadores multi-núcleo, otra vez se puede ejecutar en tarjetas gráficas, y otras, en arquitecturas mixtas, en función de la disponibilidad de recursos hardware del momento. Cuando termina la ejecución de un problema, lo registra en el sistema de E/S para que devuelva el resultado al cliente que lo envió, y comprueba si hay procesos pendientes de ejecución en la cola de espera, y vuelve a asignar los recursos hardware. Los servidores adscritos a esta red disponen de procesadores multi-núcleo, y de una serie de tarjetas gráficas en paralelo, para la resolución de los problemas de optimización de recursos. Figura 1.- Arquitectura del sistema AMBÚ 5 Referencias 1. Buyya, R. Cloud Computing The Next Revolution int Information Technology. International Conference on Internet Computing. 2010: Cormen, H.T., Leiserson, R.L., Rivest, R.L. Introduction to algorithms. The MIT Presss Dongarra, J. Tenesse University. 24

26 Diseño inteligente de parques eólicos mediante nuevos modelos de computación heurística B. Saavedra-Moreno 1, A. Paniagua-Tineo 1, A. Portilla-Figueras 1, S. Salcedo-Sanz 1 1 Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones, Universidad de Alcalá sancho.salcedo@uah.es Abstract. En este artículo se presenta un heurístico para posicionamiento óptimo de turbinas en parques eólicos. Se considera un modelo realista para el parque éolico, que incluye orografía, forma del parque, simulación de velocidad y dirección de viento y costes de instalación, conexión y obra civil para conectar turbinas de viento. Diversos experimentos realizados muestran que la aproximación propuesta obtiene soluciones que maximizan la producción de potencia y tienen en cuenta las diferentes restricciones del problema. Keywords: parques eólicos, heurísticos, posicionamiento óptimo de aerogeneradores 1 Introducción La energía eólica es una de las fuentes de energía renovable más prometedoras del mundo. Como ejemplo, la potencia eólica instalada en el mundo a finales de 2009 alcanza un total de 157 GW, de los cuales alrededor de 76 GW corresponden a Europa, y de ellos 19 GW sólo a España. Por tanto, la energía eólica representa un 12% de la energía total consumida en países como EEUU, Alemania o España, y se espera que este porcentaje crezca hasta un 20% para La mayoría de la potencia eólica consumida en el mundo es generada en instalaciones denominadas parques eólicos. El diseño automático de parques eólicos es un tema que está ganando popularidad entre los diseñadores de parques eólicos y los ingenieros en los últimos años. Hay un número creciente de artículos abordando este problema, aplicando exitosamente diversas técnicas de inteligencia computacional a este problema [1-4]. En este artículo se presenta un modelo de optimización de parques eólicos modificado, que incluye numerosas novedades para tratar de hacer el problema más próximo a la realidad que las aproximaciones anteriores. Las novedades fundamentales incluidas son un modelo para la forma del parque eólico, un modelo de la orografía y la inclusión de un modelo de simulación de velocidad de viento. Además, presentamos un novedoso algoritmo heurístico para buscar la solución óptima del problema. Mostraremos que la aproximación propuesta es capaz de obtener soluciones buenas y viables para el problema, con un balance entre coste computacional y calidad de la solución obtenida. 25

27 2 Modelo de optimización propuesto Esta sección presenta el modelo de optimización asumido en este artículo. Se ha subdividido la sección en función de los nuevos submodelos incluidos en la optimización de parques eólicos. 2.1 Modelo de la forma del parque eólico Las aproximaciones previas de la literatura no tenían en cuenta el problema de la forma de los parques eólicos. Básicamente, la mayoría de las aproximaciones consideraban parques eólicos cuadrados divididos en celdas donde se podían posicionar las turbinas. Está aproximación basada en celdas es interesante pues introduce una manera de manejar los diferentes puntos donde se puede instalar una turbina, pero el problema es que no puede modelar de manera realista el diseño de un parque eólico. En este artículo proponemos una manera fácil de considerar diferentes formas del parque eólico, manteniendo la idea de las celdas cuadradas para modelar los posibles puntos en los que localizar una turbina. La idea es simple: sobre un cuadrado de longitud K K celdas que sirven de fondo, se define una plantilla binaria T, también de K K que describe las zonas permitidas para instalar turbinas, de tal manera que T ij = 1 supone que el punto está en el área del parque eólico, mientras que T ij = 0 supone que el punto está fuera del parque eólico. De este modo, podemos considerar casi cualquier forma del parque eólico. 2.2 Estela, modelo de orografía y simulación de velocidad de viento En este artículo consideramos como modelo de estela el introducido en [1]. Aunque es un modelo simple, funciona realmente bien para simular la estela real de una turbina, obteniendo un buen balance entre la complejidad del modelo y el resultado final. Además, hemos introducido otros puntos para hacer el problema más realista. Primeramente, hay que tener en cuenta que ninguna de las aproximaciones previas del problema considera la orografía del parque o las variaciones en la velocidad de viento. La existencia de colinas en el parque hace que la velocidad del viento sea distinta en la cima de la colina que en el correspondiente valle. Para tener en cuenta este punto tan importante introducimos el concepto de multiplicadores de viento, de manera que un punto de mayor altitud estará caracterizado por un multiplicador mayor. La velocidad del viento en un punto dado del parque eólico se calcula del siguiente modo en nuestro modelo: consideramos una rosa de los vientos dada para un parque eólico y, para cada dirección de la rosa, un conjunto de simulaciones de viento de Monte Carlo de t años usando una función de densidad de probabilidad Weibull para el módulo de la velocidad de viento. El resultado de la simulación de Monte Carlo se pondera con la correspondiente probabilidad obtenida de la rosa de los vientos y por el multiplicador de viento, para incluir la orografía en cada punto. Con una curva estándar de potencia para la turbina considerada obtenemos la potencia producida asociada a la velocidad del viento en una turbina. 26

28 2.3 Modelo de costes El modelo de coste usado en este trabajo está basado en un modelo simplificado de inversiones/beneficios. Específicamente, nuestro modelo incluye el coste de instalación de las turbinas (C i ) y los costes de conexión y construcción de carreteras (C ij c ), modelado como la distancia euclídea entre las turbinas i y j, además del beneficio obtenido por la energía producida en t años (B t ). Todos los parámetros están medidos en euros. La función objetivo a maximizar es:. (1) donde N es el número de turbinas instaladas en el parque eólico. Téngase en cuenta que no consideramos costes alternativos como costes de operación (OPEX) en la función objetivo. 3 Algoritmo propuesto El heurístico propuesto puede considerarse una aproximación greedy, o heurístico constructivo, basado en la explotación de los mejores puntos en términos de la función objetivo φ. El heurístico sigue una estructura en bucle hasta completar el correcto posicionamiento de N turbinas. Los pasos a seguir en el heurístico propuesto son los siguientes: 1. Localizar el punto con el viento máximo y posicionar la turbina. 2. Corregir la velocidad del viento en los puntos vecinos teniendo en cuenta el modelo de la estela y la rosa de los vientos considerada. 3. Localizar el punto del parque eólico que maximice la ecuación Si ya se han instalado N turbinas, se ha finalizado. En caso contrario, ir al paso 2. 4 Resultados Se han realizado un número de experimentos con los siguientes parámetros: los parámetros de la distribución Weibull usados en el modelado de la velocidad de viento son λ = 10 y β= 1.6. Se considera el posicionamiento de N = 20 turbinas. El coste de cada turbina se estima en C i =10 6 euros. Otros parámetros de la simulación son los siguientes: se considera una celda base de 10x10 m con K=500, D = 90m. Además, se estima un coste de conexión de las turbinas y construcción de carreteras C ij c de 10 5 Euros/km. Para el cálculo del beneficio estimado Bt, hemos considerado un precio de 75 Euros/MW-h, 3000 horas efectivas/año y un periodo de t = 10 años de simulación. La Figura 1 muestra el resultado de aplicar el heurístico propuesto a la simulación de un parque eólico, incluyendo multiplicadores de viento obtenidos 27

29 aleatoriamente. Se puede observar que la solución obtenida mediante la ejecución del algoritmo propuesto cumple todos los requisitos: el posicionamiento de las turbinas se encuentra en el interior del parque eólico y se guarda la distancia de seguridad entre turbinas. En la subfigura de la derecha se muestra el beneficio diferencial de pasar de i a i+1 aerogeneradores. Se puede apreciar como siempre se obtienen beneficios, independientemente del número de aerogeneradores. Además se aprecia cómo el beneficio decrece cuando la distancia entre aerogeneradores asignados es grande, como en el caso de 8 a 9 aerogeneradores, o de 12 a 13. Figura 1. Posición óptima de aerogeneradores y beneficio diferencial en 10 años usando el heurístico 5 Conclusiones En este artículo hemos presentado un algoritmo heurístico para solucionar el problema del posicionamiento óptimo de turbinas en un parque eólico. También se ha propuesto un novedoso modelo de optimización, que incluye numerosos aspectos como la forma del parque eólico, la orografía y los diferentes costes de la función objetivo. Referencias 1. S. A. Grady, M. Y. Hussaini and M. M. Abdullah, Placement of wind turbines using genetic algorithms, Renewable Energy, vol. 30, no. 2, pp , U. A. Ozturk and B. A. Norman, Heuristic methods for wind energy conversion system positioning," Electric Power Systems Research, vol. 70, no. 3, pp , M. A. Lackner and C. N. Elkinton, An analytical framework for offshore wind farm layout optimization," Wind Engineering, vol. 31, no. 1, pp , G. Marmidis, S. Lazarou and E. Pyrgioti, Optimal placement of wind turbines in a wind park using Monte Carlo simulation," Renewable Energy, vol. 33, no. 7, pp ,

30 HESPERIA: Plataforma de soporte a la vigilancia de grandes infraestructuras y espacios públicos Félix J. Villanueva 1, Miguel A. Martinez 1, Cleto Martin 1, David Villa 1, Maria J. Santofimia 1, Francisco Moya 1, Juan Carlos López 1 1 Grupo Arco, Escuela Superior de Informática, Ciudad Real, Universidad de Castilla-La Mancha {felix.villanueva, miguela.martinez, cleto.martin, david.villa, mariajose.santofimia, francisco.moya, juancarlos.lopez}@uclm.es Resumen. El papel de las tecnologías de la información y las comunicaciones ha incrementado en los últimos años su importancia como soporte a la seguridad de grandes infraestructuras y espacios públicos. En este artículo se muestra una plataforma tecnológica (HW y SW) orientada a soportar las nuevas necesidades que surgen en despliegues para este tipo aplicaciones. Integración de dispositivos y tecnologías heterogéneos, facilidad de despliegue y configuración de entornos distribuidos, fiabilidad y tolerancia a fallos, etc. son ejemplos de las características que esta plataforma proporciona a los nuevos servicios desarrollados en este ámbito. Su objetivo final es ofrecer sistemas dotados de inteligencia capaces de anticiparse a los problemas de seguridad que puedan surgir en grandes infraestructuras. Keywords: Seguridad en infraestructuras. Sistema distribuido. Integración de dispositivos y servicios. 1 Introducción En un mundo globalizado, las grandes infraestructuras (aeropuertos, centrales eléctricas, túneles, red de metro, etc.) se han convertido en puntos críticos para la seguridad de empresas y estados. La tecnología siempre ha estado en la mente de los responsables de la seguridad de dichos espacios. En primera instancia, los servicios de seguridad suponían, básicamente, la transmisión de la señal de vídeo de múltiples cámaras a un centro de control donde los operadores vigilaban el entorno. Con la era digital, esas cámaras pasaron a ser digitales y los flujos de video empiezan a poder analizarse con el objeto de detectar eventos anómalos, realizar seguimiento de individuos, etc. Estos últimos algoritmos requieren de enormes recursos de computación. La tendencia actual pasa por entornos multi-sensoriales (audio, video, presencia, vibraciones, etc.) que analizan los flujos de datos de forma autónoma [1] y por lo tanto: Obligan a integrar más dispositivos de forma transparente a los centros de control. 29

31 Requieren de enormes capacidades de cómputo para analizar los flujos de datos y convertirlos en información útil (análisis de flujos de video, aplicaciones de realidad aumentada, etc.). Potencian el entorno distribuido de este tipo de sistemas al delegar servicios (almacenamiento, análisis, etc.) a empresas externas accedidas a través de redes no seguras (p.e. Internet). Con independencia de las aplicaciones que doten de inteligencia a la infraestructura de vigilancia, cada vez se hace más necesaria una plataforma tecnológica que integre HW y SW y que soporte los servicios básicos imprescindibles para hacer viable servicios más complejos y de valor añadido en el ámbito de la seguridad. 2. Plataformas de soporte a la seguridad Atendiendo a los requerimientos mencionados, la plataforma HESPERIA ha sido diseñada conforme a los elementos básicos mostrados en la Figura 1. De estos componentes, el elemento central es el middleware orientado a objetos distribuidos (MDOO), que es el encargado de proporcionar transparencia de localización a los servicios distribuidos en el entorno de forma eficiente (utilización de protocolos binarios), flexible (soporte a una enorme variedad de lenguajes de programación y sistemas operativos) y con soporte a servicios comunes (gestión de canales de eventos, gestión de actualizaciones, etc.). Ilustración 1: Visión Global de la Plataforma HESPERIA Sobre este middleware se han implementado servicios básicos tales como: Descubrimiento de servicios: La escalabilidad requerida en este tipo de plataformas hace necesaria la creación de un sistema de descubrimiento de servicios denominado ASDF (Abstract Service Discovery Framework) de cara a minimizar los procedimientos de configuración [2]. 30

32 Despliegue e integración de servicios: La integración de los elementos de la arquitectura (tanto HW como SW) se ha llevado a sus últimas consecuencias permitiendo que cualquier elemento pueda interoperar con los demás de forma transparente. Así, tanto posibles componentes hardware (p.e. sistemas de computación de altas prestaciones utilizados para el procesamiento de imagen), como otros dispositivos de bajo coste y escasos recursos (sensores y actuadores), incorporan mecanismos que implementan el protocolo común del MDOO. En el caso de los sensores, sólo será necesario establecer pasarelas genéricas entre la tecnología propia de los mismos (p.e ) y la tecnología troncal (p.e. Ethernet). Fiabilidad y tolerancia a fallos: En este campo son dos las aportaciones de la presente plataforma. Por un lado, un servicio de bootstrap que permite seleccionar, por cada dominio definido, una máquina que realiza las funciones de Master (alojando servicios básicos), así como nodos de respaldo de dicho Master. El servicio de bootstrap permite mantener un número de nodos (a configurar) como réplicas del Master de forma que ante una caída del nodo Master una de las réplicas asume su rol. La otra aportación constituye la aplicación de motores de inferencia basados en el sentido común (Common Sense Reasoning Engines) a la composición de servicios automático de forma que, ante la caída de un dispositivo/servicio de vigilancia (sensor, cámara, micrófono, servicio de presencia, etc.), bien sea por un fallo técnico o por un ataque, el middleware trata de crear un servicio con funcionalidad equivalente entre los dispositivos y servicios existentes en el entorno [3]. Información geográfica: Siguiendo el estándar Mobile Location Protocol (MLP) de la Open Mobile Alliance [4] se han desarrollado una serie de interfaces y servicios que homogenizan la información relativa al posicionamiento de dispositivos y personas. Como se ha comentado, sensores y actuadores resultan elementos clave en una arquitectura que soporte servicios de seguridad. En este sentido, su integración y gestión de forma transparente y homogénea con la del resto de elementos hardware y software es una de las principales aportaciones de la plataforma HESPERIA. Sobre estos elementos se ha implementado de forma óptima el mismo protocolo utilizado por el resto de la infraestructura y que queda definido por el MDOO escogido para la implementación. Asimismo, y para minimizar los tiempos de desarrollo, se ha realizado una toolchain completa que soporta la implementación de forma casi automática [5]. En el ámbito de audio y video, la plataforma presentada apuesta de nuevo por los estándares implementando el perfil AVStreams [6] definido por el Object Management Group (OMG). También se extiende su funcionalidad a dispositivos empotrados (p.e. PDAs) con el objeto de proporcionar información útil al personal de seguridad. La herramienta Twinpanel nos permite monitorizar múltiples cámaras (Figura 2, izqda.) con la particularidad de que los flujos siguen el estándar AVStreams, y los elementos que intervienen (desde las cámaras hasta los sensores y actuadores) se han anunciado utilizando ASDF y pueden ser controlados de forma individual (Figura 2, dcha.). 31

33 Ilustración 2: Herramienta de vigilancia activa Twinpanel Finalmente, en HESPERIA se hace uso de la programación orientada a eventos y la federación de canales de eventos como mecanismo óptimo para el tratamiento y gestión de la información que fluye por la plataforma. Conclusiones Las nuevas aplicaciones que tratan de aportar inteligencia en la vigilancia de infraestructuras necesitarán de una plataforma de soporte para su instalación en el mundo real. En HESPERIA se ha trabajado en estudiar estas necesidades y desarrollar servicios y herramientas que simplifiquen tanto su desarrollo, como su despliegue y mantenimiento. La plataforma presentada ha sido utilizada en el proyecto CENIT HESPERIA integrando y soportando tecnologías y servicios pertenecientes a múltiples disciplinas y desarrolladas por terceras partes (realidad aumentada, visualización, toma de decisiones, etc.). Referencias 1. T. D. Räty: Survey on Contemporary Remote Surveillance Systems for Public Safety. IEEE Trans. on Systems, Man, and, Cybernetics, Vol. 40, Nº. 5, pp (2010) 2. F.J. Villanueva, D. Villa, M.J. Santofimia, F. Moya, J.C López: A Framework for Advanced Home Service Design and Management. IEEE Trans. on consumer electronics. Vol. 55, Nº 3, pp (2009) 3. M.J. Santofimia, F. Moya, F.J. Villanueva, D. Villa, J.C. López: Intelligent Agents for Automatic Service Composition in Ambient Intelligence. Book on Web Intelligence and Intelligent Agents. InTech, pp (2010) 4. Open Mobile Alliance. Mobile Location Protocol. Ver. 3.1 (2004) 5. F. Moya, D. Villa, F.J. Villanueva, F. Rincón, J. Barba, J.C. López: Embedding Standard Distributed Object-Oriented Middlewares in Wireless Sensor Networks. Wireless Communications and Mobile Computing. Vol. 3, Nº 3, pp (2009) 6. Object Management Group. Audio/Video Stream Specification. Ver. 1.0 (2000) 32

34 E-labs: Modelo de Gestión del Conocimiento Miriam Martínez Muñoz 1, 1 Departamento de Ciencias de la Computación, Universidad de Alcalá de Henares, España {miriam.martinezm@uah.es} Abstract. En disciplinas técnicas y científicas la realización de experimentos con plantas reales es fundamental para consolidar los conceptos adquiridos en las aulas teóricas. Sin embargo, debido a diferentes razones los laboratorios reales no siempre están disponibles, lo cual impone restricciones en el aprendizaje. Afortunadamente, las nuevas tecnologías basadas en Internet, pueden ser utilizadas para mejorar la accesibilidad a los experimentos en forma de laboratorios remotos y virtuales. Así se conseguirán simultáneamente dos objetivos didácticos: (1) Realizar prácticas relacionadas con la asignatura ampliando la disponibilidad de los laboratorios y (2) formar a los alumnos en el uso de las TICs. Keywords: Laboratorio virtual y remoto, TICs, enseñanza, experimentación. 1. Introducción La educación en todas las áreas del conocimiento se ha beneficiado de los desarrollos tecnológicos con la creación de nuevos espacios en los cuales los profesores y los alumnos pueden tener nuevas formas de visualización de los conceptos objetos de estudio [1]. El espacio que se crea con la ayuda de las Aulas y Laboratorios permite a los alumnos desarrollar las competencias educativas propias de su etapa. La enseñanza, dentro del ámbito de la Ciencia, la Tecnología y Medio Ambiente requiere etapas de formación práctica que ayuden a consolidar el aprendizaje teórico. Los elementos necesarios para abordar la realización de actividades prácticas son los laboratorios virtuales (LV) y remotos (LR), accesibles a través de Intranet, Internet o ambientes computacionales, donde el alumno realiza las practicas de una forma lo más similar posible a como si estuviese en las dependencias del laboratorio tradicional (LT), simulando e interactuando con instrumentos virtuales [1] [2]. En el laboratorio tradicional (LT), los recursos en personas y espacios son restringidos, debido a su masificación y a problemas presupuestarios; se requiere la presencia física del estudiante y la supervisión del profesor. Una solución a estos problemas la encontramos en la aplicación de los avances tecnológicos a la docencia e investigación universitaria y, en concreto, el uso de laboratorios virtuales (LV) y remotos (LR) [1] [3]. El LV acerca y facilita la realización de experiencias a un mayor número de alumnos, aunque alumno y laboratorio no coincidan en el espacio. Permite simular fenómenos y modelos físicos, conceptos abstractos, mundos 33

35 hipotéticos, controlar la escala de tiempo, etc., ocultando el modelo matemático y mostrando el fenómeno simulado de forma interactiva. La creciente complejidad de las actividades en el LT y el desarrollo de las TIC y la Computación, han hecho que los LV evolucionen, transformándose en laboratorios remotos (LR), donde el alumno utiliza y controla los recursos del laboratorio, a través de una red local (Intranet) o bien a través de Internet [4] [5]. 2. Objetivos del Proyecto Los objetivos principales son: Aprovechar los recursos, tanto humanos como materiales en los LT. Al integrar, en un único ordenador, los instrumentos necesarios para la ejecución de las prácticas, el ahorro en material de laboratorio es considerable y no utiliza la simulación más que para la comparación de los resultados. Ampliar la oferta horaria del alumno en su formación. Disponer, en cualquier momento, de las mismas versiones del software, dado que éste se actualiza en el centro servidor. Ahorrar tiempo, el número de horas de que se dispone durante un curso para desarrollar un temario pocas veces permite realizar las correspondientes prácticas en el laboratorio. Aumentar el volumen de estudiantes que se puede manejar. Economizar, los centros educativos que participen en el acuerdo no tendrían que adquirir material e instrumentos para sus propios laboratorios. Los datos obtenidos por el sistema son datos en tiempo real, sujetos a las causas de error que se tendrían en una práctica presencial en el laboratorio, en ningún momento se obtienen datos simulados. El objetivo final es conseguir acuerdos interinstitucionales, ya que el sistema no solo es útil para las Universidades sino que aplica también para estudiantes de educación secundaria que cursan los grados superiores y para empresas que necesiten una formación práctica de sus empleados. 3. Fundamentos El LR es un sistema basado en instrumentación real de laboratorio (no prácticas simuladas), que permite al estudiante realizar actividades prácticas de forma local o 34

36 remota, transfiriendo la información entre el proceso y el estudiante de manera uni o bidireccional. El alumno utiliza y controla los recursos disponibles en el laboratorio, a través de estaciones de trabajo de una red local (Intranet) o bien a través de Internet. 4. Metodología El funcionamiento básico del sistema permite: Manipular el equipo de forma local. A través de conexiones remotas se permite el acceso de forma monousuaria a los diversos usuarios. Al laboratorio se podrá acceder como Supervisor o Profesor y como Alumno, teniendo cada perfil, distintas opciones y permisos. Las interconexiones básicas se realizan mediante: Modelo LabVIEW/Java/Java; siendo los módulos funcionales: LabVIEW Acceso al dispositivo Suministro de datos Proceso de Control (Sistema de Recubrimientos) Java Distribución de los datos Gestiona las conexiones Manejo & Monitoreo Interpreta comandos (Sistema de Recubrimientos) La estructura de este sistema estaría compuesta por la combinación de Apache + MySql + PHP; debido a las compatibilidades del software y su posibilidad de migración, sin complicación alguna, a servidores tipo Unix/Linux, más adecuados para el desarrollo de ambientes multiusuario, multitarea y multiproceso. El servidor Apache provee el sitio Web, MySql es el motor para las bases de datos del sistema de información y la herramienta de análisis, y PHP es usado para la creación de páginas dinámicas. El sistema se completará con un gestor de reservas, un gestor de educación (Dokeos) y un gestor de contenidos (Joomla). En la Figura 1 se muestra el esquema del Laboratorio Virtual Remoto. 35

37 Referencias 1. Sanchéz, J.; Dormido, S.; Morilla, F. A Java/MatLab-Based Environment for Remote Control System Laboratories: Illustrated with an Inverted Pendulum, IEEE Transactions on Education, vol. 47, no. 3, August, 2004 pp Guzman, J. L.; Berenguel, M.; Rodríguez, F.; Dormido, S. Web-Based Remote Control Laboratory Using a Greenhouse Scale Model Computer Applications in Engineering Education, 13, 2005, pp Jugo, J., Sagastebeitia, I., Etxebarria, V. Laboratorio de control en tiempo real via Internet usando herramientas open source, V Jornadas de Enseñanza via Internet/Web de la Ingeniería de Sistemas y Automática, EIWISA 07, Zaragoza, Franco, A. Multimedia Materials for the Interactive Physics Course on the Internet, 2008 International Conference on Engineering and Mathematics, ENMA08, Bilbao, Julio Esquembre, F. Creación de Simulaciones Interactivas en Java. Aplicación a la Enseñanza de la Física. Pearson Prentice Hall Educación,

38 Inteligencia Artificial aplicada a la mejora de la Calidad Empresarial Jose Amelio Medina 1, Carmen de Pablos 2, Lourdes Jimenez 1, Jorge Peñas 1, 1 Dpto de Ciencias de la Computacion -Universidad de Alcalá - Campus Universitario, Alcala de Henares - Madrid Dept. de Economía de la Empresa - Universidad de Rey Juan Carlos - Campus de Vicalvaro Madrid {josea.medina, lou.jimenez, jorge.penasb}@uah.es {Carmen.depablos}@urjc.es Resumen. La pérdida de conocimiento que se produce en las organizaciones cuando causa baja un trabajador, genera pérdidas económicas difícilmente reversibles en muchos casos. A lo largo de este trabajo, plantearemos una propuesta de aplicación de un sistema experto a la mejora continua empresarial para un sistema de gestión de la calidad según la norma 9001:2008 [1]. La aplicación que proponemos intenta mitigar los problemas producidos ante las circunstancias anteriormente descritas. Palabras Clave: calidad, gestión de la calidad, gestión del conocimiento, inteligencia artificial. 1 Introducción En un mercado cada vez más globalizado, con mayor competencia, las empresas persiguen mejoras en su gestión a través de la modificación de los métodos y procesos. De esta forma pueden conseguir abaratar costes en las distintos áreas, como son: producción, compras, comercial, etc. y una mayor eficiencia y eficacia en los procesos. Estas mejoras demandan del talento de diferentes perfiles de trabajadores en las empresas. Cuando estos trabajadores abandonan su puesto de trabajo, independientemente del motivo, se puede producir una gran pérdida económica y de imagen frente al cliente, proveedores, etc. Aunque las distintas normas de calidad como ISO 9001 (2008) [1], reflejan este hecho y aconsejan documentar los distintos procesos con sus respectivos procedimientos, resulta insuficiente ya que, en muchos casos no se realiza correctamente o simplemente no se realiza, produciéndose por tanto, una acentuación del problema de la pérdida de conocimiento. A pesar del esfuerzo que han realizado las Administraciones Públicas por promocionar prácticas de certificación en las empresas (DOCM 206, DE 07/10/08) [3], aún son pocas las empresas certificadas con la norma 9001:2008 [1], en torno a las empresas en España (Forum Calidad, 2009) sobre la certificación en España según las normas ISO 9001, y EMAS [4]. Del mismo modo se ha producido una motivación y promoción de las tecnologías de información y comunicación (TIC) en el mundo empresarial, a través del Plan 37

39 Avanza. La incorporación de soluciones de negocio basadas en las TIC puede contribuir a la competitividad y a la mejora de la productividad [7]. Aun así, el uso de las TIC en las empresas españolas sigue siendo muy bajo como se indica en el informe sobre Las tecnologías de la información y las comunicaciones en la empresa española 2009 [5] en el informe epyme 2008 [6]. Por lo que acabamos de exponer, y aunque no existen datos al respecto, consideramos que el uso de inteligencia artificial, y más concretamente el de sistema experto, es bajo; prácticamente se trata de un valor residual que está ligado al grado de automatización de procesos a través de Sistemas de Planificación de Recursos Empresarial (ERP) (Fundetec, 2008) [5]. 2. Descripción del problema La pérdida de conocimiento que se produce en la empresa cuando cesa un trabajador, ha sido tratada por autores consagrados como Kaplan y Norton (1996) [2]. Existe un amplio consenso en la importancia de esta dimensión para los autores en este campo [10], [11], [12], [13], [14]. Por otro lado, las organizaciones tienen necesidad de certificarse o al menos de implantar las normas de calidad. No hay que olvidar que uno de los apartados de la norma ISO 9001:2008 [1] es la mejora continua, y nosotros sólo podemos mejorar un sistema de calidad si estamos realizando mediciones de su gestión, como indica Ishikawa (1989) [8]. Esto supone la necesidad de medir todos los procesos. La norma ISO 9001:2008 [1] es clara en su punto 8.2. Seguimiento y medición pero más concretamente el apartado Satisfacción del cliente. En ella se indica que se debe realizar un seguimiento de la satisfacción de cliente con el fin de analizar los resultados y que permita obtener una realimentación de los datos de entrada. Para cumplir con los requisitos de esta norma, la inmensa mayoría de las empresas evalúan la satisfacción de cliente a través de dos formas distintas: a través del envío de un cuestionario a un grupo de clientes, que posteriormente se analiza, o a través de un seguimiento de sus pedidos y visitas de los comerciales. Aunque las dos formas son muy interesantes, a efectos de este trabajo vamos a centrarnos únicamente en la primera, que es mediante el envío de un cuestionario de satisfacción de cliente. Por consiguiente proponemos un prototipo que evalúe la satisfacción de cliente según la norma ISO 9001:2008 [1]. 3. Arquitectura del sistema Con el desarrollo del prototipo intentamos ofrecer una alternativa al desarrollo e implantación del prototipo. Para ello hemos adoptado dos puntos de vista, uno desde el punto interno de acceso a la aplicación, mediante la base de datos de forma local o en red, y otro desde el punto de vista externo, en el que la conexión se realiza vía web. Planteamos esta herramienta como un complemento del sistema que habitualmente 38

