Monitorizacion de Infraestructuras Criticas basada en tecnologías inalámbricas
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Proyecto (Motriz) de Excelencia de la Junta de Andalucía

Investigador Principal

Bartolomé Rubio Muñoz

Teléfono: +34 952132753

Fax: +34 952131397

e-mail: tolo@lcc.uma.es

Detalles

Referencia: TIC - 1572 (Convocatoria 2012)

Duración: Febrero 2014 - Febrero 2018

Presupuesto: 216.644 €

Empresa subcontratada

CEMOSA

Equipo

Bartolomé Rubio Muñoz

Álvarez Palomo, José María

Chen Gallardo, Jaime

Díaz Rodríguez, Manuel

Garrido Márquez, Daniel

Llopis Torres, Luis Manuel

Reyna Fortes, Ana

Soler Castillo, Enrique

Propuesta

Las Redes Inalámbricas de Sensores y Actores (RISAC) han recibido un alto grado de atención desde el punto de vista investigador en los últimos años. Hoy en día, la tecnología ha madurado suficientemente y está siendo utilizada en un amplio rango de aplicaciones que van desde la monitorización ambiental a la gestión energética eficiente en edificios.

Sin embargo, el desarrollo de aplicaciones basadas en RISAC es todavía bastante artesanal y dependiente del dominio de aplicación. Esto repercute en su grado de adopción en muchos campos en los que podrían tener un gran impacto. Un ejemplo de esta situación se encuentra en la Monitorización y Protección de Infraestructuras Críticas (MPIC).

La utilización de RISAC en este entorno es muy atractiva debido a su naturaleza distribuida y auto-adaptativa, lo que les puede permitir sobrevivir ante accidentes y/o posibles fallos de operación. Además, puede repercutir en una significativa reducción de costes con respecto a los sistemas actuales centralizados basados en sensores cableados.

Sin embargo, los actuales sistemas de monitorización basados RISAC no cumplen los rigurosos requisitos de calidad de servicio (QoS) requeridos para el ámbito de las infraestructuras críticas, tales como fiabilidad, tolerancia a fallos y respuesta en tiempo real. En los últimos años se ha avanzado en la definición de protocolos y en tecnologías que proporcionen cierto nivel en este tipo de requisitos. No obstante, su integración para el desarrollo de aplicaciones MPIC de una manera fiable es una tarea muy compleja y difícilmente abordable si no se dispone de un middleware y herramientas de soporte con un nivel de abstracción adecuado. Este middleware debe facilitar el diseño de aplicaciones con restricciones severas de tiempo real y tolerancia a fallos, a partir de la colaboración de nodos distribuidos dinámicamente interconectados mediante redes inalámbricas no fiables.

En los últimos años han aparecido numerosas propuestas de middleware adaptativos, centrados en la red y que cubren parcialmente algunos de los requisitos necesarios anteriormente mencionados. Sin embargo, ninguno de los middleware existentes trata de forma integrada y global los requisitos más importantes. Además, y sobre todo, no permiten su configuración mediante la selección de los métodos y algoritmos apropiados al tipo de aplicación. No todas las infraestructuras críticas son iguales y aspectos como la topología, frecuencia de monitorización y fiabilidad de los sensores pueden requerir una combinación de técnicas y algoritmos muy dependientes de la aplicación concreta.

En nuestra propuesta, MIsTIca (Monitorización de Infraestructuras Críticas basada en Tecnologías Inalámbricas), seguiremos una aproximación en la que se integrarán en un único marco de trabajo aspectos como fiabilidad, tiempo real y tolerancia a fallos. Se diseñará y construirá un middleware que incorpore protocolos de enrutamiento adecuados para proporcionar los requisitos de QoS requeridos, al mismo tiempo que posibilite el diseño de aplicaciones mediante un modelo de servicios de alto nivel. Dicho middleware será altamente configurable y permitirá seleccionar y configurar los componentes adecuados para cumplir con los requisitos impuestos por la monitorización de una infraestructura concreta.

Los resultados del proyecto se validarán mediante el desarrollo de una aplicación concreta: la monitorización de una infraestructura ferroviaria, teniendo en cuenta la integridad estructural tanto de los trenes como de las vías, puentes y viaductos que forman parte de la red ferroviaria. Para esto contaremos con la colaboración de CEMOSA, la empresa subcontratada para este proyecto motriz.

