Arquitecturas inteligentes para gestión de sistemas ciberfísicos en ambientes IoT
- Autores: Henry Duque Gómez
- Directores de la Tesis: José García Rodríguez (dir. tes.), Jorge Azorín López (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat d'Alacant / Universidad de Alicante ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José María Cecilia Canales (presid.), Andrés Fuster Guilló (secret.), Luis Medina Valdés (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Informática por la Universidad de Alicante
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUA
- Resumen
1. Marco del proyecto o Motivación.
El rápido incremento del interés en la comunidad científica por investigar los CPS indica la importancia del trabajo en este campo. Los CPS inteligentes son cada vez más requeridos y necesarios para soportar modificaciones que no están previstas en el momento del diseño, ya que estas modificaciones son activadas por el contexto real del sistema en el momento de la ejecución. Estas modificaciones conscientes del contexto requieren que el CPS sea capaz de ampliar y modificar su funcionalidad sin detenerse y comprometer al resto del sistema. Por lo tanto, el desarrollo de CPS tiene que convivir con la misma incertidumbre de las especificaciones.
1.1 Definición del problema.
El enfoque actual de la ingeniería y arquitectura del software tradicional es insuficiente, pues no ha sido capaz de responder a retos específicos en los que existe un desacuerdo entre los límites del software y el hardware. Persiste una incertidumbre inherente a las capacidades funcionales y no funcionales de la arquitectura en tiempo real, para resolver de forma inteligente la complejidad de la interacción entre elementos del sistema a gran escala.
Nuestro análisis infiere la necesidad de CPS inteligentes de gran escala, flexibles y altamente distribuidos en el marco del internet de las cosas (IoT), la computación en la nube (cloud), la movilidad, los grandes volúmenes de datos (big data) y las redes de sensores interconectados.
Esto significa que el problema está en el campo de arquitectura del sistema, que tiene que convivir en un mundo abierto y altamente dinámico, lo cual implica que el enfoque de dichas arquitecturas debe redirigirse al diseño e implementación de un nuevo paradigma de inteligencia en los ecosistemas en los que actúan.
1.2 Estado del arte Cada vez más dispositivos dispondrán de elementos de procesamiento empotrados y estarán interconectados de forma que podrán interaccionar entre ellos. Las tendencias en las tecnologías de comunicaciones TIC recientes, se asocian constantemente con IoT y con los sistemas ciberfísicos CPS. En este sentido, instituciones académicas de alto impacto, las industrias y los gobiernos de todo el mundo desarrollan planes y estrategias para su desarrollo a medio y largo plazo, de donde se deduce que la “Industria 4.0” tiene su primordial objetivo en la maduración de la ya instalada nueva revolución industrial.
El programa europeo H2020 en su tema H2020-ICT-01-2014 (smart cyber physical systems) indica que los CPS son la próxima generación de sistemas TIC empotrados que se interconectan y colaboran a través del Internet de las Cosas, y proporcionan a los ciudadanos y a los negocios un conjunto amplio de aplicaciones y servicios innovadores.
1.3 Inteligencia en la arquitectura propuesta Revisado el estado del arte en torno a la ingeniería y la arquitectura software, nos centramos en la necesidad de una arquitectura inteligente, escalable, flexible y altamente distribuida en el marco del Internet de las cosas (IoT), la computación en la nube (cloud), la movilidad, los grandes volúmenes de datos (big data) y las redes de sensores interconectados.
La inteligencia radica en la forma de inferir nuevos eventos más complejos, con mayor significado semántico y ontológico, a partir de la suma de eventos simples. Esto nos permite implementar patrones de comportamiento relevantes detectados por dispositivos sensores (cámaras de videovigilancia, sensores visuales, sensores de detección de señales, de proximidad, etc.) instalados en escenarios físicos.
2. Arquitecturas para sistemas ciberfísicos Las arquitecturas para sistemas ciberfísicos han ido evolucionando a lo largo del tiempo. En consecuencia, son varias las clasificaciones y taxonomías que podemos encontrar en la literatura con el objetivo de fundamentarlas en base a modelos. En esta tesis doctoral se plantea su estudio y análisis a través de las arquitecturas básicas e híbridas actuales.
Las arquitecturas básicas presentan características únicas en su funcionalidad y englobaremos en esta categoría a las arquitecturas por componentes, por servicios y por agentes.
Las arquitecturas híbridas se basan en el concepto de que la mayoría de las implementaciones modernas se construyen integrando piezas de diversa naturaleza: comerciales, código libre, componentes legados, etc. (Carvallo & Franch, 2009). Con este enfoque, describiremos con igual profundidad las arquitecturas dirigidas por eventos y aquellas orientadas a microservicios. Esto obedece a que nuestra propuesta de arquitectura está compuesta de un hibrido que embebe las mejores propiedades de estas dos últimas.