40 existe en cualquier empresa, como el ERP y el CRM. Estos sistemas suelen estar desarrollados en SQL Server como sistema de almacenamiento de datos, independientemente de cómo sea el interface. De este proceso se pueden obtener datos como Recursos Internos, Finanzas y de Recursos Humanos, entre otros. Partiendo de esta premisa y teniendo en cuenta que nuestro objetivo, es analizar la satisfacción de cliente como indica la norma ISO 9001:2008, en la que se indica que dicho proceso puede ser realizado mediante el envío y posterior análisis de los resultados obtenidos, con el fin de poder aplicar acciones de mejora en nuestro proceso que garanticen una mejora en la satisfacción del cliente produciéndose una realimentación entre empresa y cliente. El proceso de envío de cuestionarios se realizará vía correo electrónico o por la contestación de un cuestionario a través de una página web o por medio de otros métodos más tradicionales, como el fax. Se han establecido tres perfiles principalmente, un usuario, mando intermedio; un directivo y un administrador para conocer en profundidad el acceso a la información. La información recogida es tratada y almacenada en una base de datos, en nuestro caso es MySQL. Seguidamente son adaptados y mostrados en pantalla a través de un cuadro de mando. Especial importancia adquiere el sistema de representación de la información, que en esta investigación es un cuadro de mando integral (CMI) ya que, a partir de él, el personal puede obtener una idea general del grado de satisfacción que tiene el cliente de la empresa y permite analizar los valores empresa por empresa. Para el desarrollo del CMI nos hemos inspirado en el cuadro de mando integral propuesto por Olve at et., (2000) [15] para el aeropuerto de Heathrow. Para el desarrollo del sistema experto, se ha utilizado el programa CoCoA [16], que permitirá analizar los datos mediante un prototipo basado en reglas, a partir del cual se facilitarán las acciones a realizar para cada cliente. Además permitirá detectar incoherencias en la introducción de los datos. 4. Conclusiones El sistema que se ha creado, está basado en la mejora y seguimiento de los datos obtenidos en el apartado de la evaluación de la satisfacción de cliente según la norma ISO 9001:2008. El sistema se centra en la optimización de recursos, así como la automatización del proceso de evaluación de la satisfacción de cliente, facilitando la información a la dirección para apoyar la toma de decisiones. El sólo hecho de poder aplicar este sistema a la satisfacción del cliente ha permitido analizar su extensión al resto de apartados del sistema según norma ISO 9001:2008 que, aunque no se expone en este documento, si permite abrir importantes líneas de investigación en este campo, mediante la implementación de sistemas inteligentes que permitan analizar los resultados y favorecer la toma de decisiones de 39

41 manera acertada. A modo de ejemplo, citaremos aspectos como la evaluación de proveedores, verificación de pedidos y aceptación de los mismos, etc. Esta herramienta de gestión permitirá reducir los tiempos de respuesta en las pymes en las que se implantara y permitiría además disponer de información sobre lo que opinan los clientes de una manera rápida y en tiempo real, facilitando de este modo poder corregir de forma rápida cualquier desviación que se pueda producir. Referencias 1. ISO 9001:2008, Sistemas de gestión de la calidad. Requisitos, AENOR, Kaplan, R.S. and Norton, D.P., Cuadro de Mando Integral, Gestión 2000 S.A., Consejería de Industria y Tecnología-JCCM, Orden de , por la que se establecen las bases reguladoras de las subvenciones a la competitividad e incentivos a la inversión empresarial en Castilla-La Mancha, DOCM 206, DE 07/10/08, Disponible en 4. Forum Calidad, Certificación en España según normas ISO 9001, y EMAS, Decimocuarto Informe de Forum Calidad, Forum Calidad, nº 200, abril, pp AETIC, Las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones en la empresa española 2009, Disponible en 6 Fundetec, Informe epyme Análisis sectorial de implantación de las TIC en la pyme española, marzo, Disponible en 7 Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, La convocatoria 3/2007 del Programa Avanza PYME, Disponible en 8 Ishikawa, K., Introducción al Control de Calidad, Díaz de Santos, ISO 9004:2009, Gestión para el éxito sostenido de una organización. Enfoque de gestión de la calidad., AENOR, Smith, T.F., Waterman, M.S.: Identification of Common Molecular Subsequences. J. Mol. Biol. 147, (1981) 10. Edvinsson, L. and Malone, M.S., El capital intelectual, Gestión 2000 Barcelona, Euroforum, Medición del Capital Intelectual. Modelo Intelect, IUEE, San Lorenzo del Escorial, Madrid, Steward, T.A., La Nueva Riqueza de las Organizaciones: El Capital Intelectual,Granica, Buenos Aires, Lev, B., Intangibles. Management, measurement and reporting,brookings Institution, Washington, Ordóñez De Pablos, P., Evidence of intellectual capital measurement from Asia, Europe and the Middle East,Journal of Intellectual Capital, 2002,3, 3, Olve N. and Roy, J. and Wetter, M., Implantando y gestionando el Cuadro de Mando Integral, Gestión 2000 S.A., CoCoA Team, CoCoA, a system for doing Computations in Commutative Algebra, Disponible en 40

42 El Pavimento Inteligente Félix Navarro 1, 2, Ángel López 1,3, Mario Piattini 1,4 1 AEI Pavimento Inteligente {Felix.Navarro, Angel.Lopez, Mario.Piattini}@asepi.org 2 Vía Inteligente, S.L. Felix.Navarro@viainteligente.com 3 GCL Informática, S.L. Alopez@gcl.es 4 Instituto de Tecnologías y Sistemas de Información Universidad de Castilla-La Mancha Mario.Piattini@uclm.es Abstract. Las ciudades se encuentran ante una oportunidad única, gracias a la integración de diferentes tecnologías e investigaciones en campos tan diversos como la mineralogía, las comunicaciones y el software, para prestar servicios a sus ciudadanos de manera inteligente Keywords: Pavimento Inteligente, EPI, Ciudad Inteligente, Via Inteligente 1 Introducción La investigación en el campo de la inteligencia ambiental se ha centrado en los últimos años en el hogar, o bien se ha utilizado tecnología como RFID (ya bastante madura) para integrarla en entornos móviles con el fin de facilitar temas logísticos, sanitarios o de seguridad. Sin embargo, uno de los lugares más utilizados por las personas: la calle, no se ha dotado todavía de la inteligencia necesaria. La tendencia clara en los últimos años es en hacer más accesibles y peatonales los centros de las principales ciudades, normalmente utilizando piedra natural. Pero no existe experiencia en la integración de tecnologías inalámbricas (Bluetooth, Wifi, ZigBee, RFID, etc.) en el pavimento donde existen barreras de exterior y con alteraciones. 1.1 Ciudades analógicas o digitales? Al igual que ha sucedido con la televisión, creemos deseable un apagón analógico de las ciudades que sus habitantes pudieran celebrar con nuevos servicios (como los que se muestran en la Fig.1) dando lugar a un sistema de infraestructuras invisibles y sostenibles. 41

43 Fig. 1. Ejemplo de servicios para las ciudades digitales 1.2 El cambio estratégico de las ciudades En definitiva se trataría de conseguir que nuestras ciudades lleven a cabo un cambio estratégico, pasando de la situación actual basada en la construcción y obra pública, a la deseable en el futuro como proveedora de servicios y seguridad a los ciudadanos, en línea con lo aprobado en la reunión de Ministros de Desarrollo Urbano de la UE en junio de La tercera ola de innovación tecnológica De esta manera conseguiremos construir ciudades inteligentes, en el sentido que señala el profesor William Mitchell del MIT, aprovechando la tercera ola de innovación tecnológica que suponen los sensores y etiquetas digitales, y que viene a sustituir a los dos olas anteriores, relativas a la incorporación de los ordenadores y a la era de la conectividad que supuso la introducción de Internet. Como señala este experto, habitar ciudades inteligentes supone estar conectado de manera continua a diferentes redes, de manera que las ciudades puedan extender las 42

44 capacidades de las personas de forma más completa y global y ofrecerles momentos positivos en sus actividades cotidianas (véase Fig. 2) Fig. 2. Algunos momentos positivos que pueden ofrecer las ciudades inteligentes 2 ASEPI Con el fin de impulsar estos conceptos y de comprometer a todos los actores que operan en el sector del pavimento inteligente, para promover la cooperación interempresarial, fomentar los proyectos colaborativos interempresariales y entre agentes, se ha creado en noviembre de 2010, una AEI (Agrupación Empresarial Innovadora) denominada ASEPI ( que contribuirá a crear y consolidar la imagen y la posición del sector a nivel nacional e internacional. Además, ASEPI contribuye al fomento de la investigación, el desarrollo y la innovación en el sector del pavimento, y en definitiva, en el fomento del desarrollo económico, social y tecnológico. La asociación agrupa diversos sectores como son: Proveedores de Tecnología (Tag RFID, Telecos, Patentes, Impermeabilizantes, etc), Fabricantes de Pavimentos (Piedra Natural, Hormigón, Prefabricados, etc.), Proveedores de Soluciones 43

45 NORMAS CLASES I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes (Instaladores, Integradores de Software, Fabricantes de aplicaciones, etc.), Comercializadores (Comercializadoras e Integradores de pavimento inteligente), y Centros de de I+D (Universidades, Centros de I+D, etc) 3 EL ESTÁNDAR EPI ASEPI, impulsa el estándar del EPI ( El Pavimento Inteligente ), un estándar de facto, creado por los fabricantes, de forma que las organizaciones y administraciones públicas sean capaces de implantar el pavimento inteligente en sus ciudades con total garantía de servicio, suministro, mantenimiento y conexión (por supuesto) con otras ciudades. Este estándar (véase Fig. 3) contempla todas las clases de elementos y organizaciones interesadas en el pavimento y los servicios asociados. Además, el estándar EPI permite un modelo de transferencia de conocimiento y servicio en relación a la vigencia tecnológica de los desarrollos e implantaciones. Subcomité Subcomité Subcomité Subcomité Subcomité EPI.A:2011 EPI.B:2011 EPI.C:2011 EPI.D:2011 EPI.E:2011 Versión 0 Versión 0 Versión 0 Versión 0 Versión 0 Fig. 3. El estándar EPI, concebido por ASEPI 44

46 A Common-Sense Approach for Automatic Service Composition in Ambient Intelligence María J. Santofimia 1, Felix J. Villanueva 1, Miguel A. Martínez 1,Francisco Moya 1, and Juan C. López 1, 1 Computer Architecture and Networks Group. School of Computer Science. University of Castilla-La Mancha {MariaJose.Santofimia, Felix.Villanueva, MiguelA.Martinez, Francisco.Moya, JuanCarlos.Lopez}@uclm.es Abstract. Systems for Ambient Intelligence contexts are expected to exhibit an autonomous and intelligent behavior by understanding and reacting to the activities that take place in such contexts. The work proposed here advocates a common-sense approach as a solution to the shortage of current systems for Ambient Intelligence when dealing with unexpected scenarios. Keywords: Ambient Intelligence, Common Sense, Planning. 1 Introduction Event management and response generation are two essential aspects of systems for Ambient Intelligence. In spite of having succeed in addressing well-known situations, novel or unexpected scenarios comprise the bottleneck of intelligent systems. Analyzing how people react to these unexpected situations provides an idea about the direction where efforts are to be addressed. Generally, when facing novel situations we tend to establish some similarities with past experiences, or resort to the general knowledge about how things work the so called common-sense knowledge, or even look for advice in books. In a human-like fashion, we strongly believe that only systems will be flexible enough to support Ambient Intelligence when common-sense reasoning starts being considered a structural part of such systems. On the basis of the on-going circumstances and also considering the goals that are to be achieved or fulfilled, Ambient Intelligence systems are expected to devise the behavioral response that will be undertaken by means of available services. Nevertheless, these basic services are not always enough to cope with the complexity of the devised behavior, and therefore, composite services are demanded. The proposed solution resorts to a common-sense Knowledge-Base with which to both reason about and model the context and the related events. This approach is capable of generating ad-hoc responses, in terms of actions to be performed, by planning course of actions that lead to the composite service that fulfill the sought functionality. 45

47 By combining and supporting an action planner on a common sense system, this work proposes an approach to overcome some of the deficiencies of the current approaches to systems for Ambient Intelligence. This work basically joins two longstudied fields, common-sense reasoning and planning, to make them work together towards Ambient Intelligence. The following figure depicts the overall approach for developing systems for Ambient Intelligence. 2 Leveraging Common Sense It is apparent that autonomous and self-sufficient behavior needs to be founded on knowledge about how things work (also known as common sense), and on the capability to make decisions based on that knowledge. Automating common-sense reasoning is a task that requires an expressive enough language, a knowledge base where to store such a large amount of knowledge, and a set of mechanisms capable of manipulating this knowledge, so as to infer new information. Regarding the knowledge base, Cyc[1], WordNet[2] and Scone[3] have proof to be successful approaches. The Scone KB project is an open-source knowledge based system, intended to represent symbolic knowledge about the world as an interconnected network made up of node units and links between them. Its principal strength lies in the way in which search and inference are implemented. Scone adopts a markerpassing algorithm [4] devised to be run in the NETL machine. The approach adopted by Scone better meets the demands of the service composition since knowledge about events and actions are modeled in terms of the context state or world-model just before the action or the event takes place, and the context state immediately after the action [5]. The semantic model proposed in [6] is centered on the concept of a service. Under the Ambient Intelligence perspective, services can be decomposed into the set of the actions performed on objects. These services are offered by devices. Adopting 46

48 this semantic model has a significant impact on the planning strategy, since we must consider not only the preconditions and effects of actions, but also the objects receiving those actions and the devices providing the services that give rise to actions. The work in [6] also proposes an approach for action planning with endowed capabilities to handle the non-trivial aspects of common-sense reasoning 1. The actions that can be performed by a system (feasible actions) are determined by the devices and services available at each moment in time. On the contrary those actions that cannot be performed due to the lack of provider services are named here as nonfeasible actions. Whenever the system demands the execution of a non-feasible action, the planner comes into play. As listed underneath, the Planning algorithm starts with an empty plan, the Π plan, to be completed with the list of actions, provided by services. This course of actions are intended to emulate the demanded non-feasible action. The course of actions is provided as a set of actions performed on objects, A and O respectively, and the results R of accomplishing such actions. 2.1 Modeling Multiple-Contexts The proposed planner exploits the fact that two actions that have similar after contexts and, therefore similar effects on the context are considered to be functionally equivalent. Moreover, the before context can be considered as the set of requirements that need to be met for the action to be performed. These two considerations are the cornerstone of proposed planning algorithm. Representing actions and events in Scone simply consists of defi ning two new contexts, one describing the world before the action or event takes place and another that represents the state of the world afterwards. The following example describes a simplified definition of the move event. Lisa moves can be defined as an specifi c occurrence of the move event. NEW-EVENT move :roles origin is a place destination is a place moving-object is a person :throughout origin differs from destination :before moving-object is located in origin :after moving-object is located in destination NEW-EVENT-INDV Lisa moves the origin of Lisa moves is kitchen the destination of Lisa moves is living-room the moving-object of Lisa moves is Lisa IN-CONTEXT before STATEMENT-TRUE? Lisa is in living-room => No GET the location of Lisa => kitchen IN-CONTEXT after STATEMENT-TRUE? Lisa is in living-room => Yes 1 Please, refer to: for further information about nontrivial issues of common sense 47

49 3 Conclusions This work points out some relevant aspects that need to be taken into consideration when developing systems for Ambient Intelligence. As an step towards real intelligent systems, this work advocates for a common-sense approach to drive Ambient Intelligence systems in response to on-going situations. To this end, this work proposed a comprehensive solution intended to provide automatic service composition, achieved by means of a common-sense planning strategy. The comprehensive solution summarized here adopts a three-level approach. It proposes a semantic model for actions and events, which it is considered to be an agreement on how to interpret the knowledge represented in the knowledge base. Furthermore, resorting to a semantic model, to be shared among different instances, is also essential when these instances are expected to extract the same meanings or conclusions from the represented knowledge. It also proposes an action planning strategy so as to make the most of the service functionality. Composite services aggregate the functionality of each of the composing services. Systems for Ambient Intelligence could respond to whatever the needs on the basis of the available services and devices and combinations of those. Finally, this work also proposes a way of capturing the common-sense knowledge that characterized the actions and events by resorting to the semantics of multiple-contexts and possible-words. References [1] Cycorp, I.: The Cyc project home page (2008) Available online at: Retrieved on December 10th, [2] Christiane Fellbaum. WordNet: An Electronic Lexical Database (Language, Speech, and Communication). The MIT Press, May [3] Fahlman, S.E.: The Scone knowledge-base project (2010) Available online at: Retrieved on February 28th, [4] Fahlman, S.E.: Marker-passing inference in the scone knowledge-base system. In: First International Conference on Knowledge Science, Engineering and Management (KSEM 06), Springer-Verlag (Lecture Notes in AI) (2006) [5] Chen, W., Fahlman, S.E.: Modeling mental contexts and their interactions. In: AAAI 2008 Fall Symposium on Biologically Inspired Cognitive Architectures, Washington. (2008) [6] Maria J. Santofimia, Scott E. Fahlman, Francisco Moya, and Juan C. Lopez. A commonsense planning strategy for ambient intelligence. In Proceedings of the 14th international conference on Knowledge-based and intelligent information and engineering systems. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,

50 Plataforma de alto nivel para el desarrollo de sensores y actuadores de bajo coste en entornos inteligentes C. Martín, D. Villa, O. Aceña, F.J. Villanueva, F. Moya, J.C. López Laboratorio ARCO, Escuela Superior de Informática, Universidad de Castilla-La Mancha, Paseo de la Universidad 4, 13071, Ciudad Real {cleto.martin,david.villa,oscar.acena,felix.villanueva, francisco.moya,juancarlos.lopez}@uclm.es Resumen En este artículo se presenta la plataforma IcePick, un entorno de desarrollo software que facilita la creación de aplicaciones en redes de sensores y actuadores para infraestructuras y entornos inteligentes. Su principal ventaja es que la programación de los dispositivos de bajo coste se realiza desde un alto nivel de abstracción, agilizando el proceso de desarrollo. Además, la instalación de los dispositivos es transparente en un entorno inteligente ya desplegado. Keywords: redes de sensores y actuadores, middleware, metodología de desarrollo 1. Introducción Actualmente, las infraestructuras inteligentes presentan numerosos retos de investigación en diferentes campos de la computación. Uno de ellos son las redes de sensores y actuadores (SAN). Los sistemas inteligentes necesitan conocer diferentes magnitudes del entorno que les rodea tales como temperatura, presión, etc. En base a este tipo de datos pueden tomar decisiones y modificar el estado del entorno a través de actuadores como interruptores, válvulas, etc. Así, la gestión inteligente de infraestructuras requiere desplegar sensores y actuadores para que sean la interfaz con el mundo real. Desde el punto de vista de la programación de este tipo de redes se presentan varios retos. En primer lugar, es necesario que las infraestructuras inteligentes sean escalables. Incluir nuevos dispositivos sensores o actuadores en un sistema ya desplegado puede ser una tarea complicada debido, principalmente, a la heterogeneidad de estos dispositivos. Por ejemplo, un nodo sensor de luz podría requerir adaptaciones específicas para su integración con el resto del sistema debido a que pertenece a otro fabricante, o funciona con otro sistema operativo o por cualquier otro motivo. Estos adaptadores complican tanto la programación del dispositivo (aumentando los costes asociados) así como el propio entorno inteligente, que necesita soportar servicios de traducción para interactuar con las SAN desde otras partes del sistema. Desde el punto de la infraestructura inteligente, los sensores y actuadores tienen que hacer tareas sencillas tales como medición de una magnitud, envío de medidas, responder ante eventos simples, etc. Para la mayoría de las aplicaciones es suficiente el uso de dispositivos basados en microcontroladores de 8 bits y con pocos KBytes 49

51 2 C. Martín, D. Villa, O. Aceña, F.J. Villanueva, F. Moya, J.C. López I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes de memoria, reduciendo en gran medida el coste de la instalación. Sin embargo, el inconveniente principal de este tipo de dispositivos es que las herramientas y lenguajes de programación ofrecen un nivel de abstracción bajo. Es por ello que su diseño precisa de personal más especializado, siendo costosos de desarrollar y de mantener. Cualquier cambio en la infraestructura requiere mucho tiempo de desarrollo y depuración en estos dispositivos. Este trabajo describe una plataforma de desarrollo de dispositivos de bajo coste llamada IcePick. Para el programador ofrece un alto nivel de abstracción y permite construir SAN con nodos heterogéneos de muy bajo coste directamente integrables en un sistema ya desplegado. En la sección 2 se muestra el trabajo relacionado. En la sección 3 se describen los componentes de IcePick y en la sección 4 se presentan los resultados de diferentes aplicaciones prototipo. Finalmente, en la sección 5 se exponen las conclusiones. 2. Trabajo relacionado Existen en el mercado algunas soluciones que actualmente se utilizan para la programación de dispositivos sensores y actuadores. Waspmote es un producto creado por la empresa Libelium orientado a las redes de sensores. En estos dispositivos se pueden montar placas con sensores y actuadores y, junto con el producto, se proporcionan entornos de programación. El lenguaje de programación es C++ simplificado, restringiéndolo a la API 1 proporcionada por Libelium. Sin embargo, los entornos y librerías proporcionadas con Waspmote son exclusivamente para esta plataforma. De hecho, la biblioteca proporcionada no es genérica y depende en gran medida de la plataforma hardware de Waspmote. Otros dispositivos reseñables son la gama Sun SPOT 2 y Lego Mindstorms que tienen implementaciones de la máquina virtual de Java (JVM), por lo que son programables en este lenguaje. Sin embargo, el tamaño de una implementación mínima de una JVM y sus requisitos hardware hacen inviable la carga de estas aplicaciones en dispositivos de baja gama como microcontroladores. 3. IcePick: metodología de desarrollo La plataforma IcePick se basa en la filosofía de la orientación a objetos distribuida. Además de proporcionar un alto nivel de abstracción, la programación orientada a objetos distribuida aísla el acceso a la red de comunicaciones de forma que el programador no tenga en cuenta ese tipo de cuestiones. Los middlewares orientados a objetos (MOO) tales como CORBA 3 o Ice 4 proporcionan esta capa de abstracción de acceso a la red. Los nodos que conforman el sistema distribuido pueden ser heterogéneos (PCs, servidores, sensores, actuadores, etc.) ya que todos comparten el núcleo de comunicaciones

52 IcePick 3 En la terminología de los MOO, un objeto distribuido (OD) es una entidad que proporciona funcionalidad al resto del sistema. Por ejemplo, un sensor de temperatura se puede modelar como un OD que permite obtener un valor de temperatura a través de la invocación de determinado método. Para describir la funcionalidad y los modos de acceso a los servicios de un OD se utilizan interfaces. Dependiendo del middleware, las interfaces se escriben en un formato u otro (IDL para CORBA; Slice para Ice; etc.). IcePick se basa en el concepto de picoobjeto [1,2], esto es, una implementación mínima de un OD que puede ser cargada en dispositivos de bajo coste y, a la vez, ser integrable automáticamente en un sistema distribuido ya desplegado. Su estructura es similar a muchos lenguajes interpretados como Java: un bytecode describe el programa y éste se ejecuta sobre una máquina virtual para una plataforma concreta. De esta forma, se consigue independencia de la arquitectura hardware en los nodos. Figura 1. Esquema de la metodología de desarrollo con IcePick. La parte de la izquierda corresponde al desarrollo de un picoobjeto utilizando IcePick. La parte de la derecha es el desarrollo de una aplicación que interactúa con el picoobjeto. Nótese que partiendo de la descripción de las interfaces, el desarrollo puede hacerse en paralelo. En definitiva, IcePick proporciona un conjunto de herramientas para crear picoobjetos automáticamente para diferentes plataformas a partir de una descripción abstracta y automatiza todo el proceso. Al soportar diferentes tecnologías y arquitecturas, la plataforma es fácilmente extensible. En la figura 1 se muestra el flujo de desarrollo de una típica aplicación distribuida. Partiendo de las interfaces definidas por el diseñador, el diseñador de código empotrado define el comportamiento del picoobjeto utilizando el lenguaje de alto nivel de IcePick. El compilador ipkc traduce el comportamiento deseado a bytecode interpretable por el 51

53 4 C. Martín, D. Villa, O. Aceña, F.J. Villanueva, F. Moya, J.C. López I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes picoobjeto y, además, se proporcionan drivers de acceso al hardware. Estos drivers deben ser implementados en lenguaje de bajo nivel, pero la plataforma IcePick permite su reutilización cuando sea necesario. Finalmente, la plataforma automatiza la carga de todo el software en el dispositivo final. Las aplicaciones clientes interactúan con el picoobjeto como si de un OD estándar se tratase, por lo que la integración es automática y sin necesidad de intermediarios. 4. Prototipos IcePick ha sido utilizado en numerosos proyectos de investigación, la mayoría de ellos orientados a entornos inteligentes, como el proyecto Hesperia (CENIT Hesperia). En la Cuadro 1 se muestran los requisitos de máquina virtual para cada prototipo utilizando el middleware Ice. Cuadro 1. Requisitos de máquina virtual de diferentes aplicaciones. La columna adv indica si el dispositivo puede anunciarse al sistema para ser localizado. Tamaños en bytes. prototipo adv datos código total RAM Pico mínimo no interruptores no Cerradura electrónica sí Display electrónico no vávulas, 3 sen. luz, 1 sen. presencia sí Termostato configurable no A estas cifras se deben sumar los requisitos de la implementación para la máquina virtual que van desde KBytes para microcontroladores PIC hasta KBytes para dispositivos que utilicen algún sistema operativo (p.ej. TinyOS). 5. Conclusiones IcePick proporciona una forma más rápida y abstracta de desarrollar objetos distribuidos para dispositivos empotrados y simplifica el proceso de desarrollo reduciendo los costes asociados. Gracias al concepto de picoobjeto se pueden utilizar middlewares de propósito general como CORBA o Ice en las SAN donde los recursos de cómputo son muy escasos. De esta forma, se facilita la integración de este tipo de dispositivos en los entornos inteligentes. En puede obtenerse la plataforma así como más información. Referencias 1. Moya, F., Villa, D., Villanueva, F.J., Rincón, F., Barba, J., López, J.C., Embedding Standard Distributed Object-Oriented Middlewares in Wireless Sensor Networks, Journal on Wireless Communications and Mobile Computing (WCMC), 1 Mar Martín, C., Villa, D., Villanueva, F.J., Moya, F., Santofimia, M.J., López, J.C., A development model supporting integrative object oriented middlewares for sensor and actuator networks, International Conference on Wireless Networks, Julio

54 4D Trajectory generation using dynamics and location information of an aircraft Mariano Gómez, Sebastián Sánchez Computer Engineering Department Universidad de Alcalá, Spain Abstract. This work proposes the use of a specific technique to handle the navigation of an aircraft by means of the generation of 4D trajectories and using dynamics and location information. This technique has been developed in the Space Research Group (SRG) of the University of Alcalá and it is based on an algorithm formed by reinforcement learning and Cell-Mapping techniques. The algorithm will be named controller and will have four state variables under its control: air speed, altitude, latitude and longitude, through three control actions: aileron, elevator and throttle. Also, the algorithm will be able to take into account wind effect over the actions of the controller. Keywords: Cell-Mapping, Reinforcement Learning, UAV, 4D trajectory, ATM. 1 Introduction For the past years, the Single European Sky ATM Research (SESAR) program has pursued different activities in European Air Traffic Management (ATM) to validate and guarantee the results of the ATM concept plan to ensure that Europe sustains the foreseen growth in air traffic capacity in the future while maintaining a high sense of security and an unbiased attitude towards the effect on the environment. In this respect, the future trend provides a paradigm shift from the present conventional way of ATM to a Trajectory Based one. Most of the works are focused towards achieving the ATM concept plan. Full implementation of 4D trajectory management is foreseen as the backbone of trajectory based operation. The research work presented in this article helps to promote a type of autonomous intelligent behaviour applied to aircrafts and oriented to air traffic management. This work can be framed within the following interest areas contemplated by the Congress I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes : intelligent infraestructure, airports and intelligent vehicles. 2 Proposed Project Taking into account the previous ideas framed on the ATM concept, a new project is proposed whose main goal is to offer a specific solution to allow aircrafts to generate 4D trajectories using dynamics and location information. 53

