Arquitectura de IoT para la implementación de servicios cognitivos

Abstract

[ES] Internet of Things (IoT) se ha convertido en una realidad omnipresente que está transformando la forma en la que interactuamos con el entorno y cómo los dispositivos y objetos se conectan, comunican e intercambian información, abriendo un abanico de posibilidades y oportunidades sin precedentes. Sus aplicaciones son casi infinitas y gracias a su gran potencial, hoy en día está presente en todo tipo de ámbitos. Artificial Internet of Things (AIoT) se considera la siguiente etapa de Internet. Se trata de un nuevo paradigma de red que combina IoT con la inteligencia artificial (IA) dando lugar a sistemas altamente inteligentes y autónomos, capaces de comprender, razonar y aprender de manera similar a los seres humanos. Sin embargo, a pesar de su potencial, uno de los desafíos clave que enfrenta AIoT desde sus inicios es la falta de una arquitectura de referencia estandarizada que proporcione un conjunto de funcionalidades básicas, estructuras de información y mecanismos que sirvan de modelo para desarrollar e implementar estos sistemas. Esta falta de estandarización está dando lugar a una serie de problemas y desafíos en su implementación y adopción generalizada. En primer lugar, la falta de estándares comunes dificulta la interoperabilidad entre diferentes dispositivos y sistemas AIoT. Además, la ausencia de una arquitectura de referencia complica el desarrollo coherente y eficiente. Por último, se observan dificultades para escalar los sistemas. Sin una estructura común y estándares interoperables, resulta más complicado integrar y administrar grandes cantidades de dispositivos y datos. En esta tesis se presenta una arquitectura de referencia AIoT multidominio. El diseño de la arquitectura considera las recomendaciones de la ITU propuestas en UIT-T Y.2066. Además, la arquitectura propuesta se alinea a su vez con otras dos arquitecturas de referencia: IIRA y RAMI 4.0. Como consecuencia, la arquitectura presenta una naturaleza versátil y adaptable, lo que le permite ajustarse a las necesidades y requerimientos de diferentes contextos y dominios. La arquitectura presentada ha sido implementada y validada en cuatro casos de uso desarrollados en el contexto de cuatro proyectos de investigación. En los proyectos ACTIVAGE - H2020 LSP y DIATOMIC Open Call nº2 - H2020 la arquitectura facilita la implementación de servicios cognitivos de asistencia para personas mayores. En el proyecto COSIBAS - Programa Internacional ITEA3 incorpora a un sistema IoT heredado capacidades cognitivas para mejorar la gestión del tráfico marino. Por último, en OPTIMAI - H2020 se incorporan capacidades cognitivas a una línea de producción de antenas para detectar anomalías.

[CA] Internet of Things (IoT) s'ha convertit en una realitat omnipresent que està transformant la manera com interactuem amb l'entorn i com els dispositius i objectes es connecten, comuniquen i intercanvien informació, obrint un ventall de possibilitats i oportunitats sense precedents. Les seves aplicacions són quasi infinites i gràcies al seu gran potencial, avui dia és present en tot tipus d'àmbits.

Artificial Internet of Things (AIoT) es considera la següent etapa de la Internet. Es tracta d'un nou paradigma de xarxa que combina IoT amb la intel·ligència artificial (IA) donant lloc a sistemes altament intel·ligents i autònoms, capaços de comprendre, raonar i aprendre de manera similar a els éssers humans. Tot i això, malgrat el seu potencial, un dels desafiaments clau que enfronta AIoT des dels seus inicis és la manca d'una arquitectura de referència estandarditzada que proporcioni un conjunt de funcionalitats bàsiques, estructures d'informació i mecanismes que serveixin de model per desenvolupar implementar aquests sistemes. Aquesta manca d'estandardització dona lloc a una sèrie de problemes i desafiaments en la seva implementació i adopció generalitzada. En primer lloc, la manca d'estàndards comuns dificulta la interoperabilitat entre diferents dispositius i sistemes AIoT. A més a més, l'absència d'una arquitectura de referència complica el desenvolupament coherent i eficient. Per acabar, s'observen dificultats per escalar els sistemes. Sense una estructura comuna i estàndards interoperables, és més complicat integrar i administrar grans quantitats de dispositius i dades.

En aquesta tesi es presenta una arquitectura de referència AIoT multidomini. El disseny de l'arquitectura considera les recomanacions de la ITU proposades a UIT-T Y.2066. A més, l'arquitectura proposada s'alinea alhora amb dues arquitectures de referència més: IIRA i RAMI 4.0. Com a conseqüència, l'arquitectura presenta una naturalesa versàtil i adaptable, cosa que permet ajustar-se a les necessitats i requeriments de diferents contextos i dominis de la IoT.

L'arquitectura presentada ha estat implementada i validada en quatre casos d'ús desenvolupats en el context de quatre projectes de recerca. Als projectes ACTIVAGE - H2020 LSP i DIATOMIC Open Call nº2 - H2020 l'arquitectura facilita la implementació de serveis cognitius d'assistència per a gent gran. Al projecte COSIBAS - Programa Internacional ITEA3 incorpora a un sistema IoT heretat capacitats cognitives per millorar la gestió del trànsit marí. Per acabar, a OPTIMAI - H2020 s'incorporen capacitats cognitives a una línia de producció d'antenes per detectar anomalies.

[EN] Internet of Things (IoT) has become an omnipresent reality that is transforming the way we interact with the environment and how devices and objects connect, communicate, and exchange information, opening a range of unprecedented possibilities and opportunities. Its applications are almost infinite, and thanks to its tremendous potential, it is now present in all kinds of fields.

Artificial Internet of Things (AIoT) is considered the next stage of the Internet. It is a new network paradigm that combines IoT with Artificial Intelligence (AI), resulting in highly intelligent and autonomous systems capable of understanding, reasoning, and learning similar to humans. However, despite its potential, one of the key challenges that AIoT has faced since its inception is the lack of a standardized reference architecture that provides a set of basic functionalities, information structures, and mechanisms to serve as a model for developing and implementing these systems. This lack of standardization has led to a series of problems and challenges in its implementation and widespread adoption. Firstly, the lack of common standards hinders interoperability between different AIoT devices and systems. Additionally, the absence of a reference architecture complicates coherent and efficient development. Lastly, scaling the systems poses difficulties. Without a common structure and interoperable standards, integrating and managing large amounts of devices and data becomes more complex.

This thesis presents a multidomain AIoT reference architecture that incorporates recommendations from the ITU, as proposed in UIT-T Y.2066. Furthermore, the proposed architecture aligns with two other reference architectures: IIRA and RAMI 4.0. As a result, the architecture exhibits versatility and adaptability, allowing it to meet the needs and requirements of different IoT contexts and domains.

The presented architecture has been implemented and validated in four use cases developed in the context of four research projects. In the ACTIVAGE - H2020 LSP and DIATOMIC Open Call nº2 - H2020 projects, the architecture facilitates the implementation of cognitive assistance services for the elderly. In the COSIBAS - International ITEA3 Program, it incorporates cognitive capabilities into a legacy IoT system to improve maritime traffic management. Finally, in OPTIMAI - H2020, cognitive capabilities are integrated into an antenna production line to detect anomalies.