Líneas de investigación del TIC-150: Proyecto SIIAM

11 C1 LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN DEL TIC-150: PROYECTO SIIAM Parejo Matos, A.; Larios Marín, D.F. (dfla[email protected].es); Personal Vázquez, E. (eperson[email protected]) TIC150: Tecnología Electrónica e Informática Industrial RESUMEN En este documento se describen las diferentes líneas de investigación en las que actualmente trabaja el grupo TIC 150: Tecnología Electrónica e Informática Industrial del Departamento de Tecnología Electrónica (DTE) de la Universidad de Sevilla. Este grupo cuenta con una dilatada experiencia en proyectos de investigación, tanto de convocatorias competitivas públicas, como en proyectos de investigación en colaboración con empresas. El TIC150 destaca por su elevada trasferencia tecnológica, así como por su producción científica. En este sentido, y a modo de ejemplo, en este trabajo se describen brevemente dentro de cada línea algunos de los proyectos más representativos que reflejan el trabajo realizado. Así pues, se hará especial hincapié en el proyecto SIIAM, proyecto del plan estatal actualmente activo, ya que aúna las distintas líneas de investigación del grupo de investigación y, por tanto, supone un buen ejemplo de aplicación. Palabras clave: Ciudades Inteligentes, Redes de Sensores, Minería de datos, Inteligencia Computacional, Simulación. ABSTRACT This document describes the different lines in which currently works the TIC150 research group: Electronic Technology and Industrial Computer Science, joined to the Department of Electronics Technology (DTE) of the University of Seville. This group has extensive experience in research projects, both competitive public calls and collaborative research projects with companies. The TIC150 stands out for its high technology transfer, as well as its scientific production. In this sense, as an example, this paper briefly describes some of the most representative projects (of different lines) which reflect the performed work. Thus, it will place special emphasis on the SIIAM project (funding through a governmental call). It is currently active and combines several lines research of the group, being a great example of application. Keywords: Smart Cities, Wireless Sensor Network, Data Mining, Computational Intelligence, Simulation. 12 GRUPO DE INVESTIGACIÓN “TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL” El grupo de Investigación TIC-150, denominado “Tecnología Electrónica e Informática Industrial” (perteneciente al Departamento de Tecnología Electrónica de la Universidad de Sevilla), está formado por más de 30 investigadores, 14 ellos doctores, procedentes de diferentes ramas del conocimiento, tales como Ingeniería Electrónica, Ingeniería de Telecomunicaciones, Ingeniería Informática, Ingeniería Industrial, Física, Medicina, etc. Figura 1: Líneas de investigación del TIC-150 Todos los proyectos de investigación del Tic-150 se desarrollan dentro de una o varias de las líneas representadas en la Figura 1, que se corresponden con las áreas de especialización de los diferentes miembros del grupo. Para ello, se forman para cada proyecto equipos de trabajo en los que se van asignando miembros en función de las líneas requeridas por el proyecto. Estas líneas van a ser descritas brevemente en los próximos apartados, junto con una sucinta descripción de algunos sus proyectos más representativos. Tras esto, se presentará el proyecto SIIAM, que resulta especialmente característico, ya que aúna todas las líneas de investigación del TIC-150. Finalmente, en este documento se presentarán las conclusiones obtenidas y una discusión de los resultados obtenidos en el desarrollo de estos proyectos. INVESTIGACIÓN DEL TIC-150 EN CIUDADES INTELIGENTES Las ciudades inteligentes, o Smart Cities es un campo de investigación actualmente muy activo. El objetivo de este paradigma es la gestión inteligente, a distintos niveles, de los recursos de información y servicios de un núcleo urbano, aumentado su interacción, y siempre con el objetivo de mejorar la eficiencia y el nivel del servicio de sus usuarios. En este ámbito, dentro de una ciudad podemos encontrar aspectos como movilidad, energías, sociedad, residuos, gobernanza, etc., que ya existían (aunque desde un punto de vista aislado) en el concepto de ciudad tradicional. 13 Figura 2: Entorno de una Smart City [1] En los últimos años, gracias a las TICs, el desarrollo de cada uno de esos aspectos ha sido enorme, ya que, al disponer de más información, es posible desarrollar nuevos algoritmos de gestión de servicios más eficientes. No obstante, el concepto de Smart Cities no se ciñe únicamente al aumento de la información y servicios en ésta. También es importante cómo la información se exporta al exterior para la consulta directa del usuario (a través de portales o apps) o para la interacción con otros sistemas, que puedan completar a su vez otros servicios de la ciudad. Desde un punto de vista tecnológico, uno de los principales problemas en su desarrollo es hacer frente al gran volumen de información asociado a este