55 2.1 Objectives 1. Design and implement a controller that will perform optimal navigation planning. Four state variables will be used: air speed, altitude, latitude and longitude, through three control actions: aileron, elevator and throttle. 2. Develop a software application to take into account wind effect over the actions of the controller and to feed the controller with different waypoints to describe a flight plan. 3. Apply the new algorithm in different scenarios taking into account simulation environments and a real-time scenario with a specific target UAV. 4. Check the effectiveness of the new algorithm in real flight conditions. 2.2 Analysis of the controller technology employed The Space Research Group (SRG) of the University of Alcalá has developed a new technology for generating 4D-trajectories in aircrafts using dynamics and location information. This technology is able to perform optimal navigation planning according to specific optimization criteria (e.g. minimum time).this technology has been widely used in wheeled mobile vehicles (WMV) [1-6]. However, the main goal of this proposal is to adapt the new technology to aerial platforms (e.g. aircrafts or UAVs) to perform optimal navigation planning. Both WMVs and aerial platforms are dynamic and non-linear and the main difference is in the state variables that govern their behavior and control actions that must be applied. The research carried out by the SRG Group lets us have an available system, which is very robust against changes in the environment or in physic structure of the platform. In order to achieve this robustness, it is necessary to perform a learning that takes into account of an implicit way these possible changes and is able to know the dynamics of the platform in real-time. From this learning, the system shall perform attitude optimal control. For this reason, the learning takes into account of an implicit way, these possible changes. Also, the new approach is a closed-loop solution and learning is focused on reaching a specific goal starting from any origin state, according to an optimization criterion. The goal is a state from a point of a dynamical view, in which the platform must be operative and stable. On the other hand, the origin state is the current determination and current location of the platform. However, it is necessary to reach another state (goal) in order to achieve a good stability and in case of satellites, maintaining the pointing accuracy. In this way, the platform (aircraft or satellite) learns the dynamics and kinematics from the experience without any kind of explicit mathematical models. Thus, the implementation of the new technology consists of learning the dynamics of the platform and performing optimal control of a concurrent way. The great advantage of the concurrency is to adapt the controller while it is being applied and, thus, achieving a behaviour that comes close to optimum. The platform is characterized by so-called state variables and the procedure carried out by the new technology is to act on the platform through control actions in order to modify its current state. Therefore, the set of state variables and their values range constitute the so-called state space which will be the scope of the new system. Sometimes, in order to reduce learning times, it is important to take into account 54

56 possible symmetries among state variables and the possibility of extrapolating local knowledge to other areas of the state space. Another unique feature of the new technology is the absence of criticality in the choice of sampling period. Regardless of chosen value, controllability will not be affected because the period is automatically adjusted. 2.3 Working environment In order to test the new optimal control algorithm, three working scenarios have been established: simulation environment, hardware in the loop and UAV. Within the simulation environment, the new control algorithm and the model of the UAV will run on a simulator computer with real time constraints. The connection between them is shown in Fig. 1. The NavM module feeds to NOCA (kernel of the controller) with waypoints (latitude, longitude, altitude) to describe a flight. The NOCA module will select the optimal trajectory between each couple of waypoints. The decision made by the NOCA does not take account wind effects. At this point, the third module (WCM) takes part. WCM will correct deflections of ailerons, elevator and level of throttle to fly the optimal trajectory when wind appears. The PC that appears in the Fig. 1 and Fig. 2 handles the Simulator Computer sending different commands (e.g. upload the controller, reading obtained results). Within the Hardware in the loop scenario, there are an electronic card where the controller will run and a simulator computer where the mathematical model of the UAV will run with real time constraints. The state vector comes from the simulator computer and the control actions will be supplied by the controller. The connection between the controller target and the UAV model is shown in Fig. 2. Fig. 1. Simulation environment When applying to the UAV scenario, the electronic card will be embedded in it. Therefore, the state vector will come from the UAV sensors and the control actions supplied by the controller will act over the real control surfaces of the platform. Two stages can be distinguished in the UAV scenario: ground test, where the flight plan will be recorded on the electronic card in order to check the correct movements of the surface controls, and flight test, where the aircraft will be autonomously piloted determining flight plan. 2.4 Man-Machine Interface (MMI) Within the test scenarios where simulator computer takes part, new software will be developed to handle the test environment of the controller. With these applications the 55

57 user will be able to change several controller parameters values in run-time and introduce different waypoints to track any trajectory, throughout orders sent from PC to Simulator Computer. Fig. 2. Hardware in the loop environment Fig. 3. UAV environment 3 Conclusions This proposal contributes to the real implementation of a learning technique that is able to interact with aerial platforms in order to execute an optimal navigation for reaching a specific goal (location and velocity) according to an optimization criterion. From a technical point of view, the performance of the implemented optimal control technique can be evaluated from the S-shaped switching curve [4]. It is important to highlight the previous advantages described in Section 2 that let the new approach progress with respect to other learning techniques involved in optimal planning. References 1. M. Gómez, T. Martínez, S. Sánchez. Optimal trajectory generation using the Simple Cell- Mapping method for wheeled mobile vehicles, In Proc. of SAAEI, pages 1-5. ISSN/ISBN Universidad de Alcalá (Spain), September M. Gómez, T. Martínez, S. Sánchez, D. Meziat. Optimal control applied to Wheeled Mobile Vehicles, in Proceedings of IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing, pp Alcalá de Henares, Madrid (Spain), October M. Gómez, T. Martínez-Marín, S. Sánchez and D. Meziat. Optimal control applied for Wheeled Mobile Vehicles based on Cell Mapping techniques, in Proceedings of IEEE Intelligent Vehicles Symposium. Eindhoven University of Technology, The Netherlands. Conference Proceedings Book, pp , M. Gómez, T. Martínez-Marín, S. Sánchez and D. Meziat. Integration of Cell-Mapping and Reinforcement Learning Techniques for Motion Planning of Car-Like Robots, in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (Special Issue). Vol. 58, issue 9, pp , September M. Gómez, L. Gayarre, T. Martínez-Marín, S. Sánchez and D. Meziat. Motion Planning of a Non-Holonomic Vehicle in a Real Environment by Reinforcement Learning, in Proceedings of the International Work-Conference on Artificial Neural Networks (IWANN), Part I. Salamanca, Spain. Springer LNCS 5514, pp , June M. Gómez. Optimal Motion Planning and Reinforcement Learning in Autonomous Mobile Vehicles. PhD Thesis, University of Alcalá, Madrid, Spain

58 A new Attitude Control System (ACS) for aircrafts and satellites Mariano Gómez, Sebastián Sánchez Computer Engineering Department Universidad de Alcalá, Spain Abstract. This work proposes the use of a specific technique to handle the Attitude Control of an aircraft or satellite. This technique has been developed in the Space Research Group (SRG) of the University of Alcalá and it is based on an algorithm formed by reinforcement learning and Cell-Mapping techniques. The new approach can be the same both for aircrafts and satellites and it is characterized by its learning capacity and adaptability to changes in the dynamics of the platform. Keywords: Cell-Mapping, Reinforcement Learning, aircraft, satellite, attitude control, optimal control. 1 Introduction Both aircrafts and satellites generally need to be positioned in a certain attitude in order to meet mission requirements or flight conditions. In order to achieve a specific attitude, they have to be conveniently oriented. For example, a typical problem that is faced attitude control system of a satellite is to carry out shunting operations, but maintaining the pointing accuracy and the level of residual vibration after the operation. Hence the attitude control system must be able to maintain stability and good performance. There are several solutions for the attitude control depending on the mission or the flight conditions. For example, when the problem is reduced to only an axis, a bangbang control [1] can be used in order to achieve an optimal solution in minimum time. Nowadays, there are no solutions based in minimum time criterion that are applied to a real problem composed of three axes. In this case, the problem is simplified by means of a linearization and it is broken down into three separate problems, one per axis. However, the three separate controls are not the optimal solution in minimum time. We could achieve a solution to this complex problem using Dynamic Programming (DP), but it requires a high computational cost [2]. Recently, stochastic algorithms have obtained interesting results in this area [3]. The main advantage of these algorithms is that they make a global search in the state 57

59 space due to the use of specific mechanisms to escape from local optimal states (e.g. evolutionary algorithms [4]). In fact, they are very robust against non-linear problems. The attitude control system of a satellite includes a sensor that generates an output signal in response to changes in the attitude. This signal is brought to a Kalman filter that models the dynamic state of the satellite and sends the control actions to the actuators for attitude control. The system responds to the actuators and provides a feedback [5] 2 Proposed Project In this work, a new technical solution for the Attitude Control System (ACS) is proposed. This technique will be the same both for aircrafts and satellites. Also, it is important to highlight the adaptability capacity of the new solution to the continuous changes in the dynamics of the aircraft or satellite. 2.1 Objectives 1. Design and implement a controller that will handle the attitude control through a technique based on an algorithm formed by reinforcement learning and Cell-Mapping techniques. This controller will have six state variables under its control: pitch, roll and yaw, pitch speed, roll speed and yaw speed, through three control actions: one torque per each of the axes. 2. Apply the new controller to a software model of an aircraft or satellite under a real time simulation environment. 3. Show graphically the obtained results and perform an analytical study. 2.2 Analysis of the controller technology employed The Space Research Group (SRG) of the University of Alcalá has developed a new technology for applying attitude control to aircrafts and satellites of an optimal way according to specific optimization criteria (e.g. minimum time). This technology has been widely used in wheeled mobile vehicles (WMV) [6-11]. However, the main goal of this proposal is to adapt the new technology to aerial platforms (e.g. aircrafts, UAVs or satellites) to perform attitude control. Both WMVs and aerial platforms are dynamic and non-linear and the main difference is in the state variables that govern their behavior and control actions that must be applied. The research carried out by the SRG Group lets us have an available system, which is very robust against changes in the environment or in physic structure of the platform. In order to achieve this robustness, it is necessary to perform a learning that takes into account of an implicit way these possible changes and is able to know the dynamics of the platform in real-time. From this learning, the system shall perform attitude optimal control. For this reason, the learning takes into account of an implicit way, these possible changes. Also, the new approach is a closed-loop solution and learning is focused on reaching a specific goal starting from any origin state, according to an optimization criterion. The goal is a state from a point of a dynamical view, in which the platform must be operative and stable. On the other hand, the origin state is the current determination and current location of the platform. 58

60 However, it is necessary to reach another state (goal) in order to achieve a good stability and in case of satellites, maintaining the pointing accuracy. In this way, the platform (aircraft or satellite) learns the dynamics and kinematics from the experience without any kind of explicit mathematical models. Thus, the implementation of the new technology consists of learning the dynamics of the platform and performing optimal control of a concurrent way. The great advantage of the concurrency is to adapt the controller while it is being applied and, thus, achieving a behaviour that comes close to optimum. The platform is characterized by so-called state variables and the procedure carried out by the new technology is to act on the platform through control actions in order to modify its current state. Therefore, the set of state variables and their values range constitute the so-called state space which will be the scope of the new system. Sometimes, in order to reduce learning times, it is important to take into account possible symmetries among state variables and the possibility of extrapolating local knowledge to other areas of the state space. Another unique feature of the new technology is the absence of criticality in the choice of sampling period. Regardless of chosen value, controllability will not be affected because the period is automatically adjusted. 2.3 Working environment In order to test the new optimal control algorithm, one working scenario represented in Fig. 1, with a satellite / aircraft simulator has been considered. Within the simulation environment, the new control algorithm will run on a Personal Computer (PC) and it will act on the aircraft / satellite simulator. The simulator will provide the state vector of the platform to the PC: pitch, roll and yaw, pitch speed, roll speed and yaw speed. The PC will act on the platform sending the corresponding control actions. 2.4 Man-Machine Interface (MMI) Within the PC where the controller is run, an application software will be developed to handle the test environment and visualize the obtained results by means of representative graphics. Therefore, with the MMI the user will be able to change several controller parameters values in run-time. Fig. 1. Simulation environment 59

61 3 Conclusions This proposal contributes to the following progress beyond the state-of-the-art: The real implementation of a learning technique that is able to interact with aerial platforms (e.g. UAV, satellites) in order to execute an attitude optimal control for reaching a specific goal (location or orientation) according to an optimization criterion (e.g. minimum time). From a technical point of view, the performance of the implemented optimal control technique can be evaluated from the S-shaped switching curve [9]. It is important to highlight the previous advantages described in Section 2 that let the new approach progress with respect to other learning techniques involved in attitude control. Acknowledgments This work has been supported in part by Ministerio de Ciencia e Innovación under the grant AYA C References 1. J. R. Wertz. Space Attitude Determination and Control. Kluwer Academic Pub., S. Thongchet and S. Kuntanapreeda. A Fuzzy-Neural Bang-Bang Controller for Satellite Attitude Control. Journal of KMITNB., vol. 11, no. 4, X. S. Ge and L. Q. Chen. Attitude Control of a Rigid Spacecraft with Two Momentum Wheel Actuators Using Genetic Algorithm. Acta Astronaútica, 55, pp. 3 8, L. D. Davis, K. De Jong, M. D. Vose, and L. D. Whitley. Evolutionary Algorithms. Mathematics and Its Applications, vol. 111, Springer-Verlag, Berlin, Germany, I. Mainenti et al. Satellite Attitude Control using the Generalized Extremal Optimization with a Multi-Objective Approach. 19th International Congress of Mechanical Enginering, Brasilia, M. Gómez, T. Martínez, S. Sánchez. Optimal trajectory generation using the Simple Cell- Mapping method for wheeled mobile vehicles, In Proc. of SAAEI, pages 1-5. ISSN/ISBN Universidad de Alcalá (Spain), September M. Gómez, T. Martínez, S. Sánchez, D. Meziat. Optimal control applied to Wheeled Mobile Vehicles, in Proceedings of IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing, pp Alcalá de Henares, Madrid (Spain), October M. Gómez, T. Martínez-Marín, S. Sánchez and D. Meziat. Optimal control applied for Wheeled Mobile Vehicles based on Cell Mapping techniques, in Proceedings of IEEE Intelligent Vehicles Symposium. Eindhoven University of Technology, The Netherlands. Conference Proceedings Book, pp , M. Gómez, T. Martínez-Marín, S. Sánchez and D. Meziat. Integration of Cell-Mapping and Reinforcement Learning Techniques for Motion Planning of Car-Like Robots, in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement (Special Issue). Vol. 58, issue 9, pp , September M. Gómez, L. Gayarre, T. Martínez-Marín, S. Sánchez and D. Meziat. Motion Planning of a Non-Holonomic Vehicle in a Real Environment by Reinforcement Learning, in Proceedings of the International Work-Conference on Artificial Neural Networks (IWANN), Part I. Salamanca, Spain. Springer LNCS 5514, pp , June M. Gómez. Optimal Motion Planning and Reinforcement Learning in Autonomous Mobile Vehicles. PhD Thesis, University of Alcalá, Madrid, Spain

62 SACAT: Un sistema de ayuda a la conducción y asistencia en caso de accidentes Javier Fernández, Nourdine Aliane, Sergio Bemposta y Mario Mata Dpto: Sistemas Informáticos y Automática Universidad Europea de Madrid, Villaviciosa de Odón Madrid, Spain {javier.fernandez, nourdine.aliane, sergio.bemposta, mario.mata}@uem.es Resumen. El presente artículo presenta SACAT, una plataforma experimental, desarrollada con el objeto de llevar a cabo investigaciones relacionadas con técnicas de asistencia a la conducción y la seguridad vial. En primer lugar, el artículo describe la arquitectura hardware de la plataforma experimental. Seguidamente, se presentan el desarrollo de las funcionalidades de un sistema de ayuda a la conducción y una realización del sistema de emergencia denominado ecall. El sistema ha sido probado en diferentes condiciones y muestra resultados satisfactorios. Palabras Claves: Asistencia a la conducción, Seguridad vial, e-call, Vehículos inteligentes. 1 Introducción Muchos accidentes de tráfico se deben a la falta de respeto de las señales de tráfico como la limitación de velocidad o la señal de stop. Muchas de estas infracciones no son deliberadas y suelen tener lugar por la falta de concentración por parte de los conductores [1], la distracción [2] y la fatiga [3]. A pesar de este hecho, la mayoría de los conductores no es consciente de ello [4]. Por tanto, la utilización de los sistemas de asistencia a la conducción para advertir a los conductores de los peligros potenciales en carreteras es primordial para reducir el número de accidentes. Por otro lado, proporcionar ayuda y asistencia a los involucrados en los accidentes de tráfico es igual de importante que prevenirlos. En este aspecto, acortar los tiempos de respuesta de los servicios de emergencia y del desplazamiento de los recursos necesarios al lugar de los accidentes es igualmente vital. Este aspecto ha sido recogido por una iniciativa de la Comisión Europea conocida como el sistema de emergencia denominado e-call [5]. Este artículo describe una plataforma experimental, llamada SACAT, con una implementación de un sistema de ayuda a la conducción basado en visión por ordenador y una implementación del sistema de emergencia conocido por e-call que se activa automáticamente en caso de accidente. 61

63 2 Plataforma experimental La plataforma SACAT se basa en un coche convencional modelo Nissan Note (ver Fig.1). El hardware está localizado en el maletero del vehículo, y consiste en una placa Mini-ITX como maestro y un PC convencional como esclavo que se encarga del sistema de visión. El sistema de visión contiene tres cámaras: una cámara panorámica para la grabación de videos y otras dos cámaras digitales de tipo IEEE 1394 reservadas para la detección de señales de tráfico. Todas las cámaras están montadas en el techo del automóvil. La placa Mini-ITX integra varios elementos como un modem GPRS, un adaptador bluetooth, y varios conectores como el IEEE 1394, decodificadores MPEG2/MPEG4, o bus SATA. La Mini-ITX se utiliza para centralizar la información recibida no solo desde el PC, sino también por los diferentes elementos externos como un GPS, el bus CAN así como la señal de airbag. Toda la electrónica se alimenta con un inversor de continua/alterna transformando la los 12 voltios de la batería a 220V de corriente alterna con una potencia de 600W. La arquitectura hardware del sistema se resume en la Fig. 2. Por último, el sistema está dotado de una pantalla táctil localizada en el salpicadero del vehículo y permite realizar las diferentes tareas de administración (ver Fig. 3). Cam 1 Cam 2 Cam 3 Image Processing (PC-ATX) Touchpad Central Device (mini ITX) GSM/GPRS/UMTS Fig. 1: Plataforma experimental. Card Reader CAN Interface GPS Fig.2: Arquitectura hardware del sistema. Fig.3: Software integral de SACAT 62

64 Por otra parte, la placa Mini-ITX integra una base de datos en una tarjeta de tipo compact-flash para el almacenamiento de datos y dar así un soporte a la implementación de la funcionalidad de una caja negra. El uso de una base de datos ofrece un abanico amplio de posibilidades como el análisis del comportamiento de conducción de los conductores fuera de línea. La placa Mini-ITX dispone también de un sistema de lectura de tarjetas inteligentes (SMART CARD) y así posibilitar diferentes perfiles de usuarios. En efecto, SACAT distingue tres tipos de usuarios: el conductor como usuario final, un agente de una compañía de transporte (como en las flotas) que actúa como administrador del sistema, y un agente de tráfico (para futuros usos con la DGT). 3 Sistema de ayuda a la conducción La primera funcionalidad consiste en un sistema de ayuda a la conducción, el cual se basa en un sistema de visión por ordenador con el objetivo de asistir a los conductores avisándolos de los riesgos potenciales que puedan surgir en carretera. Este sistema se encarga de la detección y reconocimiento de la señalización vertical, y generar avisos visuales y sonoros sobre las señales presentes en carreteras con suficiente antelación para dar tiempo de reacción a los conductores a las situaciones potencialmente peligras. Estos avisos cubren diversas situaciones como el superar el límite de velocidad detectado, cuando el conductor efectúa un adelantamiento si hay una señal de prohibición del mismo, o avisarle al aproximarse a una señal de ceda el paso o de stop. 4 Sistema de emergencia e-call El sistema e-call consiste en un dispositivo que emite de forma automática una llamada de emergencia en caso de accidente con el objeto de alertar a los servicios de emergencia facilitándoles información relevante sobre la colisión. Los accidentes se detectan mediante la señal de disparo del Airbag, que a su vez activa el proceso de envío de un mensaje SMS a través del móvil al centro de servicios de emergencia llamado PSAPs (Public Safety Answering Point) correspondiente en España (112). Los mensajes enviados son estructurados y constan de los siguientes campos: When o hora de la transmisión; Where que localiza en latitud y longitud el accidente, y el Who relacionados con los datos del conductor y el tipo de carga del vehículo por si fuera peligrosa. El envío de mensaje se asegura mediante un sistema redundante implementado mediante otro modem GPRS encargándose de enviar por duplicado el mensaje. La realización implementada en SACAT es capaz de determinar la cobertura de telefonía móvil existente en la zona del incidente y, en función de ella, establecer una comunicación de voz y/o video en tiempo real con el centro de emergencia. 63

65 4 Discusión y conclusiones En su implementación actual, el sistema SACAT es capaz de procesar hasta 4 imágenes por segundo. Así, a una velocidad de 100 km/h, el sistema dispone de 2 oportunidades para detectar e identificar las señales de tráfico a las distancias de 50 y 30 metros aproximadamente, pudiendo tener más oportunidades a velocidades menores. El sistema ha sido probado en condiciones reales con un total de 2000-km circulando a velocidades normales por entornos urbanos e interurbanos tanto en autopistas como en carreteras secundarias, en condiciones atmosféricas variables y a diferentes horas del día. Obviamente la mayor dificultad para el sistema es la adaptación a las distintas condiciones de iluminación. Se ha dispuesto de un sistema de ajuste dinámico de los parámetros de captura para responder en la medida de lo posible a estos cambios. En cuanto a las políticas de alerta al conductor, los avisos repercuten directamente en la atención del mismo sobre la vía, dificultando que el conductor no perciba una señal en momentos de distracción. También refuerza la atención del conductor sobre su velocidad y sobre la llegada a puntos peligrosos como cruces e incorporaciones, que el conductor recibe con varios segundos de antelación. Un sistema de avisos fiable repercutirá sin duda en la mejora de la seguridad al volante. Por otra parte, el sistema e-call ha sido probado mediante la activación del sensor del Airbag y comprobando el envío subsiguiente de los mensajes correspondientes. Lejos de ser una aplicación comercial, SACAT constituye una plataforma experimental para la investigación de muchos otros aspectos relacionados con el desarrollo de los sistemas de ayuda a la conducción y la seguridad vial. Agradecimientos Este trabajo ha sido financiado por la Comunidad de Madrid bajo el proyecto (S2009/DPI-1509-SEGVAUTO). Referencias 1. Bergasa, L. M. et all,: Visual Monitoring of Driver Inattention, Springer Berlin / Heidelberg, Vol. 132, nº 1, pp (2008) 2. Horrey, W.J. And Lesch, M. F.: Driver-initiated distractions: Examining strategic adaptation for in-vehicle task initiation, Accident Analysis & Prevention, Vol 41, nº 1, pp (2009). 3. Manubhai, M., Trivedi, T. G., MCcall, J. C.: Looking-In & Looking-Out of a Vehicle: Computer-Vision-Based Enhanced Vehicle Safety, IEEE Intelligent Transportation Systems, Vol. 8, nº 1, pp , (2007). 4. Horrey, W.J., Lesch, M. F., and Garabet, A.: Assessing the awareness of performance decrements in distracted drivers, Accident Analysis & Prevention, Vol. 41, nº 1, pp , (2008). 5. E-merge: IST ,Final report (2004): (On-line) Available at: 64

66 Elcano: Infraestructura multimodal para navegación en interiores M. A. Martínez, F. J. Villanueva, F. Moya, C. González and J. C. López Grupo Arco, Escuela Superior de Informática, Ciudad Real Universidad de Castilla-La Mancha {miguela.martinez, felix.villanueva, francisco.moya, carlos.gonzalez, Abstract. La localización y guiado de personas en interiores ha centrado numerosos esfuerzos por parte de la comunidad investigadora en los últimos años. En este artículo se muestra una arquitectura que, bajo el paradigma de la orientación a objetos distribuidos, permite integrar cualquier tipo de tecnología capaz de proporcionar información sobre posicionamiento. El objetivo principal es poder combinar los datos relativos a posicionamiento provenientes de diversas fuentes (y con sus respectivos márgenes de error) convirtiéndolos en información más precisa y robusta. Nuestro campo de aplicación es proporcionar un sistema de navegación en edificios públicos a personas con algún tipo de discapacidad. Keywords: arquitectura de navegación en interiores, sistemas distribuidos, middleware. 1 Introducción En los últimos años se han utilizado numerosas tecnologías con el objetivo de localizar personas en interiores (p.ej. WiFi [1], Bluetooth [2], RFID [3], [4], etc.). Cada una de las tecnologías utilizadas tiene sus ventajas e inconvenientes (variaciones en factores como el alcance, el coste, etc), ofreciendo información con distintos niveles de precisión. En este trabajo abordamos la hipótesis de combinar la información proveniente de diversas tecnologías y ofrecemos una arquitectura que es capaz de tratar la heterogeneidad existente en tecnologías de localización. Esta arquitectura proporciona información de navegación a usuarios discapacitados con el objeto de asistirles en sus labores cotidianas en el interior de edificios. En este artículo se muestra la vista general del sistema haciendo especial hincapié en el sistema multimodal de localización. Como veremos más adelante, el sistema se divide en distintos servicios remotos donde cada uno aborda un propósito específico. Para ello, cada servicio ofrece al resto del sistema una interfaz definida en un lenguaje de implementación de interfaces. En nuestro caso y para la implementación del prototipo se ha utilizado el midleware Ice [5] de ZeroC. Dependiendo de la función de cada servicio se ha tenido en cuenta las necesidades de replicación y sincronización con el 65

67 objetivo de aumentar la tolerancia a fallos. Además, los servicios implementan un interfaz de descubrimiento de servicios para buscar y anunciar servicios [6]. Fig 1. Visión global de la plataforma Elcano 2 Gestión de entorno y usuarios La gestión de usuarios es llevada a cabo por dos servicios. Por un lado, el User Status Service, es el encargado de monitorizar tanto el estado del usuario (posición, lugares visitados, etc.) así como la tarea que debe desempeñar en el interior del edificio. Por otro lado, el User Manager Service debe tratar la información relativa tanto al perfil de usuario como al proceso de autenticación en el sistema. Estos servicios ofrecen la funcionalidad del sistema a los distintos usuarios, permitiendo la personalización de los datos teniendo en cuenta las características especiales del usuario. Dentro de cada edificio, se define el conjunto de tareas que un usuario puede llevar a cabo. Cada tarea tiene asociados uno o más puntos de interés (p.ej. una conferencia estará relacionada con la sala donde se impartirá). Una vez que se entra en el sistema, el usuario puede expresar su interés en cualquiera de las tareas que ofrezca el edificio. Esta funcionalidad la gestiona el Task Viewer que se encarga de ofrecer, de forma adaptada a la discapacidad del usuario, las tareas definidas en el entorno. Finalmente, el usuario debe ser capaz de comunicarse con el sistema, labor que se realiza a través de la aplicación Explorer que se ejecuta en su dispositivo móvil. Servicios como el Task Viewer y el Explorer son totalmente genéricos e interaccionan con la información que les proporciona el entorno en el que están inmersos. En el caso de las tareas, se ofrecen por medio del Task Manager Service y definen aspectos como el lugar donde se puede llevar a cabo la tarea, el tipo de público al que va dirigido, la descripción, etc. La información referente a la ubicación de puntos de especial interés, como balizas, escaleras, ascensores o puertas se gestiona mediante el Building Repository 66

68 Service, encontrándose disponible para su utilización por otros servicios del sistema. En concreto es de especial interés el tratamiento que se realiza por parte de los servicios que implementan la parte del estándar OpenLS [7]. Este estándar define interfaces para ofrecer servicios y estructuras orientados a la geolocalización. Para este trabajo se ha implementado el Route Service, que ofrece una interfaz para recuperar rutas entre puntos de interés, y el Directory Service, que ofrece interfaces para recuperar puntos de interés pudiendo realizar búsquedas del tipo Cual es el ascensor más cercano a un punto dado?. 3 Sistema de localización multimodal El sistema ofrece información contextual y personalizada a los usuarios, por lo que es imprescindible detectar dónde se encuentra cada usuario en cada momento. Para este propósito se ha implementado el estándar Mobile Location Protocol [8]. Este estándar define interfaces y estructuras que permiten la gestión de eventos de localización, desacoplando productores y consumidores de dichos eventos. Teniendo en cuenta esta distinción de roles, y asumiendo que cada proveedor de eventos tiene una ubicación y cubre un área bien conocida, se ha utilizado un protocolo de descubrimiento de servicios para conseguir la composición automática de proveedores de eventos por área. Cada proveedor de eventos implementa una interfaz que permite gestionar los consumidores que desean recibir eventos y otra que le posibilita el contestar a búsquedas. Por su parte, los consumidores implementan la interfaz que permite recibir eventos de localización. Teniendo esto en cuenta, el Location Service (LS) es un consumidor de eventos que busca proveedores de eventos que estén bajo una determinada área. Para poder recibir eventos, el LS realiza una búsqueda de proveedores que se encuentren en el área que representa; cada proveedor recibirá el evento de búsqueda y tras realizar la intersección entre el área que reciben y la que representan contestarán al LS (si la intersección no es vacía). El LS recibe las respuestas de aquellos proveedores de eventos que están en el área que representa y se subscribe como consumidor de eventos en cada uno de ellos, de este modo consigue recibir todos los eventos de esa área. Una vez canalizados todos los eventos de localización que hay en un determinado área podemos ofrecer un servicio con una mayor carga semántica, es decir, se podrá componer información de localización más rica y precisa. Ésta es la función principal que exporta el LS. Así, se exporta una interfaz con métodos que permiten, por ejemplo, recuperar la última posición conocida de un dispositivo, realizar un seguimiento de un dispositivo, recuperar los usuarios que hay en un área y vigilar los eventos de localización que se están dando en un área concreta. Si tenemos en cuenta que este sistema es capaz de tratar los proveedores de eventos heterogéneos como fuentes de eventos idénticas (gracias a la implementación de MLP realizada), debemos considerar que recibimos eventos de localización de diversas tecnologías, lo que implica trabajar con distintas precisiones y retardos de propagación. En concreto el LS recibe eventos de localización durante un tiempo y realiza la intersección de todos los eventos recibidos: si la intersección no es vacía propaga un evento de localización con el resultado de la intersección; si es vacía se 67

