Esta tesis se enmarca en el estudio de las arquitecturas inteligentes de control distribuido y de los sistemas de comunicaciones empleados. Más concretamente el trabajo se centra en la optimización del sistema de control por medio de la evaluación del rendimiento en el middleware a través de los parámetros de calidad de servicio y de la optimización del control empleando políticas de calidad de servicio.
El principal objetivo de este trabajo ha sido estudiar, diseñar, desarrollar y evaluar una arquitectura de control distribuido, basándose en el estándar de comunicaciones Data-Distribution Service for Real-Time Systems (DDS) propuesto por la organización Object Management Group (OMG).
A medida que aumentan los requisitos de los sistemas inteligentes de control distribuido, aumentan los requisitos de las comunicaciones. El papel de los middleware que dan soporte a los sistemas de control distribuido ha ido evolucionando incrementándose las características de los mismos. Entre las características más destacables que el middleware requiere se encuentran el soporte a la gestión temporal y el control del flujo de los mensajes.
Para poder ofrecer estas características, es necesario que las arquitecturas dispongan de fórmulas que permitan la monitorización y la valoración de dichas características. Estas fórmulas dan lugar a los parámetros de calidad de servicio (QoS). Para gestionar los parámetros la arquitectura debe proporcionar los mecanismos que permitan configurarlos en función de los requisitos. Estos mecanismos se conocen como políticas de QoS. Además de poder evaluar el servicio ofrecido, las arquitecturas deben poder evaluar el cumplimiento interno de los objetivos de control, con este objetivo aparece el concepto de parámetros de calidad de control (QoC).
La variedad de sistemas donde se aplican las arquitecturas inteligentes de control distribuido es muy amplia. De los múltiples entornos, destacan los sistemas inalámbricos de redes de sensores (WSN) por la cantidad de información que debe transmitirse y los sistemas de control en red (NCS) por las restricciones en el procesamiento. Ambos tipos de sistemas confluyen en las redes inalámbricas de sensores y actuadores (WSAN) como paradigma de sistema que debe dar soporte a una gran cantidad de información con estrictos requisitos de procesamiento. Las tendencias actuales en arquitecturas distribuidas de control están orientadas a sistemas WSAN.
Teniendo en cuenta los requisitos anteriores, como tema central de la tesis se propone el diseño de una arquitectura distribuida de control inteligente que de soporte a la QoS, tanto en la medición por medio de los parámetros, como en la gestión por medio de las políticas de QoS. Las políticas deben permitir la variación de las características de la comunicación en función de los requisitos de control, expresados estos últimos por medio de los parámetros de QoC. A la arquitectura desarrollada se le ha llamado FSACtrl.
Para determinar los requisitos de la arquitectura FSACtrl, se han estudiado las revisiones de los autores más relevantes acerca de las características más destacadas de las arquitecturas distribuidas de sistemas de control. A partir de estas características se han diseñado los elementos de la arquitectura FSACtrl. Los elementos que dan soporte a las comunicaciones se han basado en los del estándar DDS de la OMG, mientras que los elementos de control se han basado en el estándar Sensor Web Enablement (SWE) del Open Geospatial Consortium (OGC).
El modelo DDS está basado en el paradigma de comunicaciones de Publicación y Subscripción. En esta tesis, se propone ampliar el modelo Data Centric Publish Subscribe (DCPS), parte del estándar DDS, con una serie de elementos que permitan la gestión de los eventos que puedan producirse a lo largo del funcionamiento del sistema. El modelo SWE está basado en la estandarización del control por medio de elementos básicos que se encadenan para realizar un procesamiento más complejo. En esta tesis se propone ampliar el modelo de control con la inclusión de elementos de comunicaciones del modelo DCPS y el soporte a la QoC.
Para la validación de la arquitectura se ha implementado un entorno de diseño y simulación del control. El entorno lo forma una aplicación de diseño visual de los elementos de la arquitectura que permite la ejecución de los algoritmos de control y un simulador de robots móviles que permite incluir diversos tipos de sensores, fuentes de datos y obstáculos en el medio en el que el vehículo desarrolla la navegación.
Como ejemplo de uso de los elementos de la arquitectura FSACtrl se han implementado los cinco primeros vehículos de Braitenberg. Los tres primeros vehículos se caracterizan por carecer de funciones de control propiamente dichas, por lo que son adecuados para poder evaluar el funcionamiento de la arquitectura como middleware. El cuarto vehículo incluye funciones de control básicas, por lo que resulta conveniente para comprobar cómo embeber parte del control en la capa de comunicaciones. El quinto vehículo incluye el procesamiento lógico y es el que se emplea para comprobar cómo la gestión dinámica de las comunicaciones basada en el control permite optimizar el funcionamiento del sistema.
Los resultados del trabajo experimental desarrollado son satisfactorios. Se demuestra la viabilidad de la arquitectura como middleware con soporte al control, y principalmente se comprueba cómo la gestión en las comunicaciones de parte de las tareas de control permite optimizar el funcionamiento del sistema.
Las aportaciones principales de la tesis son diversas. Se ha desarrollado una importante labor de estudio de caracterización de las arquitecturas distribuidas de control. Asimismo se han estudiado los parámetros de las comunicaciones que dan soporte a las arquitecturas de control. Se ha diseñado una arquitectura que, basándose en estándares, permite alcanzar las características del sistema, evaluar mediante parámetros el rendimiento del funcionamiento del sistema y, por medio de las políticas de QoS permite optimizar el funcionamiento en función de las características del control.
Finalmente, destacar que la tesis se enmarca dentro de los proyectos de investigación KERTROL y SIDIRELI en los que participa el grupo de investigación de Informática Industrial del Instituto de Automática e Informática Industrial y en el que desarrolla su labor de investigación el autor. El trabajo desarrollado ha sido publicado en diversos congresos del área, tanto nacionales como internacionales.