2.1 Modelos arquitecturales básicos Los CPSs se vinculan a diferentes problemas/retos en los dominios de aplicación, que son de gran importancia desde el punto de vista de las arquitecturas software. Desde este ámbito se han presentado investigaciones con foco en modelos de tareas proporcionadas por los CPS que actúan en tiempo real. Las cuales definen la arquitectura como unidades estructurales (Sun, Yang, & Zhou, 2017): - Arquitecturas de CPSs basadas en componentes (Bures et al., 2013).
- Arquitectura de CPSs basadas en servicios (Jian Huang et al., 2009).
- Arquitectura de CPSs basadas en agentes (Vrba, Radaković, et al., 2011).
2.2 Modelos arquitecturales híbridos Una Internet global de las cosas exige una nueva nube de arquitecturas hibridas que pueden escalar para soportar todo tipo de combinaciones con productores, procesadores y consumidores de eventos orientados a prestar servicios. Las arquitecturas deben ser capaces de ofrecer una entrega de baja latencia, que no sólo debe alimentar las aplicaciones analíticas en tiempo real, sino también producir datos procesables en tiempo real que podrían permitir mejorar la lógica, la inteligencia y la automatización en los sistemas CPS. Todo este proceso es posible desencadenarlo a través de la activación y la transformación de microservicios en micro aplicaciones ciberfísicas, es decir que estamos hablando de una arquitectura hibrida.
2.2.1 Arquitectura dirigida por eventos EDA La arquitectura dirigida por eventos (Event Driven Architecture, EDA), es un patrón de diseño construido alrededor de la producción, detección y reacción a eventos, centrado en las notificaciones de eventos. Este concepto define arquitecturas flexibles, en las cuales los elementos que generan las notificaciones de eventos no necesitan los componentes del receptor. Esto la convierte en una entidad de procesamiento asíncrono (Boubeta-Puig, Ortiz, & Medina-Bulo, 2014), ya que no necesita respuesta por parte del consumidor o receptor del evento. El evento se envía al canal de eventos sin importar si llega o no al consumidor. Además, no tiene un tiempo de respuesta para procesar los eventos, siendo más rápido para adaptarse a los cambios, ofreciendo servicios desacoplados. Al ser un patrón de reacción a eventos, sumado a las características ya mencionadas, rompe el paradigma del procesamiento en tiempo real (Boubeta-Puig et al., 2014.
• Procesamiento de eventos complejos (Complex Event Processing, CEP) Algunos autores definen el procesamiento de eventos complejos como una tecnología para reconocer patrones en la nube o en un flujo de eventos, para así darle al sistema en el cual funciona, la capacidad de detectar y reaccionar frente a combinaciones específicas de eventos. Un motor de procesamiento (Complex Event Processing, CEP) puede soportar reglas reactivas inmersa en el motor, también se pueden desarrollar procedimientos inteligentes para gestionar y reaccionar a comportamientos dados a través de flujo de eventos, estos son concebidos como patrones.
2.2.2 Arquitectura dirigida por microservicios MSA Para hacer frente a los desafíos de la construcción a gran escala de aplicaciones y plataformas inteligentes distribuidas para ciudades inteligentes, la arquitectura de microservicios ha surgido y ha ganado popularidad en los últimos años. Todas las arquitecturas basadas en servicios se identifican en que son generalmente distribuidas. Esto significa que los servicios se pueden acceder de forma remota, a través de algún protocolo de acceso.
En el caso de la arquitectura MSA y la arquitectura SOA, ambas son arquitecturas orientadas al servicio (Wilde et al., 2016a), lo que supone que su énfasis está centrado en proveer servicios como componente principal de su arquitectura. Son arquitecturas diferentes, no obstante, comparten importantes características y principios.
3. Arquitectura inteligente para la gestión de sistemas ciberfísicos (AI-CPS) En este capítulo se presentan las especificaciones de diseño de la arquitectura AI-CPS propuesta, conformando un marco de trabajo de referencia inteligente para gestionar servicios, independiente del tipo de sensores empleados, quienes serán productores de eventos para activar los módulos de la arquitectura. Definimos una arquitectura hibrida que engloba la prestación de servicios MSA dirigidos por eventos EDA, fundamentada en una perspectiva de análisis y toma de decisiones bajo un procesamiento en línea de los eventos que ingresan al sistema.
La idea principal es poder obtener ventaja de dos arquitecturas exitosas en la industria TIC (Tecnologías de Información y Comunicaciones). EDA nos permite reaccionar con inteligencia, capacidad de procesamiento en línea y los microservicios MSA nos permiten interoperabilidad, autonomía, bajo acoplamiento y escalamiento, requerimientos imprescindibles para ambientes distribuidos.
El eje central de la arquitectura AI-CPS propuesta está concebido por tres grandes módulos: - Un productor de eventos (event producer).
- Una capa de procesamiento de eventos.
- El consumidor de eventos (event consumer).