69 envía el evento que proporciona la tecnología con menor error de localización. El enfoque del LS, basado en áreas, permite la federación de varios LS de forma que podemos modelar cualquier entorno por grande y complejo que sea. En el prototipo desarrollado se han implementado varios proveedores de eventos de localización. La localización más precisa se ha obtenido mediante proveedores de eventos basados en RFID (concretamente se han utilizado lectores USB OMNIKEY 5321). El proveedor de eventos de localización basado en Bluetooth nos proporciona un rango de error amplio, en torno a 10 metros. En el campo de las tecnologías inalámbricas, también se están utilizando técnicas de localización basadas en , desplegando una rejilla de balizas y realizando radio-mapas que nos permiten calcular con más precisión la posición del usuario. En base a estos eventos básicos, se crean proveedores virtuales que, o bien estiman la posición a partir de la estructura del edificio, o bien ofrecen información de si el usuario se mueve (mediante los acelerómetros del móvil), etc. Cada proveedor de eventos tiene sus características específicas, sin bien, a la hora de propagar los eventos, todos actúan del mismo modo, por lo que el tratamiento de los eventos para el sistema es completamente homogéneo. 4 Conclusiones El presente trabajo estudia la convergencia de eventos de localización provenientes de distintas fuentes para obtener una sinergia en cuanto a la información y seguimiento de usuarios en interiores. El campo de aplicación es la asistencia en interiores (guiado) a usuarios con necesidades especiales. References 1. Cisco Systems. Wi-Fi Location-Based services 4.1 design guide. Technical report, Mayo A.E. Salloum Salazar. Positioning bluetooth and wi-fi systems. IEEE. Transactions on Consumer Electronics, vol. 50, num. 1, pp , T. Sanpechuda and L. Kovavisaruch. A review of rfid localization: Applications and techniques. Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, ECTI-CON th International Conference on, vol. 2, pp , Mayo P. Barsocchi, S. Lenzi, S. Chessa, and G. Giunta. Virtual calibration for rssi-based indoor localization with ieee Communications. IEEE International Conference on, pp. 1-5, Henning, M. Distributed Programming with Ice. ZeroC Inc, V. 3.4, (2010) 6. Villanueva, F.J., Villa, D., Santofimia, M.J., Moya, F., Lopez, J.C. A Framework For Advanced Home Service Design and Management. IEEE Trans. On Consumer Electronics, vol. 55, num. 3, pp , (2009) 7. Open Geospatial Consortium. OpenGIS Location Services (OpenLS): Core Services. OGC 0-06, V. 1.1, (2005) 8. Open Mobile Alliance. Mobile Location Protocol. Candidate Version 3.1, (2004) 68

70 Evaluación funcional del uso de la tecnología RFID en aplicaciones ferroviarias Raquel Martinez Barbero 1, Valentín González 1, José Hierro Ortega 2, Adrian Lucien Vlad 2, Idoia Guirado Zabala 2, Enrique Fernández Pinel 2, Jesús María González Fernández 3, 1 Administrador de Infraestructuras Ferroviarias [ADIF] 2 Instituto de Magnetismo Aplicado [IMA] 3 Unidad Asociada ICMM-CSIC / IMA-UCM {raquel.martinez, efpinel, jhierro, avlad}@adif.com jesus.m.gonzalez@icmm.csic.es Abstract. Se presenta un estudio funcional y de compatibilidad electromagnética sobre la viabilidad del uso de la tecnología de Identificación por Radio Frecuencia (RFID, en acrónimo inglés) para desarrollar aplicaciones en el entorno ferroviario. Desde el punto de vista del soporte físico de la RFID, el entorno ferroviario presenta dos características diferenciales: por una parte, incluye elementos móviles a altas velocidades y, por otra, involucra el consumo de elevadas potencias. Ambas características se han incorporado al diseño de las pruebas que se realizaron en vía y, en concreto, incluyeron la comparación de la funcionalidad básica de etiquetas pasivas, activas y semipasivas, el examen de configuraciones de distintos componentes comerciales y la identificación de ubicaciones viables para etiquetas y antenas lectoras. Keywords: RFID, identificación de material rodante, CEM. 1 Introducción En el modelo actual de explotación de la infraestructura ferroviaria abierta para los operadores interesados, está surgiendo la necesidad de identificar, con fiabilidad y rapidez, diferentes elementos. Por un lado, es necesario identificar las circulaciones y el material rodante involucrado en las mismas. Por otro, y en relación a la propia infraestructura, es también necesaria la identificación precisa y trazable de un gran número de elementos y componentes que son objeto de los trabajos de mantenimiento. Una propuesta que pretende dar respuesta a estos requisitos es la basada en el uso de la tecnología de identificación mediante etiquetas legibles mediante señales electromagnéticas ( tags RFID, acrónimo inglés de Radio Frequency Identification ). Las etiquetas son capaces de almacenar códigos, que una vez leidos son utilizables por sistemas de gestión de bases de datos y de control. La tecnología conoce desde hace años una implantación extensa en distintos sectores económicos. Cabe destacar su uso en aplicaciones que van desde la gestión de acreditaciones 69

71 personales hasta el pago del peaje en autopistas, pasando por la gestión de mercancías. La implantación del etiquetado RFID en el ferrocarril ha sido, hasta el presente, limitada y esto a pesar de su evidente potencial de utilización como elemento identificativo del parque de componentes (móviles y de infraestructura). Se pueden identificar dos razones principales para ese retraso en la implantación de la tecnología en el ferrocarril. Por una parte, el hecho de que el material móvil ferroviario debe poder ser identificado en sus condiciones normales de operación y, por tanto, a velocidades elevadas. Por otra, y ya que el soporte de físico de la identificación es la radiación electromagnética, ha de considerarse, como paso previo a la implantación de la tecnología, su compatibilidad con las ya presentes en el entorno ferroviario. Entre esas tecnologías preexistentes hay que destacar por la potencia de su emisión electromagnética las de electrificación y tracción, y por su criticidad el control y la señalización. 2 Trabajo experimental El conjunto de las pruebas realizadas en el proyecto se puede agrupar en dos categorías fundamentales: - Por una parte, ensayos dirigidos a la caracterización del ambiente electromagnético presente en el entorno ferroviario. Esto incluye tanto las emisiones asociadas a la infraestructura como las originadas en el material rodante. En este último caso, se han de incluir los distintos tipos de material y sus diferentes condiciones dinámicas. - Por otra, ensayos funcionales de aplicación de dispositivos RFID, que incluyen la evaluación de diferentes diseños de etiqueta, de distintos componentes comerciales y de varias configuraciones de instalación de los mismos. Se pretende de estas pruebas la identificación de ubicaciones viables y óptimas para el etiquetado y los lectores. La caracterización del ambiente electromagnético ferroviario se ha centrado en las posibles bandas de trabajo de la tecnología RFID. Dado lo reducido del tiempo disponible para la lectura de las etiquetas en numerosas condiciones dinámicas del material móvil, se consideró que la transmisión de la información se implementaría en condiciones de mayor fiabilidad si se recurría a portadoras en las bandas de UHF (concretamente se ha estudiado la banda que va desde los 860 MHz hasta los 960 MHz) y de ondas centimétricas (la banda estudiada va desde los 2.40 GHz hasta los 2.48 GHz). El objetivo del estudio es el de obtener información cuantitativa sobre el ambiente electromagnético ferroviario en ambas bandas. Para ello, se han medido los campos presentes en diferentes entornos de la infraestructura ferroviaria caracterizados por algún elemento que pudiese introducir un comportamiento electromagnético no conocido. Al igual que en la infraestructura, se ha realizado un completo estudio sobre las emisiones del material rodante que incluye tanto las diferentes tipologías explotadas en la red española en la fecha del estudio como diferentes condiciones dinámicas. Las pruebas de aplicación de los componentes RFID se han realizado en la vía de prueba situada en Brihuega, PK 69.5 de la Línea de Alta Velocidad Madrid- 70

72 Barcelona. En estas pruebas se contemplan tres escenarios. El primero de ellos, se corresponde con la lectura de etiquetas ubicadas en distintas posiciones en los coches y cabezas del tren de prueba, y tiene como principales objetivos, la observación de las prestaciones de componentes RFID comerciales y la identificación de las ubicaciones de las etiquetas en el material rodante que proporcionen la mayor eficiencia desde el punto de vista de su lectura. En el segundo escenario, se prueban lecturas desde el material móvil de etiquetas situadas en la infraestructura, con el propósito de estudiar las posibilidades de aplicación de esta tecnología para identificar elementos concretos de la vía con interés desde el punto de vista de las tareas de mantenimiento. El tercer escenario se corresponde con la realización de pruebas funcionales de carácter estático sobre distintas tipologías de material rodante de mercancías. Estas últimas pruebas se justifican por la complejidad de las estructuras metálicas presentes en este tipo de material. Fig. 1. Diferentes componentes RFID evaluados en pruebas con trenes de alta velocidad en vía de pruebas (etiquetas pasiva, activa y semipasiva) Fig. 2. Ubicaciones de etiquetas en los laterales de la caja del tren de pruebas (alta velocidad) 71

73 3 Conclusiones Las conclusiones del estudio se presentan en los siguientes párrafos. En cuanto a los ensayos de caracterización electromagnética, el rango de frecuencia que va de los 860 MHz a los 875 Mhz (disjunto de las sub-bandas usadas por GSM y GSM-R), es el recomendable para la operación de componentes RFID que trabajen en UHF. En la banda de las ondas centimétricas los niveles de campo son inferiores a los medidos en UHF y no se han observado características comunes en los espectros asociados a las distintas localizaciones estudiadas. De los ensayos realizados en la vía de pruebas se concluye que el conjunto de componentes que mejor estadística de lecturas ha proporcionado ha sido el correspondiente a etiquetas RFID pasivas y antenas lectoras situadas en infraestructura (en traviesa, y postes, vallas o pértigas), resultando preferible la ubicación de la etiqueta en bajos del tren y la de la antena en traviesa. En concreto, para el conjunto lector A-antena 1-tag1 se registró un 100% de lecturas correctas en condiciones dinámicas correspondientes a velocidades de hasta 344 km/h. Por último, y de los resultados de los ensayos realizados sobre material rodante de mercancías, se concluye que la estructura de ciertos vagones de mercancías limita las posibles ubicaciones de las etiquetas RFID. En particular, se han identificado problemas de lectura relacionados con factores como la interferencia del haz de lectura con sus reflexiones en distintos elementos de la estructura del vagón. Es por tanto preferible ubicar las etiquetas en posiciones en las que puedan enfrentarse a la antena lectora sin que en las proximidades del ángulo sólido con el que el lector la observa se puedan encontrar diedros o triedros u otras estructuras que den lugar a efectos de guía. Referencias 1. RFID Handbook: Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification, Second Edition, John Wiley & Sons

74 Multi-radio platform coexistence in the 5 GHz band for railway applications Jorge Higuera 1, Elli Kartsakli 1, Carlos Collado 1, José M. González-Arbesú 1, Luis Alonso 1, José L. Valenzuela 1, Andres Laya 1, Enrique Flores 2, Isabel Navarro 2, Raquel Martinez 3, Jesús González 4, José Hierro 4, Adrian Vlad 4, 1 Technical University of Catalonia (UPC), Department of Signal Theory and Communications (TSC) 2 SENER Ingeniería y Sistemas 3 Spanish Railway Infrastructure Administrator (ADIF) 4 Applied Magnetism Institute (IMA) Abstract. This paper studies the practical challenges that arise due to the coexistence of two wireless technologies, in 5 GHz band. The mutual interference caused by the two technologies operating in different but narrowly separated frequency channels has a negative impact on the performance of both systems. Further challenges are introduced when the two systems are in close physical proximity of each other or, in a more extreme scenario, share the same antenna as in railway applications. This paper investigates these issues through a series of experimental tests based on a multi-radio platform testbed. The conclusions drawn from this study will be used as a base for the implementation of a multi-radio platform to provide communications between train and land in both directions in the context of the Spanish high-speed railway system. Keywords: mutual interference, wireless multi-radio platform, multi-radio coexistence, high-speed railway applications. 1 Introduction In recent years, Spain has made a significant and sustained investment in the national railway system, focusing especially on high speed rail services. This continuous growth in railway infrastructure demands new innovative services to develop efficient wireless communication systems to provide control monitoring and enhance security. The challenge is even greater in scenarios involving a wireless link between land infrastructure and high-speed trains that can travel over 300 km/h. Hence, an interesting question arises on whether conventional wireless technologies for video applications can be employed, in spite of not being explicitly designed for high-speed railway networks. Some wireless standards that could potentially be adopted for video and data transmission in dynamic applications. However, establishing simultaneous multi-radio links in the same scenario is not a straightforward matter, due to mutual interference between the two technologies operating in the same frequency band. This paper will investigate the feasibility of the coexistence of WiMAX and Wi-Fi 73

75 technologies, both operating in the license-exempt band of 5 GHz. The main novelty of this work is that it examines coexistence from a practical point of view, based on a series of experimental tests carried out on a real multi-radio platform that encompasses the two wireless technologies in a railway environment. 2 Wi-Fi and WiMAX Coexistence WiFi and WiMAX standards are defined in more than one frequency band. The main features of the two technologies are summarized in Table 1. The IEEE specification includes a family of standards based on the Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) mechanism, according to which WiFi terminals must listen to the channel and wait until it is sensed idle before attempting transmission [1]. In this paper, the a amendment will be considered, which employs Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) in the 5 GHz band. The OFDM signal is comprised by a group of closely-spaced frequency subcarriers (48 data subcarriers and 4 pilots with a MHz separation, in the case of a). The input data flow is divided in low rate streams and each stream is mapped onto a sub-carrier using one of four possible modulations (BPSK, QPSK, 16-QAM and 64-QAM), yielding data transmission rates that range from 6 to 54 Mbps. Additionally, IEEE n defines MIMO support with one to four antennas that can achieve a throughput up to 600 Mbps. WiMAX is mainly intended for point-to-multipoint scenarios in which an Access Unit (AU) serves a number of subscriber units (SU). Even though the IEEE specification defines several physical layer implementations, the main channel access method of WiMAX is Time Division Multiplexing (TDM) / Time Division Multiple Access (TDMA). Both Time and Frequency Division Duplex schemes (TDD and FDD, respectively) are supported for the uplink and downlink channels, although the first method is more widely used to reduce the hardware implementation. This paper will study the coexistence between the two wireless technologies, Wi-Fi and WiMAX in the 5 GHz band. As indicated in [2, 3], coexistence scenarios can be generally classified in two categories: proximity and collocation. Proximity refers to the case in which a different wireless technology operates simultaneously on separate devices that, while being physically separated, are located close enough to interfere with each other. Collocation is related with simultaneous operation of multiple radios on the same hardware device. In this case, interference is not only due to the RF radiation but also can be a result of conducted interference due to physical contact in a conductive medium. In general, mutual interference between two technologies operating in closely spaced frequency channels is mainly due to three mechanisms: Spurious emissions of a transmitter in adjacent bands due to imperfect filtering, which cause an increase in Adjacent Channel Power (ACP). In the second mechanism, the Receiver is blocked under the presence of a strong interfering signal. As the result, the wanted signal is received attenuated or may not be well received. Finally, Third-order inter-modulation products of interfering transmissions that fall within the frequency channel of the wanted signal. 74

76 In this paper we will focus on the measurement of the ACP due to spurious transmissions. In practice, the effects of interference can be manifested as degradation in throughput or as a limitation of the coverage range. Apart from these physical layer impairments, the operation of upper layers may also be affected. For example, an increased interference level may be misinterpreted by the CSMA/CA mechanisms as channel activity, thus forcing the Wi-Fi device to defer transmission for a considerable amount of time. The experimental setup and the performance metrics employed to measure these effects of coexistence interference will be discussed in the following section. 3 Case Study Two experimental setups will be considered in order to study the Wi-Fi/WiMAX coexistence and determine how the simultaneous operation of the two technologies in close frequency bands affects their performance. The first scenario considers the performance of Wi-Fi and WiMAX operating independently. We perform interference measurements based on the total maximum and average channel power in the WiMAX 5.7 GHz band with the use of a signal analyzer that was connected in the WiMAX port through a system of diplexer filter. The second scenario considers the interference of two wireless devices within a multi-radio platform. The setup is shown in Fig. 1. On one side, a multi-radio platform is employed, which includes both a Wi- Fi and a WiMAX transceiver sharing a single multi-band antenna. Each device is connected to the antenna through a system of diplexer filters and a hybrid-combiner coupler. 75

77 Fig. 1. Setup Wi-Fi and WiMAX multi-radio platform for railway applications The evaluation of the Wi-Fi/WiMAX coexistence performance is based on several metrics: The average transmission power employed by each device on the corresponding frequency band. Spurious transmissions of one device on the frequency band of the other and the system throughput, defined as the total number of data bits successfully transmitted per time unit. The Wi-Fi and WiMAX coexistence has been evaluated through a set of experimental results. First, a parameter named Adjacent Channel Power (ACP) defined as: ACP (db)= P adjacent_channel (dbm) P operation_frequency (dbm) (1) where P operation_frequency is the measured transmitted power by the wireless device within the allocated frequency channel and P adjacent_channel is the measured unwanted transmitted power by the same device on adjacent frequency sub-bands. In addition, the WiMAX device is more likely to be affected by the interference than Wi-Fi, due to its lower sensitivity level. The value of ACP in the WiMAX channel (5.7 GHZ) was db in the case where there is no Wi-Fi interference. In tests can be clearly seen that performance is significantly affected when the two systems coexist in close frequency channels. Even with a frequency separation of approximately 500 MHz (when Wi-Fi operates at 5.18 GHz and WiMAX at 5.7 GHz) throughput for both technologies drops significantly, especially in the case of downlink where Wi-Fi and WiMAX share a single antenna for data transmission. On the other hand, there are cases where one technology (usually Wi-Fi) seizes the channel and blocks completely the transmission of WiMax. To better illustrate the latter case, we have measured the instantaneous throughput for UDP downlink data transmission for Wi-Fi and WiMAX. In this case, WiMAX performs better than Wi-Fi in general. However, the instantaneous throughput for both technologies suffers from many fluctuations. In addition, when throughput drops for one technology, it increases for the other. The simultaneous operation of Wi-Fi and WiMAX technologies with shared infrastructure using a multi-radio platform involves high interference levels that reduce the data rate performance despite the use 76

78 of a system of diplexers and a hybrid combiner. A possible solution to mitigate the ACP interference could be the definition of separated (as much as possible) sub-bands within the operation bandwidth and even the use of a high selectivity pass-band filter to reduce the interference effects between sub-band. A proper hybrid combiner design should be addressed to achieve this goal. As a conclusion, better isolation between the two technologies in the 5 GHz band, achieved by filtering and frequency separation must be provided to alleviate the effects of interference and enable the coexistence. References 1. IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Local and Metropolitan Area Networks-Specific Requirements - Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, IEEE Std (Revision of IEEE Std ), pp. C (2007). 2. Waltho, A.: Performance Analysis and Design Considerations for Multi-Radio Platforms. Intel Developer Forum, Taipei (2006). 3. Zhu, J., Waltho, A., Yang, X., Guo, X.: Multi-Radio Coexistence: Challenges and Opportunities. In: Proceedings of 16th International Conference on Computer Communications and Networks (ICCCN 2007), pp (2007). 77

79 78

80 WHISNU Plataforma abierta de bajo coste para Infraestructuras Inteligentes Saturnino Maldonado, Jesús Ranz Abad Cátedra para la mejora de la Autonomía Personal de Telefónica en la Universidad de Alcalá (CAPTA) Edificio Politécnico, S101, Campus Externo Alcalá de Henares Abstract. Las infraestructuras Inteligentes son hoy en día, por diversas razones, un recurso inaccesible para la mayor parte de la población. Sin embargo, serían una gran aportación para resolver muchas de las cuestiones que más nos preocupan en la actualidad. WHISNU es una plataforma abierta de bajo coste y gran flexibilidad que puede proporcionar aplicaciones de alto nivel, sistemas de supervisión y control, sistemas de gestión de infraestructuras y plataformas de sensorización a muy bajo coste basándose en el desarrollo colaborativo, el código abierto y la producción a media escala. Técnicamente hablando sus aplicaciones directas caen en primera instancia dentro del ámbito de actuación de la automatización, las infraestructuras inteligentes y la domótica. Sin embargo, como consecuencia directa de la anterior, puede generar un enorme beneficio en la mejora de la Autonomía Personal, el control energético o la sostenibilidad medioambiental. Keywords: Domotica, Sensores, Energía, Automatización, Sostenibilidad, Autonomía Personal, Infraestructuras Inteligentes 1 Introducción Los últimos años del siglo XX y la primera década del XXI han sido el escenario de la incorporación de todo tipo de tecnologías que han abierto un nuevo mundo de posibilidades. Además, la mayor parte de ellas se han incorporado en nuestra sociedad a una velocidad nunca vista hasta este momento, llegando a convertir en obsoletas soluciones que pocos años antes eran consideradas vanguardistas. Sin embargo, en este entorno en constante evolución, las construcciones de viviendas en general y los sistemas para la automatización de las mismas (Domótica) en particular parecen completamente estancados y su evolución, pese a considerarse prometedora, nunca ha llegado siquiera a iniciar una senda de despegue que las convirtiese en un bien o servicio de consumo ampliamente utilizado. Todo ello pese a las innumerables mejoras que pueden aportar a la calidad de vida y el medio ambiente. 79

81 Las razones por las que los sistemas de automatización de viviendas no se han generalizado resultan todavía más enigmáticas si consideramos que, en la última década, la industria de la construcción en España se convirtió en uno de los pilares de la economía nacional y los recursos financieros fluían con gran facilidad hacia todo lo relacionado con ella. El elevado coste de cualquier instalación podría explicar, en buena medida, esta retracción del mercado a su incorporación. Este coste está generado, entre otras razones, por la inexistencia de una estandarización de dispositivos así como de la consideración de los mismos como subproductos industriales en lugar de electrónica de consumo. Estando su desarrollo y fabricación en manos de los grandes proveedores de equipos para la industria y no en el de los productores de equipos de consumo no se ha producido en ningún momento la economía de escala suficiente para poder adquirirlos a un precio asumible en comparación con el beneficio esperado en su implantación. Por todo lo anterior, la no automatización (o domotización) de viviendas o pequeñas infraestructuras ha significado la renuncia de la inmensa mayoría de la población, al cuidado inteligente de sus ancianos y niños, a contribuir a la sostenibilidad, a un buen grado de confortabilidad, al control de inventarios o, entre otras muchas cosas, a la seguridad integral de sus hogares. Siendo todo lo anterior incomprensible en una sociedad que tiene como valores fundamentales muchos relacionados con lo anterior, resulta aun más increíble la pérdida de oportunidad en la creación de todo tipo de servicios que podrían estar siendo realizados sobre la base de sistemas inteligentes en los hogares y pequeñas empresas españolas. 2 Arquitectura General El proyecto conjunto consiste en el diseño y construcción de un conjunto de servicios, herramientas y dispositivos (en adelante llamados Plataforma) que faciliten una rápida generalización de infraestructuras inteligentes entre todos los estratos de la población. Sobre esta plataforma se podrá construir todo un ecosistema de servicios que, incrementando la calidad de vida a sus habitantes, contribuya a mejorar su huella ecológica. La plataforma estará compuesta por cuatro grandes capas: [A] Servicios: Aplicaciones de alto nivel gestionadas por empresas o instituciones que presten servicios de valor añadido a las infraestructuras gestionadas y sus usuarios o supervisen sus condiciones médicas si la finalidad de la instalación es la supervisión humana. [B] WhisnuNet: Aplicativos y sistemas de información que centralicen todas aquellas funciones que por su naturaleza no tiene sentido económico o técnico implantar en las viviendas inteligentes. [C] Whisnu: Sistema de gestión local que, instalado en las pequeñas y medianas infraestructuras, permita realizar la gestión de todos los dispositivos sensores y 80

82 actuadores y realice todas aquellas funciones de supervisión, control y alarma que tengan sentido realizarse a este nivel. Además, servirá de sistema de mediación (middleware) entre todas las tecnologías comerciales existentes en la actualidad facilitando su incorporación cuando se considere oportuno y proporcionará un conjunto de herramientas y librerías que faciliten el desarrollo y distribución de todo tipo de aplicaciones y la fácil integración de sistemas audiovisuales. [D] Sensac: Plataforma de sensores y actuadores inalámbricos integrados (DWEB) así como de micro sensores y actuadores de muy bajo coste (ULCRA) que permitan con muy poca inversión, conocimiento y esfuerzo realizar un despliegue autónomo de un sistema de control inteligente de una vivienda. Su concepción permite tanto la realización de placas electrónicas con aplicaciones cerradas como el desarrollo de software aplicado a infraestructuras específico que podrá ser instalado con suma facilidad en las placas DWEB. Estas plataformas podrán coexistir con cualquiera de los protocolos y soluciones existentes en el mercado mediante la integración de drivers de acceso en Whisnu. Mientras las dos capas superiores quedan en el ámbito de la gestión empresarial, los proyectos de CAPTA (WHISNU1, DWEB2 y ULCRA3) se concebirían como proyectos de Hardware y Software libre abiertos a toda la comunidad buscando su rápida aceptación y fijando precios de producción extremadamente bajos (4 para los sensores/actuadores ULCRA y 20 para las placas de múltiples sensores embebidos DWEB). El proyecto WHISNU es básicamente software que se instala sobre una plataforma LINUX que podría ser un PC industrial con un coste aprox. de 200. WHISNU centraliza la información la información y actuaciones y además permite la comunicación con el mundo exterior. 1 WHISNU: Diosa Balinesa de Protección del Hogar 2 DWEB: Domo Wireless Embedded Board 3 ULCRA: Ultra Low Cost Remote Appliance 81

83 3 Conclusiones Ninguna de las propuesta anteriores, estudiada aisladamente, representan una innovación tecnológica de primer orden ni representa un avance significativo sobre otros dispositivos equivalentes que pueden encontrarse hoy en el mercado. El verdadero valor de la propuesta reside en el carácter abierto y global de la misma lo que posibilitará la rápida incorporación de todo tipo de agentes interesados en su desarrollo y, al igual que ocurrió en otros casos de éxito como el sistema operativo Linux, fomentará su rápida extensión. Este proyecto pone a disposición de instituciones y particulares elementos de muy bajo coste sobre los que construir grandes servicios para sus necesidades, que desde CAPTA estamos focalizando en la ayuda para la mejora de la autonomía personal. Con el proyecto se pretende, utilizando técnicas de marketing viral, una rápida y abierta generalización de este tipo de dispositivos para construir la masa crítica necesaria que permita la introducción de servicios de valor añadido. En el ámbito de su aplicación podemos encontrar utilidad como: [*] Instrumento para la mejora la calidad de vida y autonomía de personas en situación de dependencia o baja autonomía personal (Diversidad Funcional, Personas Mayores o menores de edad) [*] Plataforma completa e integrada para instalaciones domóticas de cualquier tipo y para automatización de otras infraestructuras de mayor complejidad. [*] Plataforma de infraestructuras inteligentes es directamente utilizable en la mejora de la eficacia y sostenibilidad medioambiental y energética y, en consecuencia, a la generación de Ciudades Sostenibles. [*] Plataforma de sensores de bajo coste es aplicable a cualquier proyecto de sensorización y control. [*] Plataforma de divulgación y formación en infraestructuras inteligentes. [*] Plataforma de gestión a pequeña escala de energías renovables en el entorno de la pequeña y mediana infraestructura. 4 Referencias 1. Mobile Pervasives Computer Research, Dr. Sumi Helal Berkeley Wireless Embbebed Systems CENS.Center for Embbebed Networking Systems Sohraby, K., Minoli, D., Znati, T. "Wireless sensor networks: technology, protocols, and applications, John Wiley and Sons", 2007 ISBN Tiwari, Ankit et. al, Energy-efficient wireless sensor network design and implementation for condition-based maintenance, ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN) 6. Römer, Kay; Friedemann Mattern (December 2004), "The Design Space of Wireless Sensor Networks", IEEE Wireless Communications 11 (6): 54 61, doi: /mwc

84 Smart Cities. Eu & PEOPLE. Miguel Ruiz, Ricardo Buendía, Rafael Salamanca, José Ángel Álvarez Anova IT Consulting, Avda. Punto Mobi, 4. Parque Científico Tecnológico de la Universidad de Alcalá., Alcalá de Henares. Madrid. España Miguel Ruiz, Ricardo Buendía, Rafael Salamanca, José Ángel Álvarez Resumen: El presente artículo muestra una situación actual de la evolución de las iniciativas europeas dentro del concepto de ciudades inteligentes así como una visión de los retos y desafíos a los que las mismas se enfrentan y la contribución realizada por Anova IT Consulting dentro de los proyectos europeos. Keywords: Smart Cities, Living Labs, Test beds, Urban development, Future Internet, ICTs. 1 Situación actual y desafíos a futuro. Crecimiento sostenible, mejora de la calidad de vida, inversión en capital humano y social, infraestructuras, tecnología, transporte y comunicaciones, son conceptos asociados a las ciudades inteligentes. Sin embargo, el eje central de las mismas somos nosotros, la razón de ser de toda ciudad inteligente es ser una ciudad para sus ciudadanos. La ciudad se configura como centro del ecosistema social. Ello implica, nuevos desafíos y amenazas que comprometen la sostenibilidad de las mismas. La necesidad de hacer frente a unas capacidades y recursos escasos, hacen necesario el desarrollo de tecnologías, que permitan instrumentar, interconectar y optimizar tanto el uso de las infraestructuras existentes, como el desarrollo de nuevos servicios. A fin de aprovechar dichas oportunidades y construir una prosperidad sostenible es necesario que las ciudades se conviertan en "inteligentes". Dicho concepto representa un cambio revolucionario que implica el necesario conocimiento de los sistemas en los que están basadas y la interrelación que se produce entre los mismos. Las ciudades están basadas en diferentes sistemas, infraestructuras, redes y entornos siendo necesario conocerlos desde una perspectiva integral. Servicios, transporte, comunicaciones, agua, energía, determinan la eficacia y eficiencia de su 83