paradigma. Esto abarca desde las necesidades de adquisición de datos (en las que destaca tecnologías de redes de sensores) al procesado y almacenamiento de estos (introduciendo tecnologías de Minería de datos y/o Big Data). Proyectos representativos en Smart Cities A lo largo de los últimos años, el TIC 150 ha ido realizando distintos proyectos en el ámbito de las Smart Cities, destacando los relativos a la gestión de redes eléctricas inteligentes (o Smart Grids). En este sentido se destacan los siguientes proyectos:  Smartcity Málaga: Proyecto liderado por Endesa, con una financiación de 31M€, y que plantea como objetivo evaluar los efectos de distintas tecnologías de Smart Grid y cómo éstas interactuaban entre sí al integrarlas de forma conjunta en una red eléctrica real. Para este proyecto, en colaboración con AYESA A.T., se desarrollaron múltiples tareas de consultoría y diseño, entre las que se destaca el desarrollo de una métrica jerárquica para la evaluación de resultados [2]. Esta métrica estaba constituida por 21 indicadores, 7 objetivos y 4 macroobjetivos (ver Figura 3), que permitían evaluar la consecución global del proyecto, así como la extrapolación de dichos resultados a distintos escenarios con diferentes niveles de despliegue. 14 (a) (b) Figura 3: Estructura jerárquica de indicadores de desempeño; a) interfaz de visualización, b) jerarquía  e-Fleet: Proyecto que estudia el nuevo paradigma del vehículo eléctrico (VE). Concretamente, en este proyecto se plantea el desarrollo de una herramienta de gestión inteligente de flotas de este tipo de vehículos. En este sentido, se establecieron tres tareas principales: diseño de un modelo de predicción de consumo (radicalmente distinto al de los vehículos tradicionales, e imprescindible para la planificación de rutas, ver Figura 4); diseño del sistema de gestión de alarmas y diseño del sistema de gestión inteligente de priorización de recarga. (a) (b) (c) Figura 4: Planificador de ruta; a) Optimización basada en el modelo de consumo del VE, b) Nissan LEAF, c) Renault Kangoo ZE INVESTIGACIÓN DEL TIC-150 EN REDES DE SENSORES PARA LA MONITORIZACIÓN AMBIENTAL Las redes de sensores inalámbricas, comúnmente conocidas por las siglas WSN (acrónimo en inglés de Wireless Sensor Network), son sistemas de computación ubicua [3] integrados en el medio que se despliegan en un entorno a monitorizar y/o controlar [4]. Para ello, no sólo deben ser capaces de extraer información de dicho entorno, sino que además debe de proveer algún método que permita acceder a la información y eventos capturados por los nodos. 15 Estas redes están formadas por un conjunto de pequeños dispositivos autónomos de bajo consumo y bajo costo, denominados nodos, que tienen capacidades limitadas de monitorización y almacenamiento [5], y que interactúan con su entorno cercano. Además, cada nodo posee un sistema de comunicación inalámbrico de bajo consumo, mediante el que intercambia información con otros nodos. Por tanto, una WSN puede ser vista como un conjunto heterogéneo de nodos sensores, junto con al menos un nodo especial, denominado estación base [6], que actúa de pasarela de la información entre los nodos sensores y el usuario. Estas redes tienen múltiples aplicaciones, siendo una de las más importantes la Monitorización ambiental [7]. Dentro de esta línea, el TIC-150 ha estado investigando en múltiples proyectos que tratan de dotar de mayor inteligencia a los nodos de la red, buscando incrementar su eficiencia energética o su funcionalidad. Proyectos destacados en Redes de Sensores para la Monitorización Ambiental Muchos de los proyectos desarrollados con esta tecnología se han desarrollado para su uso en el Parque Nacional de Doñana. Para ello, se ha contado con la colaboración de los investigadores de dicho parque, lo que ha permitido realizar diversos proyectos de investigación aplicada [8], entre los que destacan:  ICARO: Esta red, cuyo nodo sensor aparece en la Figura 5, se diseñó para la monitorización del nivel de agua en las zonas inundables del parque [9]. Estas áreas resultan de especial interés, puesto que constituyen un ecosistema fundamental para la supervivencia de ciertas especies de animales en peligro de extinción que habitan en el parque. Figura 5: Nodo sensor de la red ICARO  eSAPIENS: Esa arquitectura se desarrolla con la finalidad de estudiar problemas globalmente distribuidos, como la monitorización de aves migratorias o el estudio global del cambio climático. Para ello, se diseñó una red de redes de monitorización, representada en la Figura 6, que integraba todas las redes 16 desplegadas hasta ahora en una estructura heterogénea basada en la especificación IPv6 para redes de sensores (6LowPAN) [10]. Figura 6: Arquitectura de la red eSAPIENS INVESTIGACIÓN DEL TIC-150 EN MINERÍA DE DATOS La minería de datos es un campo de investigación basado en análisis automáticos o semiautomáticos de los patrones subyacentes en grandes volúmenes de información, que no resultan obvios a simple vista [11]. Para ello, utilizan diversos métodos estadísticos y de aprendizaje automático para la