La novedad de nuestra propuesta reside en que la arquitectura planteada es orientada a servicios, que modela las funcionalidades del sistema dirigido por eventos. Esto nos da la posibilidad de ofrecer un catálogo de servicios flexible, permitiendo conectar al sistema cualquier tipo de dispositivos e interactuar en diferentes escenarios de la IoT y la nube, por ejemplo en la ciudad inteligente (smart city). No obstante, la implementación de un servicio del catálogo de servicios va a depender del área de aplicación, lo que conllevaría un análisis previo sobre las particularidades del nuevo proceso.
La arquitectura propuesta soporta un sistema que permite gestionar servicios abiertos e independientes de la tecnología que rodea su entorno de actuación. La lógica de la arquitectura gira alrededor de un Broker que coordina las comunicaciones a través de mensajes, los microservicios (MSA), todos basados en lógicas de reacción a eventos (EDA) y análisis inteligentes a través de patrones (CEP).
4. Aplicaciones de AI-CPS Este capítulo presenta la sección de aplicación de la propuesta de trabajo doctoral. Los casos de uso planteados se desarrollan bajo el marco de referencia de la arquitectura AI-CPS propuesta, la cual ha sido detallada en capítulos previos de esta memoria. En concreto, se presenta una arquitectura basada en eventos para gestionar sistemas de videovigilancia y una arquitectura orientada a microservicios para gestión de sensores en ambientes inteligentes conectados en la nube. A continuación, describimos ambos en detalle.
4.1 Caso de Uso – Arquitectura basada en eventos para sistemas de videovigilancia Es necesario realizar un análisis inteligente de imágenes y audio para generar alarmas automáticas que fortalezcan el tiempo de respuesta y mejoren el conocimiento de diferentes variables, necesarias para tomar decisiones en tiempo real (Popescu & Ichim, 2018). Como ya lo definimos en capítulos previos, nuestra perspectiva abarca el análisis y toma de decisiones bajo un procesamiento en línea de los eventos que ingresan al sistema.
La implementación de las redes de cámaras de videovigilancia plantea retos en la composición y replicación de imágenes de diferentes cámaras de video, retos de interoperabilidad entre diferentes dispositivos que intercambian información. También en la manera de registrar, gestionar, almacenar y analizar los flujos de eventos monitorizados y capturados en los escenarios físicos en los que interactúa nuestra sociedad.
El problema que limita el enfoque tecnológico de las cámaras de videovigilancia tiene que ver con la recuperación de eventos para ser analizados inteligentemente de acuerdo con la semántica y la ontología de los elementos fuentes del evento. En este sentido, un sistema que proporcione un enfoque totalmente inteligente dirigido por eventos no se ha definido.
4.2 Caso de uso – Arquitectura orientada a Microservicios para gestión de sensores en ambientes inteligentes conectados en la nube.
El enfoque aprovecha la arquitectura de microservicios con protocolos orientados a mensajería de publicación y suscripción, que implementan un bróker MQTT (Messages Queuing Telemetry Transport). El diseño de la arquitectura inteligente propuesta AI-CPS hace uso de una plataforma en la nube para exponer servicios en el entorno IoT. En estos se pueden monitorizar los registros del consumo de energía y agua potable, por parte de la empresa prestadora del servicio y los clientes, en un entorno doméstico, con dispositivos sensores previamente instalados. La monitorización de los datos de consumo capturados se podrá realizar interactuando con un servidor web en la nube, al que pueden acceder usuarios autorizados desde una aplicación de interfaz web de cliente final y desde dispositivos móviles inteligentes. Además, esta arquitectura permite conectar otros tipos de sensores y extraer la información requerida para cubrir otras áreas de aplicación.
5. Conclusiones En cuanto al trabajo desarrollado, se ha realizado un análisis detallado del estado del arte de diversas arquitecturas actuales concebidas para soportar CPSs. Todas las arquitecturas han sido estudiadas desde los requerimientos de adaptabilidad, autonomía e interoperabilidad. Además, en la revisión del estado del arte se ha profundizado en las arquitecturas basadas en componentes, servicios SOA, agentes, microservicios y aquellas basadas en eventos y sus aportes para gestionar CPS en tiempo real.
Actualmente, la importancia de la arquitectura radica en que el resultado de esta práctica guiará la construcción de un sistema, para nuestro caso un sistema CPS. En este contexto los términos arquitectura y diseño están completamente relacionados. Desde esta perspectiva, se concibe una arquitectura inteligente genérica, llamada AI-CPS (Arquitectura Inteligente para la gestión de los CPS). Se propone como una arquitectura dirigida por eventos EDA, adaptable, autónoma e interoperable, para captar eventos de flujos de datos emitidos por todo tipo de dispositivos sensores instalados en la IoT. AI-CPS se nutre de las mejores propiedades y principios de arquitecturas orientadas al servicio SOA, microservicios MSA y procesamiento de eventos CEP, interactuando con componentes de dichos modelos.
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