85 funcionamiento. El rendimiento de dichos sistemas básicos es fundamental para el progreso social y económico de las mismas. Los ciudadanos y las empresas dependen de dichos elementos tanto para la realización de sus actividades cotidianas como para su propio bienestar. Por ello las mejoras o interrupciones de los servicios en el transporte, las comunicaciones o los sistemas de suministro, tienen un impacto drástico en dichas actividades. Incorporar Inteligencia a dichos elementos permite la generación de nuevos servicios y aplicaciones que aporten valor añadido a la labor esencial para la que los mismos fueron diseñados. Mejorando la calidad de vida de los ciudadanos y facilitando sus actividades diarias. Es a través de los avances tecnológicos como las ciudades pueden comprender, mejorar y controlar su funcionamiento y desarrollo. Aspectos que anteriormente era imposible medir están siendo digitalizados de manera creciente creando nueva información acerca de la eficiencia de los servicios que en las mismas se prestan. A su vez, los nuevos modelos de interconexión entre los diferentes sistemas permiten que la información fluya a través de los mismos generando vínculos entre los datos, y las personas, en formas que anteriormente no eran posibles. La evolución de los sistemas de información está permitiendo la creación de servicios en base a los datos recibidos, generando una inteligencia colectiva de la que se derivará una mejor coordinación y comunicación en la ciudad. Nuevos algoritmos y modelos de análisis permitirán generar análisis predictivos, combinados con el incremento de la capacidad de cálculo y almacenamiento, convertirán dichas fuentes de conocimiento en inteligencia. Como resultado, permitirán iluminar las interacciones entre los diferentes sistemas, dando a los líderes una mejor comprensión de lo que sucede en sus ciudades que se derivarán en acciones eficaces y estrategias que permitirán optimizar y desarrollar nuevos modelos de crecimiento. Mediante la digitalización e instrumentación de los sistemas de la ciudad la información obtenida será utilizada para tomar decisiones informadas e inteligentes que generen un desarrollo y crecimiento sostenible de las ciudades. 2 Smart Cities y Europa. La Unión Europea ha puesto en marcha una ambiciosa agenda digital dirigida a la consecución de un futuro mercado único digital para Europa soportado en conceptos como la apertura y la inter-operatividad, la confiabilidad y la seguridad online, acceso 84

86 universal e inclusión digital, servicios públicos digitales y la innovación e investigación en tecnologías de internet y de las comunicaciones. En este contexto, las ciudades inteligentes ofrecen una excelente infraestructura para la investigación e innovación basadas en internet debido a la disponibilidad de banda ancha, la existencia de grupos de investigación locales y la disponibilidad de infraestructuras ya en funcionamiento. La Unión Europea soporta, a través de sus programas de innovación e investigación [Séptimo Programa Marco, CIP (Competitiveness and Innovation Framework Programme) y el ICT PSP (ICT Policy Support Programme)], un amplio rango de iniciativas centradas en el desarrollo de las ciudades inteligentes. Dentro de la iniciativa CIP se está desarrollando un programa de 7 proyectos enfocados al desarrollo de servicios centrados en el ciudadano y basados en tecnologías de internet innovadoras. Estos proyectos tienen diferentes enfoques: SMART IP y PEOPLE (Servicios para los ciudadanos), EPIC (infraestructura para el desarrollo y despliegue de servicios), PERIPHERIA y LIFE 2.0 (interacción social), OPEN CITIES (innovación abierta centrada en el usuario en el sector público), SMART ISLAND (sinergias geográficas). Todos los proyectos comparten objetivos comunes tales como la aplicación de metodologías de innovación centradas en el usuario, el uso de tecnologías de internet innovadoras, acelerar el desarrollo y despliegue de servicios no solo a nivel local sino a nivel Europeo. Estas iniciativas permitirán la implantación de tecnologías innovadoras, como redes de sensores e Inteligencia Artificial para la obtención de servicios avanzados en las ciudades entre los que se pueden destacar: Energía: Smart Grids, sistemas de medición inteligente, energías renovables, vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento, respuesta adaptativa a la demanda y equilibrio de la red. Transporte: Movilidad sostenible, sistemas avanzados de transporte público, gestión inteligente del tráfico y fomento de transportes alternativos. Comunicaciones: Banda ancha, banda ancha móvil, LTE, Wi-fi. Negocios: Nuevos procesos inteligentes, integración de las tecnologías de la comunicación e información, desarrollo de sectores tecnológicos. Servicios: e- goverment, salud, educación, seguridad pública. 3. PEOPLE Dentro del programa Europeo CIP de proyectos Innovadores, Anova IT Consulting lidera el proyecto PEOPLE. 85

87 PEOPLE tiene por objetivo acelerar el desarrollo de las ciudades inteligentes a través de una rápida implantación, despliegue y explotación de servicios innovadores, basados en Internet para afrontar los desafíos presentes y futuros que emergen en las ciudades desarrolladas, creando infraestructuras, recursos, metodologías de innovación abiertas y procesos que faciliten el desarrollo de servicios ICT adaptados a las características locales.en la ejecución de este proyecto intervienen entidades públicas y privadas de España, Francia, Grecia y Alemania involucrando también en la parte experimental a los Ayuntamientos de Bilbao, Vitry Sur Seyne (Paris), el campus universitario de Bremen y la Municipalidad griega de Thermi. En estos pilotos desarrollan diferentes escenarios que incluyen servicios relacionados con la movilidad (tráfico y transporte público), medioambiente, seguridad, safety, servicios turísticos, comerciales, administración electrónica y servicios de inclusión social y, en general, servicios orientados a mejorar la calidad de vida de los ciudadanos. Estos servicios se desarrollarán y validarán, utilizando técnicas de innovación abierta centrada en el usuario. Los pilotos están interconectados con el objeto de explotar sinergias y ofrecer la posibilidad de despliegue de servicios de unos pilotos en otros dentro del proyecto La identificación y explotación de sinergias está también contemplada a nivel de programa con los otros 6 proyectos anteriormente mencionados. Ello permitirá la creación de un ecosistema experimental, en red, sobre el que se despliegan, validan y explotan servicios basados en tecnologías de internet a la vez que se crea un marco metodológico que define el uso de ese ecosistema para la validación y puesta en marcha de servicios adaptados a las características locales del entorno. 4. ADDPRIV Dentro del FP7, Anova IT Consulting lidera el proyecto ADDPRIV. El proyecto pretende fomentar los servicios basados sistemas inteligentes de videovigilancia, mediante la aplicación de técnicas de Inteligencia Artificial y tratamiento de imágenes. Conscientes del gran potencial que aporta este campo a los servicios a los ciudadanos y a su vez las reticencias y rechazos que producen en la ciudadanía nace el proyecto ADDPRIV, promovido y liderado por Anova IT Consulting, busca hacer que la videovigilancia y la Privacidad sean compatibles. 86

88 El proyecto ADDPRIV está cofinanciado por la unión europea a través del VII Programa Marco FP7-SEC , Objetivo SEC y además de Anova IT Consulting participan universidades como la Kingston University (UK), Politechnika Gdanska (Poland), Lancaster University (UK), Trinity College (IE) o empresas como HP (IT), Avanzit Tecnología (ES), Renfe Operadora (ES), SEA Aeroporti di Milano (IT) pretende mejorar la seguridad ciudadana velando por los derechos de privacidad de las personas, enriqueciendo los sistemas actuales de videovigilancia con algoritmos de detección inteligente que permitan categorizar las imágenes en cuanto a la seguridad y la privacidad de las mismas. Igualmente los criterios de categorización no se basan sólo en la información recibida por cada una de los puntos de video sino que incorpora para su decisión la información recibida por el resto de cámaras de su área de influencia. Ello permite determinar de manera automática, precisa y fiable qué información es relevante desde la perspectiva de la seguridad y cuál no lo es para de esta forma realizar un almacenamiento Inteligente y proceder a un borrado seguro de aquella información que deba ser eliminada, permitiendo reducir de este modo la cantidad de almacenamiento requerido y proteger el derecho a la privacidad de los ciudadanos dando acceso sólo a los agentes que dispongan de las autorizaciones requeridas para su visualización. 87

89 88

90 CoSGrid: Una plataforma de servicios orientada a objetos para Smart Grid D. Villa, C. Martín, F.J. Villanueva, Francisco Moya y Juan Carlos López Grupo Arco, Escuela Superior de Informática, Universidad de Castilla-La Mancha, Paseo de la Universidad 4, 13071, Ciudad Real {david.villa,cleto.martin,felixj.villanueva, francisco.moya,juancarlos.lopez}@uclm.es Resumen El presente trabajo presenta una plataforma para el desarrollo de servicios en las redes inteligentes de distribución de energía eléctrica (conocidas como smart grid). Es una propuesta basada en computación distribuida heterogénea, gracias a un middleware de comunicaciones orientado a objeto. Se propone un modelo de información para el modelado de servicios básicos y un dispositivo que puede ser acoplado incluso a cargas individuales otorgándoles interoperabilidad completa dentro del sistema. 1. Introducción El interés creciente por la gestión avanzada de infraestructuras de transporte de energía, gas, agua, etc. está impulsando el desarrollo de tecnologías de soporte en diversas áreas relacionadas con las comunicaciones y los sistemas de información. La smart grid persigue una gestión continua y eficiente de la energía y/o recursos que ofrece la empresa suministradora y de su red de distribución. De ese modo se simplifican en gran medida las tareas de logística, facturación y mantenimiento, y también se mejora el desempeño de la propia red de distribución. Este trabajo ofrece una solución integradora para los diversos problemas de comunicaciones (en todas sus facetas) que aparecen en la smart grid, haciendo especial hincapié en la heterogeneidad y en la necesidad de escalabilidad inherentes a este tipo de infraestructuras. El sistema de comunicaciones se basa en el uso de un middleware orientado a objetos. Bajo este enfoque, todos los componentes del sistema sin excepción, y sus capacidades, se ofrecen mediante el paradigma de la orientación a objetos, un aspecto clave en la construcción de grandes sistemas de información en las dos últimas décadas. Uno de los componentes clave de la propuesta es un dispositivo electrónico: el Embedded Metering Device, diseñado para ser acoplado al sistema que se desea gestionar. Aunque la plataforma es aplicable a cualquier tipo de red de distribución, nuestros prototipos actuales están orientados a la gestión de equipos eléctricos. Asumiendo que ese el contexto, el sistema gestionado puede ser una vivienda u oficina, pero también un electrodoméstico individual, un punto de luz o una simple toma de corriente mural. El EMD proporciona un medio sencillo y de bajo coste (en el caso de cargas simples) para 89

91 2 D. Villa, C. Martín, F.J. Villanueva, Francisco Moya y Juan Carlos López I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes ofrecer su funcionalidad al sistema. De ese modo, cualquier electrodoméstico, iluminación, máquina eléctrica o cualquier otro aparato presente en el entorno doméstico o industrial puede inmediatamente formar parte de la smart grid. CoSGrid (Controlling the Smart Grid) ofrece las capacidades habituales en un AMI (Advanced Metering Infrastructure) que normalmente están relacionadas con la medición de consumo, tensión y otras magnitudes importantes en la red eléctrica [2]. Sin embargo, CoSGrid proporciona además servicios de control para los dispositivos gestionados (principalmente activación/desactivación de cargas) incluso en el caso de las más simples. Entre los trabajos previos relacionados se pueden destacar FREEDM System [3] especialmente orientado a micro-grids o ZAMI [4] basado en la tecnología Zigbee. 2. Una plataforma para gestión de energía El objetivo principal es construir una plataforma que facilite la creación de servicios avanzados para gestión de energía en la smart grid por terceras partes. Para lograrlo es necesario proporcionar una serie de interfaces y servicios básicos que otros puedan utilizar y componer para crear servicios especializados o de más alto nivel con el mínimo esfuerzo. Tomando como punto de partida el paradigma de la computación distribuida orientada a objetos, se ha definido un modelo de información común que será empleado por todos los componentes del grid. Con ello se consigue homgeneidad de acceso, a la vez que el middleware, al imponer un protocolo de aplicación común, ofrece uniformidad en el formato de los mensajes y eventos. Aunque lograr este tipo de homogeneidad es relativamente sencillo en sistemas de cómputo tradicionales, en este caso estamos hablando de un entorno en el que, además de los computadores de la compañía, los dispositivos gestionados participan en el sistema de igual a igual, hasta el punto de que no será posible para unos componentes averiguar si el servicio que está consultado es un computador convencional o electrónica integrada en un electrodoméstico. Conseguir que los fabricantes integren esta tecnología en sus aparatos es algo realmente complicado. Por ese motivo, hemos desarrollado el EMD, que puede conectarse a una línea de baja tensión (en el propio cuadro de registro) o incluso se puede conectar a un simple enchufe mural en su versión más sencilla. Conseguir que todos los componentes compartan un modelo de información basado en interfaces no solo facilita la interacción entre las partes y simplifica el desarrollo de aplicaciones. Además hace posible establecer relaciones lógicas entre los componentes para crear servicios reactivos no triviales de un modo sorprendentemente sencillo. Resumiendo, los componentes más importantes de la plataforma propuesta son: El middleware de comunicaciones, el modelo de información, el EMD y un conjunto de servicios básicos de la plataforma Middleware de comunicaciones CoSGrid está basado en un middleware de comunicación orientado a objetos de propósito general. CORBA,.Net Remoting o Java RMI son algunos de los más cono- 90

92 CoSGrid: Una plataforma de servicios orientada a objetos para Smart Grid 3 I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes cidos comercialmente. Estos middlewares proporcionan una colección de herramientas que simplifican sensiblemente el desarrollo de aplicaciones distribuidas, a la vez que ofrecen un protocolo de aplicación genérico para la invocación de métodos de objetos remotos. Con ello se garantiza homogeneidad en el transporte de datos independientemente del lenguaje de programación o plataforma de cómputo Modelo de información El modelo de información propuesto se basa en un conjunto de interfaces. Concretamente se trata de interfaces escritas en el lenguaje de especificación de interfaces de ZeroC Ice, el middleware que actualmente utilizamos en nuestros prototipos. Se proporcionan interfaces para varios propósitos independientes, pero que pueden confluir en el mismo dispositivo: Medida Se proporcionan interfaces para medida de energía, tensión, corriente y potencia. También es posible averiguar si un dispositivo está conectado (circulación de corriente) en un momento dado. Control Se proporcionan interfaces que permiten conectar/desconectar una carga o línea y averiguar en qué estado se encuentra. Agrupación Permite definir grupos de objetos (que representan dispositivos) de modo que se puedan organizar por criterios arbitrarios. Composición La composición permite crear dispositivos virtuales que representan el valor de un grupo de objetos mediante una función de agregación, por ejemplo, el valor de corriente máximo ocurrido en una instalación, o el consumo medio a lo largo de un día EMD El EMD (Embedded Metering Device) gestiona el smart meter asociado al dispositivo gestionado. Encapsula el acceso a los sensores (que miden las magnitudes eléctricas) y los actuadores (normalmente interruptores electrónicos o relés) y ofrece su funcionalidad al sistema como si se tratara de objetos distribuidos convencionales. Cada EMD puede encargarse de gestionar uno o varios aparatos aunque, en cualquier caso, aparecerán como objetos individuales, con una identidad única. El EMD es un dispositivo autónomo que puede interactuar directamente con los servicios o la aplicación cliente. Esto es posible gracias al picoobjeto [1], la estrategia de implementación de objetos distribuidos para dispositivos empotrados más pequeña que existe y que hace posible su implantación en algunos de los microcontroladores más pequeños y baratos disponibles hoy día en el mercado. Se proponen 3 tipos diferences de dispositivos EMD, dependiendo de sus capacidades y contexto de aplicación: Gama baja Están diseñados para gestionar un único punto de luz o aparato eléctrico individual. Implementa las interfaces de control y medida, aunque normalmente será suficiente con equipos de medida muy básicos. Los requisitos computacionales son muy bajos, un microcontrolador de 8 bytes con 4 kilo-palabras de memoria es suficiente como hemos podido constatar en nuestros prototipos actuales. 91

93 4 D. Villa, C. Martín, F.J. Villanueva, Francisco Moya y Juan Carlos López I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes Gama media El objetivo del EMD de gama media es gestionar una vivienda, departamento o unidad que pueda necesitar gestión independiente. Puede estar colocado en el cuadro eléctrico. Los requerimientos de cómputo son mayores puesto que necesitará hacer medidas precisas (de consumo al menos) y almacenar históricos. También puede implementar las interfaces de composición para agregar los aparatos asociados a la línea o líneas que gestiona. Gama alta Destinado a gestionar todo un edificio o instalación, normalmente sólo realizará medidas, ya sea directamente, por agregación o ambas. No se prevé que se requiera control a este nivel Servicios básicos Como se ha indicado, la escalabilidad es uno de los problemas más graves de las smart grid, debido al gran tamaño y volumen de mensajes que puede implicar cualquier despliegue de consideración. Gracias al servicio de eventos habitual en muchos middlewares es posible plantear un modelo de comunicación con inyección (push). Es decir, los dispositivos pueden programarse para emitir mensajes con las nuevas medidas o eventos (alarmas o valores sospechosos) sin necesidad de que sean encuestados desde las aplicaciones del proveedor. Esto constituye un gran ahorro en el ancho de banda requerido. Este modelo de objetos activos también posibilita la interacción directa entre dispositivos permitiendo, por ejemplo, que un sensor que detecta un sobreconsumo pueda desactivar algunos aparatos para prevenir la sobrecarga de la línea, y todo ello sin la intervención de un equipo remoto. 3. Conclusiones La smart grid presenta características muy similares a las aplicaciones distribuidas, siendo la heterogeneidad y la escalabilidad algunas de las cuestiones más relevantes. La aplicación de middlewares de comunicaciones distribuidos orientados a objetos puede ayudar en gran medida a resolver muchos de estos problemas. Referencias 1. F. Moya., D. Villa, F.J. Villanueva, F. Rincón, J. Barba, J.C. López Embedding Standard Distributed Object-Oriented Middlewares in Wireless Sensor Networks, Journal on Wireless Communications and Mobile Computing (WCMC), Mar Han, Kook H.; Choi, Seung W.; Park, Byung C.; Lee, Jung J. An implementation of a wireless sensor network-based meter reading system 7th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Meng, Fanjun; Akella, Ravi; Crow, Mariesa L.; McMillin, Bruce Distributed Grid Intelligence for future microgrid with renewable sources and storage, North American Power Symposium, Tung, Hoi Y.; Tsang, Kim F.; Lam, Ka L. ZigBee sensor network for Advanced Metering Infrastructure, International Conference on Consumer Electronics,

94 Un nuevo concepto de ciudad: Eficiencia Antonio Ruiz de Elvira 1, Rosa Cervera 1, Isabel Ordieres 1, Alberto Alarcón 1 1 Grupo de Investigación Eco-Futuring, Universidad de Alcalá Áreas de Interés: Eficiencia Energética, Ciudades Sostenibles, Movilidad, Energías Renovables Resumen. El grupo Eco-Futuring de la UAH presenta una serie de ideas de trabajo totalmente factibles, en los campos de Eficiencia Energética, Movilidad, Ciudades Sostenibles y Energías Renovables. Estas ideas, que forman parte de su programa de investigación, pueden ser desarrolladas y puestas en funcionamiento en un plazo de no más de tres años a partir del comienzo de su estudio. Palabras Clave: Eficiencia Energética, Movilidad, Ciudades Sostenibles, Energías Renovavbles 1 Introducción El Grupo de Investigación Eco-Futuring desarrolla ideas y proyectos alrededor de un concepto básico: El gasto energético se realiza en un 70 % en las ciudades y entre las ciudades, sobre todo en los países desarrollados. La razón es que ciudades y redes de ciudades ni siquiera se diseñaron, sino que surgieron y se desarrollaron por razones totalmente ajenas a las consideraciones energéticas y de tiempo. Hoy estamos viviendo la consecuencia de unas hipótesis absolutamente distintas de la realidad actual. La ciudad se creó como almacén de energía (en forma de granos), amurallada para la protección de éstos y de las personas que los producían. Posteriormente la ciudad se utilizó para permitir el desarrollo de actividades artesanales, que derivaron en industriales, y como lugar de reunión de grupos de personas (Senados, Asambleas, Cofradías,...) Una idea básica de la ciudad es su interconectividad. Y una idea que sobra hoy día es la de almacén amurallado. La necesidad básica del ser humano es la del contacto con otros, e incluso la del contacto físico directo, que no tiene que ser exclusivamente táctil, sino que integra todo el conjunto de señales auditivas, visuales y olfativas. Este contacto es, de momento, imposible implementarlo mediante telecomunicación. Mientras siga siendo imposible es preciso reunir a las personas en espacios reducidos. 93

95 La ciudad debe, pues, servir para conectar personas, moverlas a lugares de reunión (centros de enseñanza, centros de trabajo reducidos, centros de distribución de mercancías o tiendas, y centros de ocio), mantener un esquema de suministro de mercancías, y permitir un reciclaje rápido, fácil y barato de productos de deshecho. Al mismo tiempo la ciudad debe permitir el disfrute de la propiedad privada y el contacto con la naturaleza, aunque sea ésta domesticada: Es preciso hacer a las personas oír a los pájaros y ver crecer rosas y hierba. Todo esto debe realizarse con un mínimo de disipación energética, de empleo de tiempo y de gasto de riqueza. Es ese un problema de minimización condicional bastante complicado pero factible, y es sobre ésto sobre lo que trabaja el Grupo Eco-Futuring. 2 IDEAS a.- Diseño de un índice de eficiencia (energía, tiempo, gasto). b.- Trabajo en ciudades pre-existentes. b1.- Estudio de interconectividad y permeabilidad. b2.- Diseño de esquemas de interconectividad. b3.- Indice de eficiencia para esos esquemas. b4.- Utilización de la telemática para incremento de interconectividad. b5.- Diseño de redes. b5.1.- Análisis geométrico topológico de los nodos de la red. b5.2.- Detección de puntos de acumulación (embudos). b5.3.- Diseño para la eliminación de puntos de acumulación mediante aumento de conexiones de red. c.- Estudio de redes metropolitanas c1.- Distribución de funciones ciudadanas en los nodos de la red. c2.- Interconectividad virtual mediante telemática. c3.- Esquemas de interconectividad física rápida: c3.1.- Transporte común no masivo pero muy ramificado. c3.2.- Intercambios modales rápidos. Ej: De bicicleta a tranvía a tren en menos de 1 minuto cada cambio. c3.3.- Conectividad NO radial, sino a través de las cuerdas de circumferencias (u otras figuras geométricas de la ciudad). c3.4.- Interconectividad al segundo vía información telemática móvil y personal. Una central debe proporcionar la ruta para la máxima eficiencia. 94

96 d.- Transporte de mercancías d1.- Transporte automatizado mediante contenedores sobre trenes eléctricos de superficie. d2.- Reparto automatizado en centros logísticos controlados de manera telemática. d3.- Mini-reparto mediante tuberías subterráneas de muy bajo coste de construcción. e.- Sostenibilidad y medio ambiente e1.- Depuración de aguas mediante cauces abiertos oxigenados inter-metropolitanos. e2.- Construccion (Rehabilitación) de edificios mediante materiales reciclables. e3.- Integración de naturaleza domesticada dentro de los nodos de la red metropolitana y entre los mismos. f.- Incorporación integral e integrada en edificios (elementos arquitectónicos) de energías solares de todos los tipos: Fotovoltaica, térmica (Stirling), microeólica, biológica. f1.- Incorporación de energías renovables a escala de barrio a modo de factorías energéticas en el interior de la ciudad. f1.1.- Granjas solares en el interior de la ciudad. f1.2.- Sistemas combinados de energías limpias para generar energía de barrio: soluciones arquitectónicas y urbanas. f2.- Esquemas de almacenamiento de energías solares: Geotermia para la solar térmica. f3.- Esquemas de almacenamiento de energías solares: Baterías y vehículos para la fotovoltaica y la mini-eólica. 3 Metodología y Experiencia Las ideas se desarrollarán mediante mediante toma y recopilación de datos, modelos de ordenador y modelos fsicos a escala, siempre que exista financiación para ello, y en estrecho contacto con empresas interesadas. El Grupo de Investigación esta gestionando en la actualidad una Acción Complementaria para el establecimiento de una Red Internacional de Investigadores con el nombre Red de Estructuras de Movilidad para Ciudades Eficientes (REMCE) financiada por el MICINN, a la que pertenecesn investigadores españoles, ingleses, alemanes, rumanos americanos y de India y de China, con perfiles desde arquitecto hasta lingüista, pasando por físicos, matemáticos, ingenieros, y ambientalistas. Dos de sus miembros estn trabajanado en un Proyecto de Investigación (VIDA) del Programa CENIT financiado por el CDTI, sobre el uso de sistemas biológicos para la producción de energía dentro de las ciudades. 95

97 4 Bibliografía La bibliografía es tremendamente amplia pues los temas a tratar abarcan desde diseño de edificios a ciudades a transporte inter-ciudades a la matemática de las redes, topología, control telemático, y toda la tecnología de energías renovables. Caben destacar, por su visión global y su amplitud de miras, los informes de la ONU: UN-HABITAT: Global Reports on Urban Settlements (2007): Planning Sustainable Cities, en la siguiente página WEB: y la página del World Bank: Sustainable Cities of the Future: /0,,menuPK: pagepk: pipk: thesitepk:337178,00.html y citare, por razones de espacio, solamente : Droege, P., The renewable city: a comprehensive guide to an urban revolution, Wiley- Academy, Hoboken, NJ, 2006 Droege, P., ed., Urban energy transition, from fossil to renewable powder, Elsevior, Amsterdam, Boston, Farr, D., Sustainable urbanism: urban design with environment, Ed. Wiley, Hoboken, New Jersey, Kahn, M. E., Green cities. Urban growth and the environment, Brooking institution Press, Washington DC, Moore, S. A., Alternative routes to the sustainable cities Austin, Curitiba and Frankfurt, Lexington Books, New York, Toronto, Plymouth, Newman, P. y Jennings, I., Cities as sustainable ecosystems: principles and practices, Isaland Press, Washington, Newton, P., Pathways towards sustainable urban development in Australia, CSIRO publishing, Collingwood, Australia, Owen, D., Green Metropolis. Why livings smaller, living closer, and driving less are the keys to sustainability, Riverhead books, New York, Tamagawa, H., Ed., Sustainable cities: Japanese perspectives on physical and social structures, United Nation Press, New York,

98 Infraestructuras Inteligentes en el Internet del Futuro Diego Casado Mansilla, Mario Vega Barbas y M. Teresa López Merayo, Universidad de Alcalá, Grupo de Ingeniería en Servicios Telemáticos, Escuela Politécnica, Campus Universitario, 28805, Alcalá de Henares, España {diego.casadom, m.vega, maite.lopez}@uah.es Abstract. El Internet de las cosas representa una vision tecnológica futura en la cual Internet se extiende dentro del mundo real incuyendo los objetos de la vida diaria como nuevos actores del ecosistema. El objetivo principal que se presenta en esta contribución, es dar a conocer las líneas de trabajo de investigación de los autores dentro de un marco futuro donde los objetos físicos pueden ser monitorizados y controlados remotamente a través del mundo virtual, y donde sistemas de control inteligente permiten la supervisión humana de la actividad desde un rol no intrusivo. Palabras clave: Infraestructuras del futuro, Objetos inteligentes, Internet de las cosas,, interoperabilidad, sistemas de aprendizaje, razonadores. 1 Introducción A día de hoy, el número de dispositivos con capacidad de procesamiento aumenta de forma exponencial, y sobrepasan, con mucho, la relación de equivalencia con el número de seres humanos que habitan el planeta. Los avances de la industria tecnológica permiten que dichos dispositivos tengan un menor tamaño gracias a la miniaturización de sus componentes [1] (p. ej. nanotecnología, microcomputadores y sistemas embebidos) con un menor coste, y sin poner en detrimento su capacidad computacional. Además, dichos dispositivos disponen, en la mayoría de los casos, de interfaces de comunicación que permiten realizar tareas más complejas mediante su asociación en sistemas distribuidos, sistemas de rejilla, redes malladas, clusters, etc. La era tecnológica que atravesamos, y gracias al uso de Internet, medio de comunicación que ha revolucionado el mundo, ha permitido la interconexión masiva y a gran escala de estos dispositivos con el ser humano, donde este último, ha sido siempre el centro de la interacción. Sin embargo, asistimos de forma inexorable al siguiente salto tecnológico por dos motivos: la inclusión millones de objetos de la vida cotidiana (dotados de un cierto grado de inteligencia) como nuevos actores de este ecosistema [2]; y por otro lado, un cambio en el paradigma de comunicación donde, objetos con capacidad autónoma de interacción, cómputo y organización, se asocian para cumplir tareas sin requerir la intervención directa del ser humano. La 97