extracción de conclusiones y estructuras subyacentes de la información, que posteriormente pueden ser usadas para diversos fines, tales como la predicción o la detección de comportamientos anómalos. Proyectos destacados en Minería de Datos El TIC 150 ha realizado diversos proyectos de aplicación de minería de datos, especialmente centrados en la detección de fraudes y monitorización de sistemas complejos. En este sentido cabe destacar los siguientes proyectos:  MIDAS: El objetivo de este proyecto es detectar pérdidas no técnicas (NTLs) en las redes eléctricas [12]. Las NTLs representan la energía consumida pero no facturada debida a fallos o manipulaciones ilegales en las instalaciones de los clientes. La arquitectura de este sistema está representada en la Figura 7, estando basado en la aplicación de diversas técnicas de inteligencia computacional sobre minería de datos, con las que se han conseguido un alto índice de acierto en la detección de NTLs. 17 Figura 7: Arquitectura de MIDAS  OPTISOL: Este proyecto surge con el objetivo de detectar comportamientos anómalos en parques termosolares. Debido a la complejidad y al gran número de variables involucradas en este proceso, se diseñó para ello el sistema propuesto en la Figura 8, que emplea técnicas de minería de datos para el modelado del comportamiento de distintos elementos de la planta. Gracias a esto, y mediante la comparación de los resultados del modelo con el sistema real, es posible detectar cuándo alguna de las variables se desvía más allá de los valores esperados. Figura 8: Arquitectura de OPTISOL INVESTIGACIÓN DEL TIC-150 EN INTELIGENCIA COMPUTACIONAL Las técnicas de Inteligencia Computacional (IC) [13] están centradas en el estudio y aplicación de diversos algoritmos adaptativos que permiten el diseño de sistemas con comportamientos inteligentes sobre entornos complejos y cambiantes. La inteligencia de estos sistemas se deriva más de la interacción entre diferentes algoritmos, relativamente simples, que de la ejecución local de un único algoritmo con heurística compleja. 18 Las técnicas IC combinan elementos de aprendizaje, adaptación y lógica para crear programas que son capaces de adaptarse por sí mismos al entorno de una manera inteligente. Estas técnicas engloban métodos como los sistemas de inferencia difusos, las redes neuronales, la inteligencia del enjambre, los algoritmos evolutivos o las redes bayesianas. Proyectos destacados en IC Tal y como se puede comprobar en los apartados previos, las técnicas IC han sido empleadas tradicionalmente por el TIC 150 en la resolución proyectos de diversa índole. Un ejemplo de esto es el proyecto HORUS (Ver Figura 9), en el que se usaron técnicas de procesado de vídeo basadas en algoritmos IC para realizar un estudio fenomenológico de una colonia de Cernícalos Primillas. Figura 9: Análisis de video del proyecto HORUS INVESTIGACIÓN DEL TIC-150 EN SIMULACIÓN Si bien la investigación realizada por el TIC-150 destaca por ser muy aplicada, el uso de herramientas de simulación permite mejorar el desempeño de los sistemas, en etapas previas a la de instalación. Por ello, una línea importante de investigación de este grupo consiste en el diseño de esta clase de herramientas, que permiten reducir los tiempos de instalación y los recursos necesarios para realizar los despliegues. Proyectos destacados en simulación Un ejemplo de simulador desarrollado en el TIC 150 es mTOSSIM [14] (ver Figura 10), diseñado para la prueba de algoritmos y el desempeño de redes de sensores. Este simulador ejecuta exactamente el mismo código que los nodos reales y permite simular de forma realista comportamientos tales como la vida útil de la red, o los efectos que produce la descarga de las baterías en la cobertura de los nodos, 19 habiéndose obtenido en ambos casos comportamientos simulados muy parecidos a los obtenidos en los sistemas reales. Figura 10: Simulador mTOSSIM EJEMPLO DE APLICACIÓN DE LAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN DEL TIC-150: EL PROYECTO SIIAM El proyecto SIIAM, actualmente en desarrollo, plantea el diseño de un sistema enmarcado dentro de las ciudades inteligentes que permita la monitorización de las instalaciones de distribución eléctricas subterráneas de media tensión. Una avería o fallo en este tipo de redes afecta de manera muy significativa a la calidad del servicio de los usuarios. Es por ello que las empresas suministradoras están muy interesadas en la supervisión de estos tipos de redes, que a día de hoy no cuentan con la sensorización adecuada para detectar y localizar estas incidencias. Figura 11: Arquitectura de SIIAM Tal y como se representa en la Figura 11, el proyecto SIIAM propone una red de sensores para realizar dicha monitorización, basándose en el empleo de algoritmos IC para la detección de las incidencias, tales como cortocircuitos y/o roturas de los cables. Estos algoritmos han sido testeados mediante simuladores diseñados específicamente para tal fin, demostrando obtener un éxito en la localización de faltas muy superior a la obtenida con otros sistemas de monitorización.