99 comunidad investigadora ha denominado a este paso evolutivo como Internet de las Cosas[6] y los Objetos 1. La fusión de estos objetos cotidianos dotados de inteligencia, con múltiples y diferentes fuentes de información de contexto y externa, permiten la creación y redefinición del entorno físico donde son susceptibles de interaccionar. De esta forma se crea un nuevo concepto de espacio físico donde confluyen átomos y bits al que denominamos espacio inteligente. El grupo de investigación al que los autores pertenecen, Grupo de Ingeniería de Servicios Telemáticos (GIST), trabaja en esta línea dentro del proyecto europeo Doit-Yourself Smart Experiences [3]. Dicho proyecto tiene como objetivo conseguir que las personas, con o sin formación técnica, sean capaces de dirigir y modificar su entorno diario (p.ej. Hogar y ciudad) hacia una experiencia de comunicación e interacción personalizada. Para ello, las personas serán capaces de (re)utilizar y (re)combinar dispositivos, sensores, actuadores, servicios y objetos que ellos mismos poseen o que otros compartan dentro del ecosistema. Los autores consideran que el conocimiento adquirido a lo largo del proyecto marcará sus líneas futuras de investigación, las cuales abarcan la mayoría de las áreas de trabajo propuestas en el encuentro de investigadores donde esta contribución se presenta. 2 De Infraestructura inerte a Espacio Inteligente El reto más complejo e importante de la nueva generación de investigadores del campo de las TICs 2, es transformar el entorno para incluirlo de forma activa en el ciclo de vida de las personas. Actualmente, las infraestructuras representan objetos inertes donde su utilización está marcada desde su concepción y construcción, manteniéndose invariable durante su vida. Es importante, desde el punto de vista de la eficiencia y sostenibilidad ambiental, permitir que el uso y utilidad de estos grandes objetos evolucione, cambie y se adapte a las necesidades de las personas que los usan. Para ello es fundamental dotarles de inteligencia, transformarlos en Espacios Inteligentes, para que además de útiles, cooperen con las personas. 2.1 Objetos Inteligentes El concepto de objeto cotidiano inteligente hace referencia a todos los objetos que son susceptibles a ofrecer cierta información (localización física, origen, estado, utilización, etc.), llevando este concepto más allá del dispositivo electrónico como electrodomésticos, dispositivos móviles, o incluso aquellos productos de alto desarrollo tecnológico e industrial como los vehículos [5]. La idea que se persigue, es por tanto, dotar a elementos tales como mobiliario, ropa, comida, o materiales de construcción de una capacidad de procesado de información (mediante transductores 1 El concepto de Internet de las cosas se atribuye a Auto-ID Center del MIT, fundado en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones. 98

100 embebidos), y/o de identificación única y comunicación (usando etiquetas RFID, comunicación por campo cercano -NFC o redes de sensores y actuadores -WSAN), con el fin obtener el máximo beneficio al unir el mundo físico con el mundo digital. 2.2 Integración de los Objetos dentro de la Infraestructura La inclusión de inteligencia dentro de los objetos no ofrece, por si misma, el objetivo final de obtener un sistema holístico con capacidad de proceso y razonamiento sobre las diferentes fuentes de información en pro del beneficio humano. Para ello, los objetos deben integrarse dentro del entorno físico donde residen, ser capaces de ofrecer servicios e interconectarse de forma dinámica con otros dispositivos con capacidad de cómputo, creando así infraestructuras inteligentes 3. El principal problema a afrontar es doble Por una parte radica en que los objetos inteligentes, en muchos casos, tienen una capacidad de cómputo, autonomía eléctrica y tasa de transmisión limitada. Por tanto, no son capaces de procesar un número amplio de peticiones, ni de enviar de forma continua y masiva información hacia un destino. Por otro lado, los objetos inteligentes son de naturaleza diversa y tecnológicamente heterogéneos con diferentes interfaces y protocolos de comunicación. Actualmente, no hay estándares comunes respaldados por la industria. La solución adoptada en la investigación en curso, y que aporta un valor añadido sobre estudios previos, se basa en la utilización de dispositivos con mayor capacidad de cómputo (p.ej. gateways residenciales, routers, PCs, etc.) que, mediante abstracciones, presentan y describen uniformemente todos los objetos de una misma infraestructura inteligente (sin importar ni limitar la tecnología subyacente de estos). Esta tecnología de abstracción hace posible la cooperación, el direccionamiento único, el descubrimiento dinámico de dispositivos y servicios, etc. 2.3 Infraestructuras Proactivas Las características y el potencial de trabajo de los entornos inteligentes son conocidos y gestionados por ellos mismos mediante un sistema software proactivo. La necesidad de dichos sistemas inteligentes es debida a la inherente composición de los espacios, donde millones de objetos operan de forma cooperativa, y en la complejidad que supondría para el ser humano tener una visión global de dicha estructura. De igual forma que cada persona conoce sus habilidades y potenciales, las infraestructuras del futuro deben ser capaces de tomar, dinámicamente, las mejores decisiones en función de sus capacidades. Estos sistemas organizan dicha funcionalidad para conseguir una mayor eficiencia tecnológica. Se trata de elevar al ser humano a un rol de supervisión activa[4] dentro del ciclo de vida de la tecnología, permitiendo a los infraestructuras aprender y comprender las necesidades humanas. 3 Téngase en cuenta que las infraestructuras inteligentes pueden ser privadas, compartidas por un grupo cerrado o totalmente públicas. 99

101 2.3 Interconexión de Infraestructuras Inteligentes Para realizar el sueño del Internet de las cosas y de los objetos, es necesario centrarse en el apartado de interconexión global de las infraestructuras y dispositivos aislados, con el fin de no limitar el uso y acceso a cualquier fuente de información. La investigación en este término avanza a pasos agigantados enlazando fabricantes de silicio (que miniaturizan los componentes) e ingenieros de software (que ya han conseguido desarrollar y empotrar una pila del protocolo IP ligera[7] y empotrar servidores Web[8] dentro de sensores). Actualmente, los autores están trabajando en la creación de una red distribuida y federada de interconexión de gateways. Esta permitirá que los objetos y dispositivos inteligentes puedan interaccionar de forma transparente, sin importar su localización física, a través de tecnologías y estándares Web. 3 Eficiencia Tecnológica, un Caso de Uso A continuación se expone un posible caso de aplicación del estudio presentado. Supongamos que se dispone de una casa con jardín y se desea cuidar adecuadamente este elemento decorativo desde un punto de vista ecológicamente sostenible. Esta casa, como infraestructura del futuro, adapta nuestra intención para programar la frecuencia y duración del riego de manera adecuada. Dicha programación deberá tener en cuenta ciertas variables del entorno tales como temperatura ambiente, hora actual, humedad del terreno y previsión. Este contexto será definido mediante sensores, los requisitos del usuario y servicios externos de información disponibles a través de Internet. La concepción que los autores tienen sobre la infraestructura inteligente, contempla la supervisión de la actividad y de la información reportada, por parte de las personas, a través de interfaces adaptadas y disponibles en el entorno. Referencias 1. Moore, G. E.: Cramming more components onto integrated circuits. In Readings in computer architecture, Morgan Kaufmann Publishers Inc., (2000) 2. Weiser, M.: The computer for the 21st century. In Human-computer interaction. Morgan Kaufmann Publishers Inc (1995) 3. ITEA-2 Project No , Do-it-Yourself Smart Experiences, founded by the Spanish MITC -Avanza- TSI (2009) 4. Tennenhouse, D.: Proactive Computing. Comm. of the ACM. No 45(5), (2000) 5. Atzori, L., Iera, A., Morabito, G.: The Internet of Things: A Surrey. Comput. Netw. 50(15) (2010) 6. ITU Internet Reports, The Internet of Things (2005) 7. Hui, J., Culler, D. Chakrabarti, S.: 6LoWPAN: Incorporating IEEE Into the IP Architecture. I P for Smart Objects (IPSO) Alliance. White Paper#3 (2009) 8. Duquennoy, S., Grimaud, G., Vandewalle, J.: The web of things: interconnecting devices with high usability and performance. ICESS 09 (2009) 100

102 Arquitectura DOMOSEC para automatización inteligente de edificios: hacia el edificio sostenible M.A. Zamora, J. Santa, A.J. Jara, and A.F. Gómez-Skarmeta Facultad de Informática, Universidad de Murcia, Murcia, España Resumen El trabajo que se presenta presenta una arquitectura integral para la automatización de entornos de interior, ejemplificada en un despliegue prototipo orientado a la optimización del consumo energético. Keywords: Automatización, domótica, eficiencia energética. 1. Introducción Los actuales sistemas de automatización de interiores no presentan un solución integral a la vez que innovadora e integrando protocolos normalizados. Este articulo da una solución a este problema, mostrando la aplicación de la arquitectura DOMOSEC (Domótica y Seguridad) desarrollada por la Universidad de Murcia, y que actualmente se encuentra instalada en el Edificio de Transferencia Tecnológica del Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Éste edificio ha sido diseñado para ser una referencia de edificio sostenibles, donde se han definido las siguientes tres ramas de innovación: Balance energético, entre el generado por las placas solares y el consumido por los laboratorios y despachos. Tele-mantenimiento y tele-monitorización de todos los dispositivos y maquinas del edificio, tales como acondicionadores de aire, ascensores, bombas de agua, sistema auxiliar de suministro eléctrico, alarmas, e iluminación. Identificación y control del acceso del personal al edificio y laboratorios por radiofrecuencia (RFID). El resto de las secciones del presente articulo presentan una breve descripción de la arquitectura del sistema y el despliegue llevado a cabo. 2. Arquitectura del sistema La arquitectura hardware del sistema [1] fue concebida para la automatización y la seguridad tanto de edificios como de zonas residenciales tipo resort. Esta plataforma ofrece la base para el soporte de entornos inteligentes basados en inteligencia ambiental. Este se ha diseñado y prototipado desde un entorno 101

103 académico (Universidad de Murcia), a la vez que se ha manteniendo la colaboración con empresas del área de la automatización de edificios y seguridad, con el objetivo de cubrir sus necesidades e integrar su experiencia. La plataforma es altamente flexible, ya que la mayoría de los módulos son opcionales; de esta manera se ofrece una solución que se adapta en coste a los requisitos de la solución final y permite ajustarla o extenderla. Las principales características del sistema son: control de dispositivos eléctricos a través de protocolos domóticos estándares; control centralizado en un módulo de automatización; gestión del sistema desde dentro del edificio mediante pantallas táctiles; diseño tolerante a fallos con replicación de los sistemas de información; servicios de valor añadido en pasarelas residenciales local y remota; administración y monitorización del sistema mediante software en 3D, a través de Internet; programación remota del módulo de automatización (HAM); servicios de seguridad a través de varios posibles receptores de alarmas conectados a varias tecnologías WAN; flexibilidad, debido a que el sistema puede adaptarse a soluciones específicas, eligiendo las prestaciones deseadas. La Figura 1 muestra la arquitectura del sistema de automatización. Como puede verse, la arquitectura está dividida en el sistema instalado en la vivienda o edificio y las conexiones con diversos elementos remotos. Aunque el diagrama incluye todos los posibles elementos en una solución completa de automatización de edificios, la solución es completamente modular, aplicable a viviendas, edificios, centros comerciales, etc. Figura 1: Visión global de la arquitectura DOMOSEC. 102

104 3. Capacidades de monitorización y control El componente principal de la arquitectura es el módulo de automatización de la vivienda, HAM (Home Automation Module). Este elemento incluye un ordenador embebido conectado con todos los electrodomésticos, sensores y actuadores. De esta forma, este módulo centraliza la inteligencia del sistema, porque contiene la configuración utilizada para controlar todos los dispositivos instalados. Una base de datos local en una memoria no volátil, guarda las acciones que tienen que ser ejecutadas de acuerdo a condiciones programadas o basadas en lecturas de sensores. El módulo de automatización HAM es altamente adaptable y compatible con la regulación actual en seguridad (EN y EN-50136). El corazón del sistema es un microcontrolador de 32-bit basado en la arquitectura ARM9. El HAM soporta varios controladores de red, entradas analógicas o digitales básicas, CAN (Controller Area Network), X10 para conexión de bajo coste, EIB (European Installation Bus), o ZigBee como conexión inalámbrica, entre otros, para conectar con los dispositivos del edificio. El módulo de automatización puede incluir además un interfaz de usuario mediante una pantalla táctil LCD a color de 5.6 (ver Figura 2). No obstante, pueden instalarse paneles de control en distintos lugares, que sirven de interfaz de usuario. La pasarela residencial del sistema ofrece servicios de valor añadido de monitorización y administración. Esta pasarela está comunicada con la unidad de automatización vía Ethernet, dejando las labores de comunicación con dispositivos y actuadores al HAM. Otras soluciones dejan estas tareas directamente a las pasarelas residenciales basadas en PC [2], pero esto no se considera una estrategia adecuada, ya que es necesario ofrecer una solución embebida tolerante a fallos en este tipo de entornos. En la arquitectura presentada, la pasarela residencial, esta vez basada en un PC embebido, es utilizada para ofrecer servicios extra a los habitantes de la vivienda, haciendo uso de OSGi (Open Services Gateway initiative) para gestionar el ciclo de vida de los servicios. 4. Despliegue del sistema El sistema DOMOSEC descrito en las secciones anteriores se ha aplicado en un nuevo edificio de la Universidad e Murcia cuyo principal propósito es optimizar la eficiencia energética. El tejado del edificio ha sido dotado de diversos paneles solares, mientras que el interior se ha automatizado para aprovechar al máximo la energía consumida. Cada planta del edificio dispone de un HAM que controla las estancias, mientras que cada una de estas zonas de trabajo dispone de otro HAM que se utiliza para monitorizar los consumos de electricidad y agua, controlar los accesos, además de incluir diversas capacidades de inteligencia ambiental, explotando las ventajas de DOMOSEC. El puesto del guarda de seguridad del edificio dispone de una pasarela local (ver Figura 1), con capacidades de monitorización sobre todo el edificio. No obstante, también se dispone de una pasarela remota que permite el acceso remoto al edificio. La intensidad y encendido de las luces en cada estancia se adapta en función de la luz natural 103

105 disponible. Se han incluido detectores de incendio e inundación, y se permite el encendido/apagado de dispositivos conectados a la red eléctrica. El HAM de cada estancia está conectado con un panel de control táctil. Éste se puede ver en la Figura 2, junto con el panel eléctrico adaptado para su conexión con el sistema DOMOSEC. Esta adaptación permite monitorizar la energía consumida por secciones. Figura 2: Panel de control de gestión para cada estancia del edificio. 5. Conclusiones La arquitectura presentada ofrece una solución integral para la automatización de entornos de interior, válida para desplegar servicios domóticos típicos (encendido de luces, cierre de persianas, etc.) o novedosas aplicaciones de la inteligencia ambiental. Su despliegue en un edificio de mejora de la eficiencia energética en la Universidad de Murcia, muestra una prueba del concepto de gran parte del potencial de DOMOSEC. Actualmente, los trabajos están en la línea de ofrecer mejoras en las comunicaciones inalámbricas, mediante tecnología 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks); en la evaluación de modelos avanzados de mejora de los consumos energéticos; en el estudio y desarrollo de nuevos servicios pervasivos. Referencias 1. Zamora, M.A.; Santa, J.; Skarmeta, A.F.G.;. A n integral and networked Home Automation solution for indoor Ambient Intelligence, IEEE Pervasive Computing, Vol. 9, pp , P. Pellegrino, D. Bonino and F. Corno, Domotic House Gateway Proc. ACM Symp. Applied Computing, Dijon, France, Apr

106 Importancia de las previsiones climáticas para la planificación de infraestructuras y la gestión energética María José Ortiz Beviá, Francisco J. Alvarez-García, Antonio Ruiz de Elvira, Giovanni Liguori 1 1 Grupo de Investigación Física del Clima, Universidad de Alcalá Áreas de Interés: Autopistas del Futuro, Sostenibilidad Medioambiental, Gestión Energética Resumen. La planificación y ejecución de grandes infraestructuras, como autopistas, obras hidraúlicas o puertos, ha requerido siempre de cierta informacion climática. En la situación actual, sin embargo, la planificación y ejecución inteligente de infraestructures requiere mucha más información por parte de los expertos climáticos. Nuestro mejor conocimiento de los procesos climáticos permite una mejor caracterización de la variabilidad actual, tanto media como extremal. Por otro lado, los cambios en la composición de la atmósfera, suponen que las carácteristicas futuras de esta variabilidad sólo puedan ser estimadas con la ayuda de las simulaciones realizadas con los modelos climáticos más sofisticados (modelos acoplados de circulación general). El grupo de Física del Clima de la UAH tiene experiencia en este tipo de estudios, de interés desde los puntos de vista de la eficiencia energéetica, la sostenibilidad, y para el diseño de autopistas del futuro. Palabras Clave: Cambio climático, Autopistas del Futuro, Sostenibilidad Medioambiental, Gestión Energética 1 Introducción La necesidad de información climática en la planificación y ejecución de grandes infraestructuras, como autopistas, obras hidráulicas o puertos, se ha debido indudablemente a su mayor periodo de servicio. La información requerida no se refería únicamente a la climatología de variables como la precipitación y la temperatura. También el conocimiento de la variabilidad extremal (temperaturas máximas y mínimas, y precipitaciones máximas) se ha tenido en cuenta en la planificación de estas obras. Precisamente la necesidad que tienen las infraestructuras de conocer mejor este aspecto de la variabilidad climática es la que ha dió origen en España al establecimiento de estaciones de observación meteorológica (en las confederaciones hidrográficas) y a redes de registro de oleaje. 105

107 En la situación actual, sin embargo, la planificación y ejecución inteligente de infraestructures requiere mucha más información por parte de los expertos climáticos. Por un lado, los avances registrados en climatología en los últimos treinta años han puesto de manifiesto la importancia que algunas señales climáticas interanuales tienen para la variabilidad de determinadas regiones. El Niño-la Oscilación del Sur (ENSO) por ejemplo, condiciona la precipitación de numerosas regiones, incluso fuera de la cuenca Pacífica (como la cuenca del Nilo). Su aparición supone una organización de los procesos atmosféricos a escala global, que origina ventanas de oportunidad para la predecibilidad [1]. Esto es un hecho comprobado en las predicciones climticas elaboradas con los modelos acoplados más sofisticados (por ejemplo del Nacional Center for Environmental Prediction (USA) [2] o del European Center for Medium Term Weather Forecast [3]). La predecibilidad de otras señales regionales, como la Oscilación del Atlántico Norte, está condicionada por la fase del Niño [4]. Por otro lado, las previsiones climáticas a más de 50 años realizadas con los modelos del panel intergubernamental de cambio climático (IPCC) confirman los cambios observados en la climatología mensual y en la variabilidad extremal, que se pueden relacionar con los cambios en la composición de la atmósfera [5]. En el Norte de Europa, la construcción de infraestructuras tiene en cuenta ya el aumento de precipitación que deben soportar. Esto último se relaciona con el aumento del vapor de agua en la atmósfera, que a su vez se explica por un aumento en la evaporación debido a las elevadas temperaturas del agua del mar y de los ríos [5]. En el sur de Europa, el aumento de las olas de calor tiene que ser también tenido en cuenta en la planificación de infraestructuras [6]. En ambas regiones se ha apreciado una disminución de la demanda energética de invierno y un aumento de esta demanda en verano, que tiene que ser también considerado en el diseño de la red eléctrica [7]. Algunas de estas cuestiones han sido estudiadas por el grupo Física del Clima en las últimas dos décadas. El grupo tiene acceso a los datos de las simulaciones realizadas con los modelos más sofisticados. Domina también las técnicas estadísticas para analizar datos. Y dispone de modelos estadísticos para el pronóstico de las señales interanuales que afectan tanto a América Central y del Sur, como al sector noratlántico, como explicamos en el siguiente apartado. 2 Predicciones a corto plazo: ventanas de oportunidad El Niño-La Oscilación del Sur (ENSO) es la señal interanual más fuerte, y aunque se origina en el Pacífico tropical su influencia es global. Su seguimiento se suele realizar con el índice Niño3, definido como un promedio de las anomalías de la temperatura en superficie del mar en la región [150E - 90W, 5S-5N], aunque a veces se pueden usar otros índices. 106

108 Figura 1. Correlación entre el índice Niño 3 y la precipitación en Centroamérica. La correlación es significativa por encima de 0.19 (en valor absoluto). Figura 2. Habilidad de pronóstico del índice de la NAO.Se considera útil por encima de 0.7. Los triángulos representan pronósticos para la NAO de invierno con predictores de invierno y verano. La habilidad en los pronósticos de este índice puede ser superior a nueve meses en simulaciones con modelos sofisticados. Estos valores coinciden con los encontrados por este grupo, utilizando el modelo estadístico BOP (Patrones Bayesianos de Oscilación [8]). Nuestra figura 1 representa la correlación entre el índice Niño3 en verano y las anomalías de precipitación en Centro-América en esa misma estación (la de lluvias). Observamos que la fase positiva de ENSO va acompañada de intensa sequía en la mayor parte de esta región, aunque en elgunas zonas se producen lluvias anómalas, a veces (sólo se roza el nivel de significancia). Este es un ejemplo claro de la necesidad de una resolución espacial elevada para estudiar los efectos de ENSO. Esta resolución se puede conseguir com métodos de bajada de escala, ya sean dinámicos o estadísticos. Nuestro grupo también ha realizado distintos estudios de bajada de escala en esta región. La Oscilación del Atlántico Norte (NAO) es un modo de variabilidad de la atmósfera en el sector noratlántico. Se caracteriza mediante el índice de la NAO, definido como la diferencia normalizada de las anomalías de presión de Lisboa e Islandia [9]. En bastantes observatorios de la zona atlántica de la península Ibérica el índice estacional de la NAO explica una parte de la lluvia invernal (correlación negativa y en valor absoluto mayor que 0.4). Las lluvias son más frecuentes cuando la NAO es negativa. Se ha relacionado la disminución de las lluvias en los ultimos años con la aparición en el índice de la NAO de una tendencia ascendente. La predecibilidad de la NAO es asunto discutido. Está claro que el índice diario de la NAO presenta características caóticas. Sin embargo, indices derivados del anterior,como las medias estacionales, pueden estar influidos por la memoria almacenada en las SST, y ser, en parte, predecibles. La figura 2 representa la habilidad predictiva (medida como correlación entre predictando y predictor) de las medias estacionales del índice de la NAO, a plazo de un año o superior, para predictores y predictando en distintas estaciones: invierno, primavera, verano, otoño..etc. 3 Predicciones a largo plazo: a partir de conjuntos de simulaciones climáticas 107

109 A más de unas pocas décadas, las únicas fuentes de información sobre las características de la variabilidad climática son las simulaciones con modelos acoplados de última generación [5]. Estas simulaciones son financiadas (en parte) por el panel del IPCC, y están disponibles para la comunidad científica una vez que los informes se han hecho públicos. Estas simulaciones se utilizan como condiciones de frontera en otras regionales, que proporcionan una información de mayor resolución de los cambios esperables, p.ej. en la variabilidad extremal [10]. Citaremos, por ejemplo, las que se han realizado recientemente en el marco del proyecto europeo CIRCE [11]. Bibliografía 1. Chen Y.-G., Battisti D.S., Palmer T. N., Barsugli J. y Sarachik S. (1997) A study of the predictability of the Tropical Pacific SST in a coupled atmosphere-ocean model using singular vector analysis: the role of the annual cycle and the ENSO cycle, Mon. Wea. Rev., 125, Palmer et al. (2004) Development of sn European multimodel ensemble system for seasonal-to-interannual prediction DEMETER, Bull. American Meteorol. Soc., 85, Saha et al. (2006) The NCEP climate forecast system, J. Climate, 19, SánchezGómez E., F.J. AlvarezGarcía and M.J. OrtizBeviá (2001), Empirical forecasts of 850hPa Air Temperature Anomalies over the North Atlantic., Q. J. Royal Meteor. Soc., 127, Solomon S. et al.(2007), Climate Change 2007: The Physical Science Basis,Cambridge University Press, Cambridge, U. K.. 6. Meehl G. A. and Tebaldi C. (2004) More intense, more frequent and longer lasting heat waves in the 21st century, Science, 305, Ortiz Beviá M. J., Sánchez-López G., Alvarez-García F.J., RuizdeElvira A. (2011) Evolution of heating and cooling degree-days in Spain: Trends and interannual variability (en preparación) 8. Ruiz de Elvira A., M.J. OrtizBeviá (1995) Application of Statistical Techniques to tha analysis and prediction of ENSO: Bayesian Oscillation Pattern as a predictive acheme, Dyn. Atmos. Oceans, 22, Hurrell J. W. (1996) Infleunce of variations in extratropical wintertime teleconnections in northern hemisphere temperatures, Geophys. Res. Lett-, 23, M. J. Ortiz Beviá, E. SánchezGómez, F. J. AlvarezGarcía (2011) North Atlantic atmospheric regimes and winter extremes in the Iberian peninsula. Nat. Hazards Earth Sys. Sci.,en prensa. 11. OrtizBeviá M.J., Alvarez-García F. J., Henandez-Carretero J., Lorente Lorente P., Sánchez López G (2010). La variación interanual del mediterráneo en verano en una simulación regional acoplada, en Clima, Ecosistemas y Ciudad, , Asociacion Española de Climatología (Eds del Serbal),(2010). 108

110 Context-aware, Personalized Services for Smart Cities Hasier Iñan 1, Manel Palau 1, Victor García 1, Alberto Pobre 1 1 Tech Media Telecom Factory E Barcelona {hasier.inan, manel.palau, victor.garcia, alberto.pobre}@tmtfactory.com Abstract. This work presents a user-centric service deployed in a Smart City by means of mobile devices and Interactive Community Displays (ICDs). The service considers personalization and contextual information to bring city services closer to people living in or visiting a city by interconnecting people, service providers and locations. The personalization is concerned with several issues typically encountered in the representation of user profiles, such as coldstart problem, content filtering and user feedback. Keywords: Smart city, personalization, context-awareness, user profile adaption, mobility. 1 Introduction Nowadays it is becoming common to search for domain-related content and activities through mobile devices, such as Smartphones or tablet PCs, along with Interactive Community Display (ICDs), which are multimedia information points offering interactive services on the public thoroughfare [2][6][9]. Anyhow, these services usually do not distinguish users as individuals and provides similar information to users either with different characteristics or in different contexts. A concrete way to achieve an effective personalization is by means of user profiles storing user preferences that consider the context of the users. Although user profiles use to represent a common practice in personalization systems, they intrinsically bring several issues [1]. For instance, anonymous users do not have an initial profile; so predicting initial user preferences is required to avoid the cold-start problem. Moreover, user profiles representation should be rich enough to represent preferences which depend on contextual information, and sufficiently compact to be able to be processed in an efficient way. The representation through the insertion of semantics provides the ability to discover, integrate and reuse content. Besides, it makes it possible to match such content with user preferences for a given time or place. Last but not least, user preferences must be adapted according to the user feedback in order to increase the knowledge about the user and thus enhance the personalized flavor of the suggestions. In this work we present a multi-stage user profile adaptation process by means of semantic representation, preference handling methods and ambient intelligence. 109

111 2 System Interaction and Content Provisioning The user profile adaptation process follows four sequential phases each time the user interacts with the system (Figure 1). In the following, the general process is overviewed and each step is briefly depicted. Fig. 1. Overview of the User Profile Adaptation Process 2.1 Adaptation Process The Profile Manager deals with the representation of user preferences. At the first user interaction an initial user profile is assigned and stored according to the profile ontology, which contains weighted contextual preference relations. In the case of new users, the user profiles are created inheriting preferences from predefined user groups. Then, the user profile representation is provided to the Preference Reasoner [3][4], which also collects the current context to reason about the corresponding contextaware preferences. The reasoning generates a sorted list of preferences, which are then processed by the Content Manager in order to match the appropriate suggestions to be provided. Finally, once the suggestions are provided, the user can express some feedback (implicit or explicit) that is processed by the Feedback Manager to update the user profile. 2.2 User Profile Management The Profile Manager represents the user profiles presented above and is supported by a User Model [7][8], that is, a knowledge base and a set of reasoning mechanisms regarding user s characterization in order to outline their preferences and 110

112 requirements and adapt the interaction to them. The knowledge base contains facts relating a user (or a group of users [5]) with a user feature and a value (within that feature domain). A user feature might be any perceivable attribute or behavior of the user, observed within the user profile ontology described in the previous section. Specifically, this system counts on a predictive statistical user model [11]. This User Model is populated through experience, that is, each session held with a user increases the knowledge base in order to improve future interactions. The information acquired from the interlocutor is anonymized and shaped into a stereotype, which will be stored as a new group or used to refine an existent one. However, the model supports an initial knowledge load. 2.3 Profile Update based on Provided Feedback The Feedback Manager is responsible for adapting user profiles by processing users interactions and valuations on provided suggestions [10]. The evaluation process follows two modes: (i) explicit evaluation, contemplating an explicit rating of the user on each suggestion; (ii) implicit evaluation, considering user selections on the provided suggestions as positive feedback. In this case, preferences related with such suggestions are rated with a default value. Once the evaluation is performed, the Feedback Manager receives a list of distinct rankings of each preference evaluated in a set of contexts. Thus, the module interacts with the Profile Manager to update or create new preference rules based on a given context set. 3 Conclusions and Future Research This work presents a user profile adaptation process that takes into consideration the context of the user. The adaptation of user profiles and the recommendation of content and activities are based on several factors such as profile assignment, content filtering and user feedback. In cases where anonymous users use the service, Group User Models prevent the cold start problem. However, in any case, the user profile must be continually adapted based on user interactions and feedback, due to the fact that the initially assigned profile is not close enough to provide the user with personalized content. In fact, the service offers the user the possibility to provide an explicit feedback by means of ratings, and also processes the selections of the users to extract implicit feedback. Since new context-aware preferences can be created and updated in each feedback process, the more feedback received, the more adapted is the profile w.r.t. the user necessities. The service envisages the customization of content, taking into account not only a user profile, but also the surrounding environment. For this reason, several sensors are required to capture relevant data on the location, interaction and context, thus providing an ambient intelligence. 111

113 Acknowledgments. This work has been partially supported by the SEMANTS project (TSI ), which is partially funded by the Spanish Ministry of Industry, Tourism and Trade. References 1. Adomavicius, G., Tuzhilin, A.: Toward the Next Generation of Recommender Systems: A Survey of the State-of-the-Art and Possible Extensions. IEEE Trans. on Knowl. and Data Eng. 17, (June 2005) 2. Ceccaroni, L., Codina, V., Palau, M., Pous, M.: PaTac: Urban, Ubiquitous, Personalized Services for Citizens and Tourists. In: 3 rd International Conference on Digital Society Proceedings. pp IEEE Computer Society (2009) 3. Confalonieri, R., Nieves, J.C., Osorio, M., Vázquez-Salceda, J.: Possibilistic Semantics for Logic Programs with Ordered Disjunction. In: Link, S., Prade, H. (eds.) FoIKS 2010 Proceedings. LCNS, vol Springer-Verlag (2010) 4. Confalonieri, R., Nieves, J.C., Vázquez-Salceda, J.: Towards the Implementation of a Preference- and Uncertain-Aware Solver Using Answer Set Programming. Research report, Universitat Politecnica de Catalunya (2010) 5. Finin, T., Drager, D.: GUMS: a general user modeling system. In: Proceedings of the workshop on Strategic computing natural language. pp HLT 86, Association for Computational Linguistics (1986) 6. Gomez, I., Palau, M., Nieves, J., Vázquez-Salceda, J., Ceccaroni, L.: Dynamic Orchestration of Distributed Services on Interactive Community Displays: The ALIVE Approach. In: Demazeau, Y.e.a. (ed.) In: 7th International Conference on Practical Applications of Agents and Multi-Agent Systems Proceedings, vol. 55, pp Springer Berlin / Heidelberg (2009) 7. Kobsa, A.: Generic User Modeling Systems. User Modeling and User-Adapted Interaction 11, (March 2001) 8. Liu, P., Nie, G., Chen, D.: Exploiting Semantic Descriptions of Products and User Profiles for Recommender Systems. In IEEE Symposium on Computational Intelligence and Data Mining. pp (2007) 9. Palau, M., Gómez, I., Vázquez, J., Ceccaroni, L., Nieves, J.: A Framework for the Development and Maintenance of Adaptive, Dynamic, Context- Aware Information Services. In: 3 rd International Conference on Agents and Artificial Intelligence Proceedings, vol. 55, pp Springer-Verlag (2010) 10. Wang, R.Q., Kong, F.S.: Semantic-Enhanced Personalized Recommender System. In: Machine Learning and Cybernetics. vol. 7, pp (2007) 11. Zukerman, I., Albrecht, D.W.: Predictive Statistical Models for User Modeling. User Modeling and User-Adapted Interaction 11, 5 18 (2001) 112

114 Sistema para la navegación en interiores mediante técnicas de Realidad Aumentada C. González, M. A. Martínez, F.J. Villanueva, D. Vallejo, J. C. López 1 Escuela Superior de Informática. Universidad de Castilla-La Mancha. Paseo de la Universidad, Ciudad Real {Carlos.Gonzalez, Miguela.Martinez, Felix.Villanueva, David.Vallejo, JuanCarlos.Lopez}@uclm.es Resumen. Los sistemas de navegación permiten la localización y seguimiento de elementos móviles en un entorno. Si esta información es procesada en tiempo real, es posible mejorar la eficiencia y automatización de tareas en el uso de las infraestructuras existentes. En este trabajo se describe una plataforma de Realidad Aumentada que emplea diversas técnicas visión por computador para la ayuda a la navegación en interiores. Nuestra aproximación emplea información de contexto para seleccionar la información relevante al usuario para la realización de ciertas tareas. Palabras clave: Localización, Posicionamiento, Navegación, Realidad Aumentada, Visión por Computador, Tracking. 1 Introducción Los sistemas de ayuda a la navegación requieren el cálculo con precisión del posicionamiento del usuario en el entorno. Aunque la comunidad científica ha realizado mucho esfuerzo en diferentes áreas [1] como localización por Wifi, RFID o Bluetooth, en la actualidad todos los métodos presentan sus ventajas y limitaciones en términos de coste, precisión, cobertura, etc. En el proyecto Elcano 1 se aborda la construcción de un sistema de navegación multimodal para personas con discapacidad. La combinación de diferentes métodos de posicionamiento permiten obtener la localización del usuario de un modo más robusto y preciso. Una vez conocida la posición del usuario, Elcano calcula una posible ruta hacia una serie de objetivos teniendo en cuenta el contexto de la operación (posición actual, tipo de discapacidad del usuario, información del entorno, etc). Ciertas discapacidades cognitivas requieren nuevos paradigmas de interacción persona-computador que eviten determinadas abstracciones (como iconos o señalización en edificios) [2]. En este artículo se presenta uno de los módulos de localización y representación de Elcano basado en técnicas de Realidad Aumentada. 1 Este trabajo ha sido financiado por el proyecto Elcano: Infraestructura de navegación en entornos inteligentes para personas de movilidad limitada, de la Cátedra Indra - Universidad de Castilla-La Mancha. 113

115 2 Localización y Seguimiento Existen multitud de trabajos en el campo de la integración de sensores inerciales y sensores basados en métodos de visión mediante el uso de marcas [3]. Las marcas visuales son ampliamente utilizadas por su rápida detección empleando métodos poco costosos computacionalmente. Existen diferentes familias de métodos de posicionamiento basados en técnicas de visión por computador, muchas de ellas ampliamente utilizadas en el campo de la robótica. En [4] se realiza un estudio del estado del arte en métodos de localización basados en imágenes. Nuestro trabajo en el módulo de Realidad Aumentada de Elcano se centra en la combinación de diferentes métodos de tracking visuales empleando una arquitectura multi-capa y un middleware de comunicaciones orientado a objetos. El prototipo mostrado en la Fig. 1 se estructura en cuatro capas principales: La Capa de Sensorización se encarga de obtener la información del entorno mediante un despliegue de sensores heterogéneos. En esta capa es posible desplegar pequeños objetos dedicados a tareas concretas, como por ejemplo un filtro de Kalman implementado en un microprocesador. La Capa de Tracking proporciona servicios de seguimiento de elementos móviles a otros objetos del sistema. En esta capa se pueden desplegar objetos de tracking absoluto (como basados en marcas) o de tracking relativo (como basados en puntos de interés y Optical Flow). En nuestra aproximación se han utilizado ARToolKit como método de tracking basado en marcas y OpenCV como implementación base del Optical Flow. La Capa de Fusión se encarga de integrar la información de tracking proporcionada por los objetos de la capa anterior empleando conocimiento experto e información sobre el histórico de percepciones anteriores. La Capa de Representación finalmente se encarga de desplegar una interfaz de usuario adecuada a cada usuario, teniendo en cuenta las limitaciones del dispositivo de representación que se utilizará. En la siguiente sección se estudiarán los detalles más relevantes de esta capa. En este esquema de cuatro capas, el diseño de la plataforma se ha realizado teniendo en cuenta la movilidad del dispositivo de representación, y sus limitaciones asociadas (baja capacidad de cómputo, autonomía y rendimiento en despliegue 3D). De este modo se distingue entre objetos móviles, que se ejecutan en el dispositivo portátil, y objetos estáticos que se ejecutan en servidores externos. El objetivo de esta separación es realizar el tracking básico en tiempo real en el dispositivo portátil, delegando tareas computacionalmente más costosas en los objetos estáticos externos. Por ejemplo, existe un servicio de localización basado en descriptores de imagen que emplea una extensa base de datos para calcular la posición del usuario periódicamente bajo demanda. Gracias al uso de la infraestructura de comunicaciones de Elcano, la localización de objetos es transparente, por lo que la migración de objetos externos puede realizarse sin necesidad de cambios en la interfaz de representación. 114

116 3 Representación El principal objetivo de la Realidad Aumentada (RA) es mejorar la percepción e interacción del usuario con el mundo real añadiendo capas de información sintética 3D perfectamente alineadas con los objetos reales. En el trabajo desarrollado para Elcano, esta información se filtra para mostrar únicamente la información relevante para el usuario teniendo en cuenta el contexto estático (tipo y nivel de discapacidad), y el contexto dinámico (posición, objetivo y estado actual del entorno). La representación se realiza empleando un motor de despliegue propio basado en OpenGL, con soporte de widgets de navegación 2D (mapas y listas de tareas) y carga de objetos 3D de entorno e interacción. Para facilitar la navegación a personas con discapacidad cognitiva, se utiliza la metáfora de seguimiento de líneas virtuales pintadas sobre el suelo, que son actualizadas en tiempo real superponiendo polígonos 3D sobre la vista de la cámara (ver Fig. 1). Mediante esta aproximación se facilita la navegación proporcionando flujos continuos de información visual sintética integrada en la percepción del entorno. Fig. 1. Interfaz de navegación basado en Realidad Aumentada a) y b) Capturas de la interfaz de navegación. Las líneas de color rojo mostradas sobre el suelo indican el camino que deberá seguir el usuario para alcanzar el objetivo de navegación. c) El usuario utiliza un TabletPC para navegar en el interior del edificio. En esta imagen se muestran algunas marcas pasivas de Realidad Aumentada. d) El sistema cuenta con cámaras IP externas (como la situada en la parte superior de la vitrina) que permiten calcular mediante objetos estáticos la posición del usuario (como muestra la fotografía, el TabletPC tiene asociada a su vez una marca visual). 115

117 4 Conclusiones El trabajo desarrollado en Elcano proporciona un sistema de posicionamiento y navegación multimodal para usuarios de movilidad limitada. La combinación de diferentes aproximaciones a la localización en interiores dota al sistema de una mayor robustez y tolerancia a los fallos intrínsecos de cada método. El módulo de Realidad Aumentada emplea técnicas de tracking visual para la localización y navegación en el interior de edificios. El módulo de representación utiliza nuevos paradigmas de interacción para facilitar la consecución de objetivos al usuario empleando información relativa al contexto. Frente a las soluciones arquitectónicas existentes en el ámbito de la Realidad Aumentada [5][6], la plataforma propuesta en Elcano proporciona, gracias al uso del middleware orientado a objetos, una aproximación más eficiente para dispositivos móviles, además de la selección de información relevante mediante el modelado de conocimiento experto. Como línea de trabajo futuro cabe destacar la incorporación de nuevos métodos de tracking visuales e inerciales. La interfaz de posicionamiento en el prototipo actual requiere algún tipo de mecanismo de localización absoluto (basado en marcas o balizas) para proporcionar datos exactos. Actualmente se está trabajando en la incorporación de nuevas aproximaciones, como el método PTAM [7] junto con el uso de módulos adicionales de tracking inercial. Referencias 1. Seco, F., Jimenez A.R., Prieto, C., Roa, J. Koutsou, K.: A survey of mathematical methods for indoor localization. In: IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing, pp IEEE Press, New York (2009). 2. Passini, R.: Wayfinding design: logic, application and some thoughts on universality. In: Design Studies, vol. 17, no. 3., pp Elsevier (1996). 3. Coughlan, J., Manduchi, R.: Functional assessment of a camera phone-based wayfinding system operated by blind and visually impaired users. In: International Journal on Artificial Intelligence Tools, vol. 18, no. 3, pp World Scientific (2009). 4. Hile, H., Borriello, G.: Positioning and Orientation in Indoor Environments using camera phones. In IEEE Computer Graphics and Applications, vol. 28, no. 4, pp IEEE Press, New York (2008). 5. Ponder, M., Papagiannakis, G., Molet T. Magnenat-Thalmann, N., Thalmann, D.: VHD++ development framework: Towards extensible component based VR/AR simulation engine featuring advanced virtual character technologies. In Computer Graphics International, pp (2003). 6. Ohlenburg, J., Herbst, I., Lindt, I., Frohlich, T., Broll, W.: The MORGAN framework: enabling dynamic multiuser AR and VR projects. In: Proceedings of the ACM symposium on Virtual Reality software and technology, pp (2004). 7. Klein, G., Murray, D.: Parallel Tracking and Mapping for Small AR Workspaces. In: Proceedings of the 6 th IEEE and ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality, pp (2007). 116

118 Monitorización Automática del Nivel de Llenado de Contenedores de Residuos Rafael Barea 1, Joaquín Cantos 1, Jesús Sánchez 1, Juan Manuel Miguel 1, J. M. Rodríguez-Ascariz 1, Luciano Boquete 1, 1 Departamento de Electrónica, Universidad de Alcalá, España {barea, boquete}@depeca.uah.es Resumen. Se presenta un sistema multisensorial para la medida del nivel de llenado de contenedores de residuos. Gracias a la utilización conjunta de sensores de ultrasonidos y sensores de infrarrojos se consigue una alta fiabilidad en la medida. Se ha diseñado un sistema electrónico que permite el envío de los datos a un ordenador personal, para su procesamiento y visualización. Las pruebas realizadas en laboratorio y en condiciones reales demuestran el correcto funcionamiento del sistema de medida. Keywords: Ultrasonidos, infrarrojos, microcontrolador, contenedor de basura, gestión de residuos. 1 Introducción El proceso de automatización de los servicios de recogida de residuos puede tener ventajas económicas (optimización de rutas), ecológicas y sociales (mejor servicio a los ciudadanos). Existen publicaciones relativas a sistemas que detectan el nivel de llenado de contenedores. Por ejemplo, en [1] se utilizan sensores de ultrasonidos, cámaras y sensores de presión para diseñar un contenedor sensorizado para la estimación del nivel y tipo de basura, así como la optimización del proceso de recogida. Por otro lado son numerosos los trabajos relacionados con la protección del entorno mediante la gestión efectiva de la basura [2,3]. El objetivo de este trabajo es la monitorización automática del nivel de llenado de los contenedores de residuos y el estudio de diferentes tipos de sensores y configuración de los mismos para optimizar el proceso de selección y recogida de los residuos. 2 Método Los sensores idóneos para la medida del nivel de llenado de un contenedor de residuos son los de ultrasonidos e infrarrojos, ya que ofrecen una precisión muy elevada con un coste reducido, además de ofrecer una gran vida útil. Debido a la gran variedad de residuos (papel, orgánicos, plástico, etc.) y geometría de los 117

119 contenedores, una combinación de ambos tipos de sensores puede conseguir un funcionamiento satisfactorio en la gran mayoría de los casos. A nivel hardware se ha desarrollado una tarjeta que permite la conexión entre los sensores de medida del nivel y un ordenador personal (Fig. 1). El sistema electrónico está basado en un microcontrolador LPC1768 perteneciente a la familia ARM Córtex- M3. El dispositivo implementado permite obtener las medidas de hasta 16 sensores de ultrasonidos, conectados mediante un interfaz I2C y 8 sensores de infrarrojos. Los sensores de infrarrojos entregan una señal analógica, que se acondiciona para eliminar ruidos y aprovechar el máximo el rango del conversor Analógico/Digital del microcontrolador, con una resolución de 12 bits/muestra. Los datos de estos sensores ya procesados son enviados vía USB a un ordenador para su visualización en tiempo real. Gracias a la aplicación ejecutada en el PC se realiza la calibración de los sensores de infrarrojos, permitiendo además el ajuste de diversos parámetros: frecuencia de muestreo, secuencia de activación, etapas de procesado, etc. Sensores PC Microcontrolador Fig. 1. Diagrama general. El método de trabajo se ha estructurado en dos fases: a) pruebas de laboratorio y b) pruebas en condiciones reales. 2.1 Pruebas en laboratorio En el laboratorio de la Escuela Politécnica de la Universidad de Alcalá se ha implementado en un sistema de medida compuesto por los siguientes sensores (Fig. 2): o o o o 3 Ultrasonidos SFR02 3 Infrarrojos GP2Y0A02YK 1 Infrarrojo GP2Y0A710K0F 1 Infrarrojo GP2Y3A003K0F 5 IRED 118

120 Fig. 2. Sistema de medida. El experimento consistió en la colocación de un objeto cuadrado de un metro de lado y color blanco a diversas distancias. La tabla 1 muestra los resultados obtenidos para cada uno de los sensores. Tabla 1. Medidas en laboratorio. Distancia Ultrasonidos SFR02 Infr. GP2Y0A02YK Infr. GP2Y0A710K0F Infr. 5IRED GP2Y3A003K0F I2 I3 I4 20 cm cm cm cm cm cm cm Puede observarse en los resultados de la tabla 1 que tanto el sensor de ultrasonidos como los de infrarrojos permiten medir con cierta precisión la distancia. El que mayor precisión y repetitividad presenta es el sensor de ultrasonidos SFR02. No obstante los sensores de infrarrojos también obtienen muy buenos resultados. 2.2 Pruebas en condiciones reales Las pruebas se realizan sobre un contenedor tipo easy, con dimensiones aproximadas de 100x150x150 cm. Con el fin de acercarse a las condiciones reales de funcionamiento, se han utilizado patrones de residuos de plástico, papel, cartón y vidrio. Las medidas se han realizado a tres niveles de llenado: nivel 1 (aproximadamente 100 cm), nivel 2 (aproximadamente 70 cm) y nivel 3 (aproximadamente 40 cm). Se muestra en la tabla 2 un resumen de los resultados obtenidos. 119

121 Tabla 2. Medidas en contenedor. Material Sensor Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Plástico SFR blanco GP2Y0A02YK Plástico SFR negro GP2Y0A02YK Papel y SFR cartón GP2Y0A02YK Vidrio SFR GP2Y0A02YK Como se observa, cualquiera de los métodos ensayados da una medida adecuada para determinar el nivel de llenado de los contenedores. 3 Conclusiones En este trabajo se ha implementado un sistema multisensorial para la medida del nivel de llenado de contenedores de residuos. En las pruebas llevadas a cabo se ha estudiado la problemática asociada a la utilización de sensores de ultrasonidos e infrarrojos para detectar el nivel de llenado de los contenedores. En líneas generales se puede decir que los resultados obtenidos en las pruebas prácticas coinciden con los resultados esperados en función del estudio previo llevado a cabo en el Laboratorio del Departamento de Electrónica de la UAH. Los resultados demuestran que es posible medir el nivel de llenado de los contenedores de basura utilizando sensores de ultrasonidos e infrarrojos. Acknowledgments Estudio financiado por el Centro de Innovación de Infraestructuras Inteligentes (CI3). Referencias 1. Vicentini, F. Giusti, A. Rovetta, A. Fan, X. Heb, Q. Zhu, M. Liu, B. Sensorized waste collection container for content estimation and collection optimization. In Waste Management 29, (2009). 2. Pudong Solid Waste Administration Office (PSWAO). Pudong Solid Waste Management Annual Report Ahluwalia, P.K. Nema, A.K. Multi-objective reverse logistics model for integrated computer waste management. Waste Management and Research 24 (6), ,

122 Real Time Monitoring of Railway Traffic Using Fiber Bragg Grating Sensors M. L. Filograno 1*, P. Corredera 1, A. Rodríguez-Barrios 2, S. Martín-López 1, M. Rodríguez-Plaza 3, A. Andrés-Alguacil 3, M. González-Herráez 2 1 Instituto de Óptica, CSIC, Madrid, Spain * massimo.filograno@io.cfmac.csic.es. 2 Departamento de Electrónica, UAH, Alcalá de Henares, Spain 3 I & T Direction, Administrador de Infraestructuras Ferroviarias, ADIF, Madrid, Spain. Abstract. In this work we present field tests concerning the application of Fiber Bragg Grating (FBG) sensors for the monitoring of railway traffic. The test campaigns are performed on the Spanish high speed line Madrid Barcelona, with different types of trains with maximum speeds between km/h. The different position of the FBG sensors in relation with the rail can be used for different purposes such as train identification, axle counting, speed and acceleration detection, wheel imperfections monitoring and dynamic load calculation. Keywords: Optical fiber, Bragg gratings, structural monitoring, high speed train, weight in motion, dynamic load, rail. 1 Introduction Over the last few decades, rail transport has become one of the most effective means of transporting passengers and goods. According to recent statistics, the number of passengers will be doubled within 10 years while the volume of goods transported by railway will be tripled. Thus, it is expected that the axle load will strongly increase in the next years, and the trains will operate at faster speeds. This puts major pressure on the infrastructure and therefore innovative maintaining and inspection techniques are required. Conventional monitoring systems in railway infrastructures use strain gauge sensors to detect train dynamic load, train speed and to assess the possibility of derailment. One of the newest application areas of use of fiber sensors - and in particular fiber Bragg gratings (FBG) - is the railway industry, where it is of utmost importance to know the structural condition of rails, as well as that of freight and passenger trains to ensure the highest degree of safety and reliable operation and to reduce the maintenance for damages caused by wheel defects. In opposition to the conventional strain gauges, FBG sensors assure immunity to electromagnetic fields (EMI), and can be readily installed at low cost to measure important parameters for the railway engineer in the monitoring of wheel defects and axle load of trains in commercial operation at high speed. Previous works using FBG sensors has been reported in [1-121

123 3], to test the health of the rail and wheels, and as axle counter and imbalance detector; and in [4] the FBGs were used to assess railway bridges. This work reports some tests using FBGs for dynamic load measurements in a high-speed railway line. These tests are done in the Madrid-Barcelona line. 2 Installation of FBG sensors in the rail FBG sensor systems are among the best suited for railway monitoring due to their many unique features that are not found in electrical monitoring systems [5,6] (EMI and capability to multiplex a large number of sensors along a single fiber). Furthermore the use of this technology allows simplifying the installations greatly, reducing cost, remote sensing over long distances and inherent self-calibration capability strain and temperature information is encoded in the FBG reflection wavelength which is an absolute parameter and thus the measurement value does not depend directly of the intensity fluctuations of the optical source or the losses between the FBGs and the interrogation unit. Also, fiber Bragg grating sensors can be interrogated at very high-speeds (typically up to several hundred khz). In this campaign we selected six different positions of the sensors (total number of 20 FBG, 10 per track, Fig. 1) with respect to the rail. Three consecutive spaces between sleepers have been selected. The first space with four FBG sensors: one in the middle between the two sleepers and adapted to the rail foot - this FBG sensor is working in pure flexion; a pair of them are adapted to the rail web with an angle with respect to the rail neutral line of 45º - these two FBG sensors are working in shear - and the last one is placed just on the rail neutral line in order to check temperature changes in the rail. In the second section between sleepers we use the same sensor structure without the temperature FBG and the third section has a vertical sensor just in the centre of the sleeper and three flexion sensors placed at different distances between the sleepers. Fig. 1. Disposition of 10 FBG sensors along one of the rails. The FBG sensors are directly pasted with an epoxy resin on the rail tracks and are connected by optical cables to an optical fiber backbone that runs bellow tracks to the auxiliary office where is located the PC with the demodulation unit (BraggSCOPE technology[7]) to read the sensors, store the data and display the train footprints. The pass of the trains displayed and stored with this PC can also be observed with any 122

124 other remote computer in real time through VNC-protocol. The installed FBG sensors have been running one year without losses in their performances even after snows and extremely hot summer days. 3 Results and discussion Samples of the traces obtained with the FBG sensors are in fig. 2. Each individual wheel passing through the FBG sensor is clearly identifiable. These FBG sensor traces show a high immunity to electromagnetic fields. No noise coming from the catenary can be seen, in comparison with the one appearing in conventional strain gauges. Since the distances between the wheels are known, train speed and acceleration can be easily computed by using just one FBG sensor, for example average speed is calculated considering the total distance between the first and last axle divided by the time spent in detecting the whole passage of the train. Axle counting, the number of successive peaks in the traces, permit the identification of the type of train considering the train design when because we have only train with a different number of axles. Fig. 2. Axle counters, train type identification and velocity calculation. In (a) sensor P5 identify a S103 train (32 axles); in (b) sensor P1 identifies a maintenance locomotive at 160 km/h. The case in fig. 2(b) shows abnormal vibrations in the trace that advice of an unhealthy wheel passes over the rail. This abnormal vibration appears clearly in the traces obtained by two consecutive sensors. Finally we have studied the dynamic load of the train passing in the regular speed ( km/h) using the sensors in P3 and P4. These two sensors are located in the rail web with an angle of 45º with respect to the rail neutral fiber. Figure 3 shows obtained trace for the dynamic load (Q) calculated with the difference of the traces of P3 and P4 expressed in µε (using the theory of elasticity [8]): Q xz 2ε xzgbg I y = = 0,34688ε xz ( KN) (1) S y where Q xz is the vertical load between sleepers, G is the tangential elasticity module, b G is the width of the section in the rail neutral fiber, I y the inertia momentum of the section and S y is the static momentum of the lower part of the rail. 123

125 Dynamic Load [t] t i m e [ s ] Fig. 3. Calculation of the dynamic load for a S103 train running in track I with the combination of the traces of the shears sensors (positions P3 and P4). The dynamic load of each wheel that oscillates between 7 and 9 tons, a little higher than the static load defined (mean mass per axle is 15 t in the S103). 4 Conclusions In conclusion, we have shown that fiber optic sensing technology is adequate for railway security monitoring systems. In this particular paper, we have presented a preliminary study on the use of FBG sensors for monitoring railway footprints of high speed trains (at speeds between 200 and 300 km/h). We have demonstrated the possibility of using FBGs to know: train speed and acceleration, axle counter and train type identification. Further studies must be done in order to improve the dynamic load estimation results and the determination of the health of both the rail and the wheels. This study has been supported by Ministerio de Fomento through project MIFFO (reference FOM/3774/2007) and by the Comunidad Autónoma de Madrid through project FACTOTEM2_CM (S2009/ESP-1781). References 1. K. Y. Lee, K. K. Lee, S. L. Ho, Exploration of Using FBG Sensor for Axle Counter in Railway Engineering, WSEAS Trans. on Sys., 6, 2004, pp S.L. Ho, K.Y. Lee, K.K. Lee, H.Y. Tam, W.H. Chung, S.Y. Liu, C.M. Yip and T.K. Ho, A comprehensive condition monitoring of modern railway, IET Intl. Conf. on Railway Condition Monitoring, pp , (2006). 3. H.Y. TAM, S.Y. Liu, B.O. Guan, W.H. Chung, T.H.T Chan, and L.K. Cheng. Fiber Bragg Grating Sensors for Structural and Raihvay Applications (Invited Paper) Photonics Asia 2004, Beijing, 8 12 November T.H.T. Chan, L. Yu, H.Y. Tam, Y.Q. Ni, S.Y. Liu, W.H. Chung, L.K. Cheng. Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma bridge: Background and experimental observation. Engineering Structures 28 (2006) J. Dakin and Brain Culshaw, Optical fiber Sensor: Principles and Components, Artech House, Norwood, MA, J. M. Lopez - Higuera, Ed, "Handbook of optical fiber sensing Technology," J. Wiely & Sons, USA, López-Pita, Andrés. Infraestructuras Ferroviarias. Ediciones UPC. Barcelona

126 Detección y clasificación automática de vehículos por medio del sonido Enrique Alexandre, Roberto Gil, Lucas Cuadra, Raúl Vicen, Lorena Álvarez, David Ayllón, Manuel Utrilla, Manuel Rosa Dpto. De Teoría de la Señal y Comunicaciones. Escuela Politécnica Superior, Universidad de Alcalá Alcalá de Henares enrique.alexandre@uah.es Abstract. En este trabajo se propone un sistema capaz de detectar y clasificar de forma automática los vehículos que circulan por una vía por medio exclusivamente del sonido. El sistema contempla el estándar ISO sobre la determinación de los niveles de ruido ambiente, en cuanto a la necesidad de tener en cuenta al menos dos clases de vehículos a la hora de realizar la medida. Los resultados preliminaries obtenidos muestran una tasa de error inferior a la media obtenida por persona encargada de clasificar los vehículos. Keywords: Ruido de tráfico. Clasificación de sonidos. 1 Introducción El estándar internacional ISO , Acoustics: Description, measurement and assessment of environmental noise. Part 2: Determination of environmental noise levels establece en su punto que para medir el nivel equivalente de presión sonora debido a ruido de tráfico es necesario contar el número de vehículos que pasan durante el intervalo de medida. Asimismo se establece que la medición debe realizarse teniendo en cuenta al menos dos clases de vehículos, pesados y ligeros, entendiendo por pesados a todos aquellos cuyo peso exceda los 3500 kg. Para realizar esta labor se puede contar con una persona encargada de clasificar a mano los vehículos mientras se realiza la medida. Otras alternativas para detectar el tipo de vehículo son el uso de cámaras de video o la instalación de una báscula que determine el peso del vehículo. Aunque la norma especifica que sólo es necesario tener en cuenta, al menos, dos clases de vehículos, la presente invención contempla la posibilidad de clasificar entre un número mayor de clases. Para ello basta con entrenar el algoritmo de clasificación para adaptarse a esta nueva situación. El presente trabajo propone el uso de parámetros relacionados con el timbre de la señal para generar un vector, que será utilizado por un clasificador lineal de cara a designar la clase de dicho vector. La principal ventaja del método propuesto radica en el reducido coste computacional, lo que permite su implementación en plataformas hardware de bajo coste. El sistema permite la clasificación de los vehículos en un 125

127 número arbitrario de clases, incluyendo clases mixtas como paso simultáneo de turismo y vehículo pesado. Para ello tan solo es necesario entrenar el clasificador acorde con la situación prevista. La ventaja del método propuesto consiste en que con un simple micrófono, o varios, si se quiere estimar la velocidad, se puede determinar el tipo de vehículo que circula por la vía, pudiéndose así realizar todas las estadísticas que sean necesarias. Además debe considerarse la posibilidad de que alguno de los micrófonos del sistema se utilice también para medir el nivel de presión sonora (SPL). 2 Método propuesto A partir de cada fichero de sonido obtenido por el micrófono, el bloque de extracción de características transforma los niveles de presión acústica digitalizados en un vector de valores que serán utilizados por el clasificador para determinar la clase a la que pertenece el sonido. A partir de cada fichero de audio se obtendrán dos conjuntos de características: Coeficientes MFCC (Mel-Frequency Cepstral Coefficients) [1]. Se trata de un conjunto de coeficientes calculados a partir de la STFT [2] que se han venido empleando de forma habitual en tareas de reconocimiento de voz. La aplicación de estos parámetros para el modelado de sonido fue propuesta por primera vez por Logan en [3]. Densidad espectral de potencia utilizando el método Welch [4]. Estos parámetros serán los que se introduzcan al clasificador, encargado de determinar la clase a la que pertenece el sonido. El clasificador lineal de mínimos cuadrados realiza su decisión en base al resultado de una combinación lineal de las características de entrada: " g = f $ b + # L! n=1 % x n w n ' & donde x n representa el valor de cada una de las características de entrada, w n los pesos del clasificador y b la bias. Para describir el proceso, definamos la siguiente matriz que incluye todas las características de entrada:! # # Q = # # " x 11 x 12! x 1N!! "! x L1 x L2! x LN 1 1! 1 donde N representa el número de patrones de entrada y L la dimensión de cada uno de estos patrones. Los pesos del clasificador se pueden definir como: $ & & & & % 126

128 ! # # V = # # " w 11 w 21! w L1 b 1 w 12 w 22! w L2 b 2!! "!! w 1C w 2C! w LC b C donde C representa el número de clases a distinguir (3 en nuestro caso). La salida del clasificador se puede escribir por tanto como: Y= V!Q donde Y es una matriz con C filas y N columnas. El error se define por tanto como: E = Y!T = V "Q!T donde T representa una matriz CxN que contiene las clases reales a las que pertenece cada uno de los patrones de entrada. Si definimos el error cuadrático medio como: MSE = 1 NC N C!! n=1 c=1 es posible derivar con respecto a los coeficientes w ij y minimizar el error cuadrático medio. El resultado obtenido es: V =T!Q T! Q!Q T 2 e cn ( ) "1 $ & & & & % 3 Resultados preliminares Para la obtención de los resultados se ha creado una base de datos de 277 ficheros de audio correspondientes a 54 motos, 98 camiones y 125 coches. Cada fichero sólo incluye a un vehículo, y su duración es variable. Los ficheros se grabaron utilizando un único micrófono con una frecuencia de muestreo de 44.1 khz. A fin de mejorar la fiabilidad de los resultados, se ha empleado una estrategia leave-one-out. Esto quiere decir que cada fichero se utilizará para testear mientras que los 276 restantes se utilizarán para entrenar el clasificador, repitiendo este proceso varias veces. Como primer paso se realizó una prueba subjetiva de audición con un total de 10 personas, a fin de valorar la capacidad de distinguir el tipo de vehículo por medio del sonido. Estas pruebas concluyeron que la probabilidad de error media de una persona a la hora de distinguir entre moto, camión o coche es de un 17,33%. Tabla 1. Matriz de resultados obtenida con el algoritmo de clasificación propuesto. Moto Coche Camión Moto Coche Camión

129 Con el sistema automático de clasificación propuesto se obtuvieron los resultados que se muestran en la Tabla 1. De la misma se puede deducir que la probabilidad media de error del sistema es de un 12,27%. 4 Trabajo futuro El sistema propuesto puede mejorarse de forma senclla introduciendo un bloque dedicado a la estimación de la velocidad que analice las señales y estime la velocidad del vehículo. Para ello, se estima la frecuencia fundamental del sonido en el instante de paso frente al micrófono, f 0. Posteriormente, se estima la frecuencia fundamental del sonido después de haber pasado frente al micrófono, obteniéndose un valor f 1. Con esto, es posible obtener la velocidad del vehículo despejando en la ecuación:!! " % $ 1 ' f 1 = f 0! $ $ 1+ v ' ' # c & Donde v representa la velocidad del vehículo, y c la velocidad de propagación del sonido. Para estimar el instante de paso del vehículo frente al micrófono basta con localizar el máximo de la señal, mientras que para determinar la dirección de circulación del vehículo la realización preferida consiste en utilizar las señales de dos! micrófonos, calculando el valor máximo de la correlación entre ambas definida como: $ & ˆR xy [m] = % & '& N!m!1 " x[n + m]y * [n] m # 0 n=0 ˆR yx * [!m] m < 0 Dependiendo de si el máximo de la correlación se encuentra en un valor positivo o negativo de m, se puede deducir que el vehículo se acerca o se aleja.! Referencias 1. Tzanetakis, G., Cook, P.: Musical genre classification of audio signals. IEEE Transactions on speech and audio processing, vol. 10, no. 5, pp (2002) 2. Davis, S., Mermelstein, P.: Experiments in syllable-based recognition of continuous speech. IEEE Transactions on Acoustics, Speech and Signal Processing, vol. 28, pp (1980) 3. Logan, B.: Mel frequency cepstral coefficients for music modeling. In: Int. Symp. Music Information Retrieval ISMIR, (2000) 4. Welch, P.: The use of fast fourier transform for the estimation of power spectra: A method based on time averaging over short, modified periodograms. IEEE Trans. Audio Electroacoustics, vol. AU-15, pp (1967). 128

130 Herramienta de localización a demanda basada en telefonía móvil y GPS Juan Ignacio Godino LLorente 1, Fernando Cruz Roldán 2, Manuel Blanco Velasco 2, Victor Osma Ruíz 1, Nicolás Sáenz Lechón 1, y Juana M. Gutiérrez Arriola 1, 1 Dpto. de Ingeniería de Circuitos y Sistemas, Universidad Politécnica de Madrid 1 Dpto. de Teoría de la Señal y Comunicaciones, Universidad de Alcalá igodino@ics.upm.es; fernando.cruz@uah.es; manuel.blanco@uah.es; vosma@ics.upm.es; nicolas.saenz@upm.es; jmga@ics.upm.es Abstract. En este trabajo se muestra un servicio de localización de personas basado en los estándares de telefonía móvil actuales y las plataformas de posicionamiento global GPS, estando desarrollado a partir de un protocolo peer-2-peer implementado mediante el intercambio de mensajes SMS y/o MMS, resultando independiente de terceras partes. El sistema final funciona sobre terminales de telefonía móvil estándar equipados con un software de fácil instalación y uso que opera con independencia de los operadores, garantizando así la privacidad de los usuarios. La aplicación está diseñada específicamente para facilitar la localización exacta de aquellos usuarios que tuvieran activado el servicio en su terminal móvil. Keywords: GPS, GPRS, posicionamiento, localización. 1 Introducción Este trabajo surge al detectarse la necesidad de sistemas fiables y robustos de localización para personas que, bien por su edad, bien por enfermedad, tengan tendencia a desorientarse incluso en entornos conocidos. Del mismo modo, es aplicable a profesionales que por motivos de trabajo requieran ser localizados. En la actualidad existen sistemas de localización basados en telefonía móvil, pero su precisión queda limitada al tamaño de las celdas de cobertura de las antenas en las que se basa esta tecnología, lo que hace que sólo sean fiables en entornos urbanos con gran densidad de población. Asimismo, existen sistemas basados en GPS que hacen uso de centros de intermediación (Location Based Service Provider-LBDP) para proporcionar el servicio de localización, lo que supone un coste adicional y una pérdida de privacidad. La novedad de este trabajo respecto a los servicios de teleasistencia disponibles reside en la eliminación de la necesidad de centros de coordinación del servicio así como de Este proyecto ha sido parcialmente financiado por el Ministerio de Asuntos Sociales, resolución de 4 de junio de 2009, del Instituto de Mayores y Servicios Sociales. 129

131 la intervención del operador de telefonía en el proceso de localización. Con esta propuesta se permite directamente la supervisión de la persona por otras de su entorno profesional y/o socio-familiar, eliminando el coste económico y burocrático de los servicios de teleasistencia actuales, y reduciendo el coste económico del servicio al del intercambio de unos pocos mensajes cortos. Concretamente, se ha desarrollado un sistema que permite la localización de la persona bajo demanda, e incluso que avisa en algunos casos, como si se sobrepasan los límites de un área determinada o se permanece inmóvil durante un período excesivo de tiempo. Lo específico de la propuesta es que se trata de un sistema de bajo coste que no necesita intervención de ningún LBSP, lo que garantiza la privacidad del servicio. El sistema propuesto se basa en el uso de terminales de telefonía móvil estándar que se comunican mediante un protocolo peer-to-peer (P2P) predefinido que se establece mediante el intercambio de mensajes cortos de tipo SMS o MMS. 2 Antecedentes y Estado Actual Actualmente existen diversos sistemas de posicionamiento basados en la utilización de la telefonía móvil GSM (Global System Mobile) como tecnología subyacente [1]. GSM es la tecnología de comunicaciones móviles más extendida hoy en día en todo el mundo [2]. Grosso modo, la infraestructura GSM está compuesta por 3 elementos: el terminal móvil de usuario, las estaciones base (antenas de telefonía móvil), y por último, la central del operador. Las estaciones base GSM dan cobertura actualmente a casi el 100% del territorio español [3], y todos los terminales móviles conectados a la red están dados de alta en el sistema, pudiendo ser localizados geográficamente en un momento determinado con una resolución equivalente al tamaño del área geográfica cubierta por una estación base, que puede oscilar desde los centenares de metros de radio en zonas urbanas a dos o tres decenas de kilómetros en zonas rurales [1]. En la actualidad, GSM ha evolucionado y aparecen nuevas tecnologías con mayor capacidad como UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) [4], lo que sin duda hará que este tipo de aplicaciones tengan que actualizarse para su funcionamiento. Por otro lado, el uso del sistema GPS (Global Positioning System) [5], por su coste, fiabilidad y exactitud para aplicaciones civiles es, a día de hoy, una alternativa para este tipo de aplicaciones [1]. En esencia, un sistema GPS es un sistema de posicionamiento basado en un conjunto de satélites y estaciones terrestres. Mediante triangulación de la posición de los satélites se puede averiguar la localización, mientras que las estaciones terrestres permiten corregir ciertas desviaciones en el proceso. En la actualidad los sistemas GPS han sido muy miniaturizados y es fácil encontrar terminales de telefonía móvil que incorporan un sistema GPS. De modo general, podemos decir que las tecnologías de localización basadas en GPS y en celdas son complementarias, dado que los sistemas GPS presentan el inconveniente de que el receptor ha de estar a la vista del satélite; por lo que si el enfermo que porta el receptor GPS se sitúa en algún lugar a cubierto (Metro, túnel, edificio, etc.), dejará de estar localizable mediante esta tecnología. En contraposición 130

132 a ello, en prácticamente casi cualquier lugar de una zona con densidad de población media o alta es posible la localización. Incluso, en la actualidad se están desarrollando tecnologías que permitan la localización de móviles en espacios interiores, como es el caso de la compañía Nokia [6]. El empleo de tecnologías de localización en aplicaciones relacionadas con la autonomía personal y las ayudas técnicas se viene proponiendo y experimentando a lo largo del último lustro [7]. Entre las iniciativas desarrolladas en España podemos destacar [8], [9], [10] y [11]. La herramienta propuesta en este trabajo se plantea como un complemento a las actuales existentes y/o en desarrollo. Su novedad es que no necesita de dispositivos específicos al funcionar sobre plataformas de telefonía móvil estándar a la vez que, al contrario de las existentes, no necesita de intervención alguna de las operadoras de telefonía móvil. Ni siquiera se hace necesaria la presencia de un centro de operaciones ni de intermediación, con lo que se trataría de una herramienta de comunicación usuario a usuario independiente. Se trata de una plataforma que permite dar servicios de localización a demanda basados en la combinación telefonía móvil/gps que permite el segumiento de la posición de un terminal móvil desde otro prestando especial antención a los debidos requisitos de privacidad y seguridad. Además, el sistema propuesto presenta potencialidad de integración en dispositivos tipo brazalete de modo que pueda proporcionar medidas de constante vitales (temperatura, ritmo cardíaco, etc.) además de localización. 3 Descripción del Sistema El sistema está formado por un dispositivo de usuario final para el paciente (o de recepción del servicio), S1, y un dispositivo de usuario inicial para el cuidador (o de solicitud del servicio), S2, que es el encargado de solicitar la localización. Tanto S1 como S2 son dos terminales de telefonía móvil estándar a los que se les ha instalado un paquete software que desarrolla el servicio. El protocolo P2P desarrollado consta de tres fases: una primera de sincronización, una segunda de localización propiamente dicha, y una tercer de finalización del servicio. Durante la etapa de sincronización se verifica la identidad tanto de los dispositivos como de los usuarios que van a establecer comunicación (véase apartado relativo a cuestiones éticas). Una vez que ambos dispositivos se encuentran sincronizados el servicio pasa a la fase de localización que está dotada de las siguientes características: Capacidad de determinación de la posición en modo ÚNICO y en modo SEGUIMIENTO. En modo ÚNICO las peticiones de localización son solicitadas por el dispositivo de usuario inicial, obteniéndose una respuesta de posición para cada petición individual. En modo SEGUIMIENTO se fija una hora de comienzo, la hora de final, y una latencia temporal, de forma que el sistema de usuario final devuelve la posición con intervalos iguales a la latencia temporal. Está dotado de alarmas de FUERA DE ZONA. Se puede establecer un área dada, de modo tal que si los límites de la misma son sobrepasados por 131

133 el paciente, se active automáticamente una alarma que establezca de modo inmediato aviso de lo ocurrido al responsable del paciente. Está dotado de alarmas de AUSENCIA DE MOVIMIENTO. La unidad de recepción, una vez activado el servicio, puede realizar un seguimiento del movimiento del paciente y generar un aviso de alarma en caso de que la posición no se vea alterada en un determinado intervalo de tiempo. Está dotado de alarmas de ACCIDENTE que se pueden activar desde la unidad de recepción en caso de que se detecten patrones de movimiento extremos medidos por los acelerómetros disponibles en los terminales de telefonía móvil actuales. Con objeto de evitar un uso que pudiera contravenir la privacidad de las personas, el dispositivo de usuario final, está dotado de activación manual o automática. La utilidad automática está indicada para personas con discapacidades cognitivas, mientras que la activación manual puede ser utilizada para otro tipo de aplicaciones. El sistema recoge de forma continuada la localización del paciente y la hora a la que se obtiene dicha localización, de manera que, en caso de falta de cobertura de satélites GPS, si se realiza una petición, se pueda enviar el último posicionamiento correcto. Referencias 1. Location based services. Ver GSM Association. Enero José María Hernando Rábanos: Comunicaciones móviles GSM. Fundación Airtel, D.L GSM roaming Spain GSM Association. cou_es.shtml. 4. Cayetano Lluch Mesquida, José M. Hernando Rábanos: Comunicaciones móviles de tercera generación: UMTS. Madrid. Telefónica Móviles España, D.L GPS World 6. Indoor positioning coming to life? Nokia Conversations. Septiembre Tecnologías de la información y las comunicaciones y discapacidad. Dependencia y diversidad. J. Reig coord. Fundación Vodafone Proyecto europeo MobilAlarm. Validating European Mobil Alarm Services for Inclusion and Independent Living 9. Proyecto piloto de la Xunta de Galicia. Dispositivos GPRS permitirán localizar a mayores afectados por demencias leves Brazalete Maya. Departamento de ByT de la UPM Movistar accesible. Brazalete Columba Telefónica Movistar

134 Development of low consumption HVPS for MAPMTs Space applications H. Prieto, J. A. Morales de los Ríos, G. Sáez-Cano, N. Pacheco, M. D. Rodríguez Frías and L. del Peral, SPace and Astroparticle (SPAS) Group. Universidad de Alcalá. Spain. Abstract. The main aim of this work is the fully design of a new generation of low consumption High Voltage Power Supply (HVPS) for the Multi-Anode Photo-Multiplier Tubes (MAPMTs) for Space applications. It is necessary to develop a high voltage divider to bring nominal voltage to the MAPMT dynodes, as well as build a protective circuit to avoid large quantities of sudden light arriving the PMT, such as electric discharges that suddenly appear in the atmosphere. Moreover, we have performed the simulations needed to test the circuit designed by using the PSpice software. Furthermore, we have proposed a new circuit design, to simulate and evaluate several critical variables such as consumption, weight and reliability. Keywords: Space electronics, High Voltage Power Supply, PMT. 1 Introduction Nowadays there are many space applications demanding DC (Direct Current) voltage dividers. In fact PMTs [1, 2] associated electronics which support the mission requirements for space electronics, such as hard radiation protection, low power consumption, weight and reliability. Usually resistive voltage dividers are used, since they show acceptable performance, but this solution causes very high power consumption, reducing the efficiency when it is used for space applications. New solutions have emerged to reduce this consumption; this new technology is called active voltage dividers, consisting of a series of high impedance resistors connected in parallel with a series of FETs (Field-Effect Transistor) [3]. The resistors provide reference voltages for each stage of the active set, and apply it to the dynode. An ideal active voltage divider is one who can perceive these voltages, in a wide range of currents in the anode without undesirable effects on the load. The active voltage dividers [4, 5] can be used for pulse applications, adding decoupling capacitors. These can be constructed in the final stage FETs and resistors in the early stages. The work has been mainly focused in two topics: the study of the different types of active voltage divided from the bibliography, related to the power consumption, gain and reliability rates; and simulation of the behavior of the different models of divisors 133

135 under several working conditions, to evaluate the better performance for an HVPS suitable for space applications. 2 Objectives and technical requirements of the proposed circuit Among the objectives proposed in this work are first to simulate different voltage dividers, and finally develop this low power HVPS covering the space requirements. The methodology to achieve these objectives will be the following: Simulations with the Pspice software of the different circuits proposed in the bibliography that meets all the space technical requirements of this work [6]. To design of a prototype and evaluate its critical variables such as consumption, weight and reliability by simulation. To build a HVPS test circuit to perform electronic tests to characterize the circuit behaviour under several working conditions. Development of the voltage divider tests for the low consumption HVPS voltage divider by JIRA Test Software [7]. The HVPS developed in this work has been adapted to serve as power supply for a HAMAMATSU model 8900-M36 MAPMT space qualified with 15 dynodes with a nominal voltage of 55 V. The high voltage divider will feed the dynode of MAPMT from a high voltage source of -900 V and a power consumption of less than one W and minimum time response. The technical requirements are the following: Number of Stages:15 Voltage between stages: 55V Base current: 1µA Total current : 15µA The value of the equivalent resistor divider is given by the ration between the dynode voltage and the total intensity: R = 55 V/15 µa = 3.7 MΩ 134

136 Buy SmartDraw!- purchased copies print this document without a watermark. Visit or call I Encuentro de Investigadores en Infraestructuras Inteligentes 3 Voltage dividers used for PMT power source. Resistive: A resistive divider is composed of purely resistive elements (Fig 1). Fig 1. Resistive Voltage divider Active: An active divider consists of a string of high impedance resistors connected in parallel with a string of FETs. The resistors provide reference voltages for each stage of the active string to pick off and apply to the dynodes. An ideal active divider is one that can sense these voltages over the full dynamic range of anode currents without unwanted load effects. (Fig.2) Buy SmartDraw!- purchased copies print this document without a watermark. Visit or call Fig 2. Active Voltage divider 135

137 Divider Advantages Disadvantages Active Transistors vary due to currents needs. Minimum consumption. Stability against different kind of loads. Greater number of components and design complexity. The transistors generates a parasite capacitance, increasing the current at the start up. Need for a current regulator at the input. Resistive Stability Simples, cheap and stables components. Need more current because it is necessary to calculate the resistances array in case of more consumption. Considerable time response. More consumption due to load variation. Table. 1. Voltage divider Advantages and disadvantages obtained from our PSPICE simulations. Equipment Power Ripple Time Response consumption Resistive 0.718W 0.2mV 0.2s Active 102 mw 0.2mV 0.8s Table.2.Voltage divider comparisons 136

138 Fig.3. Low consumption HVPS proposed active circuit. 137

139 5 Conclusions The project being undertaken, contribute greatly to identify and highlight the points to be covered, and to carry out a successful implementation in the supply system of photomultipliers for space applications. Among the points that have been considered and which are more important in a space project are to detect what are the real needs of the system, functionality, and the relevance of power system of photomultipliers for space applications. The data obtained by the simulations (see table 1-2) are shown consistent with those required, achieving a minimum power consumption, with an acceptable time response, making it ideal for space missions, reaching the main objective of this work,design a prototype (Fig 3) by simulation and evaluate critical variables as consumption, and reliability for use in the 8900-M36 MAPMT in space missions. References 1. Phillips, Photomultiplier tubes principlies & applications, chapter 5 2. S. Argiro, D.V. Camin, M. Destro, C.K. Guérard. Passive and Active PMT Biasing Networks.GAP (2002). 3. Robert Boylestad, Electronics Devices and circuit theory, tenth edition, Chapter 7, FET Biasing. 4. G. Landi, P. L. Tasselli.HV-LV distribution in EUSO. (2002) 5. G. Landi and P. L. Tasselli. Voltage Divider for the EUSO pmts. (2002) 6.National Instruments Home Page 7.JIRA: Issue and Project tracking. Atlasian Home page 138

140 A computing model for the Science Data Center of high energy Physics Space-based experiments. J. A. Morales de los Ríos 1, M. D. Rodríguez-Frías 1, L. del Peral 1, H. Prieto 1, N. Pacheco 1, G. Sáez-Cano 1, M. J. Garcia-Alba 1, R. Ramos 2, F. Prieto 2, M. Boton 2, J. Moreno-Ventas 2 & M. Cotallo. 2 1 Space & AStroparticle (SPAS) Group, University of Alcalá, Madrid, Spain. 2 Centro Extremeño de Tecnologías Avanzadas (CETA-CIEMAT) Trujillo, Spain. josealberto.morales@uah.es Web: Abstract. For High Energy Physic (HEP) experiments the huge amount of data and complex analysis algorithms require the use of advanced GRID computational resources. Therefore an exhaustive analysis of the computational requirements and resources, in the frame of the GRID architecture, intended for space based mission software and computing infrastructure have been achieved. Moreover solutions to account for the software and data repositories as well as a proper administrative organization are pointed out. Keywords: Computing, GRID, JEM-EUSO, HEP. 1 Introduction Indirect detection of radiation from outside the Earth surface was first discovered by Victor Hess in 1912 [1]. These high energy particles were called Cosmic Rays and still represent a big challenge for physicists and astronomers. A huge progress has been made since then from the theoretical and experimental point of view but fundamental questions are still opened: where do they come from?, how are they accelerated to such high energies?, what is the composition of the highest energy cosmic rays?, how to interpret the features observed in the energy spectrum?, and so on. Furthermore, these questions are intrinsically linked making it a more complex problem. For High Energy Physics (HEP) experiments the huge amount of data and complex analysis algorithms require the use of advanced GRID computational resources, but the use of this resources demands higher software complexity, highly specialized computing scientists and high planning and organization. Space missions as the JEM-EUSO Space observatory are not the exception, huge quantities of data are required to simulate, validate and gather the results that the scientific community expects from the experiment [2]. The computing model we are proposing is just the first step towards a properly working GRID computing architecture. 139

141 2 Data rate requirements for LHC experiments, ground-based There is a big difference between Space-based and ground-based experiments in the amount of data gather and how is processed. In a deeper comparison, The ALICE Large Hadron Collider (LHC) experiment gathers data at a rate from 100Mb/s to 1.25Gb/s [3], and all the processing tasks have to be split into three Tier levels. Also for the ATLAS LHC experiment the data rate can be up to 10Gb/s and the data processing tasks are sent to a three Tier level [4]. On the other hand, for ground-based experiments as the Pierre Auger Observatory (PAO), has resources installed on GRID for up to 100Tb [5], While for the AMS LHC experiment the data rate is calculated to be 60Tb per year, and 200Tb for the entire experiment [6], and for the JEM-EUSO Space Observatory the estimation is 3Gb/day of RAW data, because of data downlink limits of 330Kbps, and will be hosted in the SODC (Science Operations and Data Centre) [7]. As conclusion, Space-based experiments have lower data rates than ground-based ones and the Science data can be managed in one single center, but proper organization and studies have to be performed for the Science data center design and resources estimation well in advance to the launch of the mission. 3 Computational Requirements. We will center the study in Cosmic Rays research missions like JEM-EUSO, but the following procedure is also applicable to other Space based missions. Each mission needs to evaluate the complete physical processes of the detection of a cosmic ray reaching the Earth. In this process includes several kind of software involved. The injection in the Earth s atmosphere of the primary cosmic ray and the generation of the Extensive Air Shower (EAS); Simulation of the detector response; the reconstruction of the physical parameters of the primary cosmic ray from the detector data; and finally the backtracking of the particle from the Earth back through the Space to find out the arrival direction of the primary particle [8]. After getting familiarized with the software, we proceed to make a computational requirements study, first by defining a set of Use-Cases Scenarios and then evaluating the needs for each set of tasks, like; Monte-Carlo Simulation, RAW data and Analysis, Calibration tasks and resources for Unscheduled tasks made by the scientists working on the collaboration [7]. Monte-Carlo data will be generated in an amount of 100 or 1000 times faster to collect real data (more than 1,000 events with energy higher than 7x10 19 ev E ev are expected during the JEM-EUSO operation). Based on 1000 real events, Monte Carlo should be around to events (1 event = 28,8 Tflops using a Wheatstone test [9] and measuring the time needed by a MC software). For the shower reconstruction and the detector simulation tasks, all the physicists of the collaboration are potentially involved as they might apply customized algorithms on data subsets. This way of performing analysis is called chaotic analysis. However additionally it is foreseen to perform scheduled analysis over the entire set of data. This scheduled analysis will group in each pass all the official algorithms. The time 140

142 needed to analyze reconstructed events depends on the complexity of the analysis algorithm and on the overhead introduced by the GRID. The latter can only be predicted once the analysis on the GRID has been done with the final middleware and at the final scale. The processing power we have considered is an average value that can vary largely from one analysis to the other. Fig. 1 CPU Requirements. Estimated in PFLOPS (petaflops = flops). Yearly based estimation The MC-Simulation is estimated using the performance measured with the average of several events using MC-Simulators and estimating a base of 1million events needed, Raw data analysis is estimated to be around 28% of Monte Carlo based in our experience with software for data analysis. For Unscheduled tasks estimation is the same for Raw data analysis, and calibration is estimated to be half the needs for Unscheduled tasks, but prioritized [10,11] (Fig. 1). All data produced by the detector should be stored permanently for the duration of the experiment. This includes the raw data, one or more copies of the raw data, one set of Monte-Carlo data, and reconstructed data from all reconstruction passes, analysis objects, calibration and monitoring data. A fraction of the produced data will be kept on short term storage, providing rapid access to data frequently processed and for I/O dominated tasks. The media for permanent and transient storage will be decided by the technology available. [10,11]. As we did for the CPU needs, Monte Carlo (where 1 event is around 300 Mb, based in measurements made with the MC-Simulation software) is estimated for 1million events. The Data Analysis is estimated as 10 Mb/event, but it depends on the software used and can vary a lot within the development of each analysis software; this number is just an estimation. Real data based in 3 Gb/day estimation, because of telemetry data link limits from the ISS. Other data includes storage space that has to be reserved for calibration data and monitoring. All the estimations are shown in Fig. 2. The requirements for transient storage on fast access media depend on the computing model, the balance of available distributed processing resources and on the network bandwidth and occupancy ( And, Fig. 3). In the absence of Grid simulation tools, our estimates on needed transient storage capacities are based on the requirement to store on disks data that will be frequently accessed primarily through nonscheduled tasks. For an early estimation, the transient storage should have enough space to store 30% of the permanent storage for the MC-Simulation, the analysis tasks and the 141

143 unscheduled tasks, plus additional storage for the software development test and user unscheduled tasks. Test software Test software Raw data Raw data Data analysis Data analysis Unscheduled Tasks Unscheduled Tasks MC-Simulation MC-Simulation Gb= Gb= , ,0 79% 79% Gb= ,0 Gb= ,0 9% 9% Gb= 328,5 0% Gb= 328,5 0% Gb=10.000,0 Gb=10.000,0 9% 9% Gb= 3.000,0 Gb= 3.000,0 3% 3% Fig. 2 (Left) Requirements for the Permanent Storage. Estimated in Gb (Giga-bytes = 10 9 bytes). Yearly based estimation. And, Fig. 3 (Right) Requirements for the Transient Storage. Estimated in Gb. Yearly based estimation 5 The Software Repository and Data Repository. The software repository (SR) compounds all the actions and resources needed to keep the software used in the collaboration organized, tested, and available to all the resource centers and scientists participating in the collaboration. During the process of developing software and preparing a release, various packages are made available to the developer community for testing purposes. Special care should be taken to prevent non-developers to download and use nightly builds, snapshots, release candidates, or any other similar package. The only people who are supposed to know about such packages are the people following the developers list (or searching its archives) and thus aware of the conditions placed on the package. The general public should not use such test packages. To assure the quality of the software The SR Certification Process compounds the steps needed to convert a prerelease to an official stable release, to be used by all the collaboration physics and engineers involved on the collaboration. The data will be mirrored in at least in three sites, located in separated regions to improve data access from the physics working on the grid. (Data links between countries in the same continent are faster than inter-continental links). When fully set up, the Data Repository (DR) will have 3 complete copies: American, Japanese, and European. Containing each one a full set of: RAW DATA, MC data, and ground analysis data. Additionally other resources center could have direct connection to the nearest DR with read access only. The catalog is keep in one master site (any of the three complete DR, to be defined) and mirrored to the others complete DRs. The catalog and the complete DRs will be synchronized daily. 142