Objetivos

El principal objetivo del proyecto es proporcionar un Marco de Trabajo basado en Redes Inalámbricas de Sensores y Actores para el desarrollo de sistemas enfocados a la Monitorización y Protección de Infraestructuras Críticas.

Con el fin de llevar a cabo este objetivo genérico, se proponen los siguientes objetivos concretos:

Desarrollo de nuevos algoritmos de enrutado, tiempo real y tolerancia a fallos que puedan ser integrados de forma conjunta para cumplir los objetivos combinados requeridos en las aplicaciones de MPIC. El objetivo es que distintos algoritmos puedan coexistir para cumplir sus objetivos de QoS.

Integración de estos algoritmos en un middleware configurable único para RISAC, que proporcione esos requisitos de QoS (fiabilidad, tolerancia a fallos y tiempo real) necesarios para el despliegue de sistemas para la MPIC. Este middleware estará soportado por un conjunto de herramientas de análisis y configuración que permitan adecuar el mismo a los requisitos de un problema concreto.

Diseño de un modelo de programación basado en servicios y eventos que proporcione un grado de abstracción adecuado para desarrollar aplicaciones basadas en el middleware. En la definición de dicho modelo se considerará la integración y/o interoperabilidad del middleware desarrollado con el estándar DDS de OMG.

Desarrollo de una aplicación de monitorización de una infraestructura ferroviaria con objeto de mostrar la adecuación del marco de trabajo propuesto para el diseño y desarrollo de sistemas para la MPIC. Este es un objetivo de gran importancia del proyectoy para cuya consecución contamos con la experiencia de la empresa subcontratada.

Durante la realización del proyecto se ha considerado oportuno ampliar estos objetivos concretos inicialmente establecidos en la petición del mismo con los siguientes objetivos adicionales:

Estudio de arquitecturas que faciliten la integración de las RISAC con la Computación en la Nube (CN). La razón de este objetivo es que la CN se está vislumbrando en la actualidad como una tecnología emergente para solventar algunos de los inconvenientes de las RISAC, fundamentalmente a nivel de restricciones de recursos en términos de memoria, computación y energía. Las investigaciones en este sentido y, de forma más genérica, en la integración de Internet de las Cosas con la CN están acaparando mucha atención en la actualidad.

Diseño y desarrollo de una arquitectura de integración de nuestro middleware para RISAC con la CN. Esta integracíón puede propiciar de forma efectiva la recolección, el procesado, el almacenamiento y el análisis en tiempo real de datos provenientes de RISAC, facilitando el desarrollo de sistemas para la MPIC.

Resultados

Publicaciones:

[L. Alonso, J. Barbarán, J. Chen, M. Díaz, L. Llopis and B. Rubio 2017]
Middleware and Communication Technologies for Structural Health Monitoring of Critical Infrastructures: A Survey
Computer Standards & Interfaces. In Press, Accepted Manuscript doi.org/10.1016/j.csi.2017.09.007
[C. Martín, J. Chen, M. Díaz, A. Reyna and B. Rubio 2017]
SocICoAP: Social Interaction with Supplementary Sensors and Actuators through CoAP in Smartphones.
2017 IEEE 41st Annual Computer Software and Applications Conference (COMPSAC), Turin, Italy, 2017 vol. 02, pp. 672-677, 2017. doi: 10.1109/COMPSAC.2017.217
[C. Martín, M. Díaz and B. Rubio 2017]
Run-time deployment and management of CoAP resources for the Internet of Things.
International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 13(3), 2017 doi: 10.1177/1550147717698969
[M. Díaz, C. Martín and B. Rubio 2016]
State-of-the-art, challenges, and open issues in the integration of Internet of Things and Cloud Computing.
Journal of Network and Computer Applications, vol. 67, pp. 99–117, 2016. doi: 10.1016/j.jnca.2016.01.010
[M. Díaz, C. Martín and B. Rubio 2016]
Lambda-CoAP: An Internet of Things and Cloud Computing Integration based on the Lambda Architecture and CoAP.
11th International Conference, CollaborateCom 2015, Wuhan, November 10-11, 2015, China. Proceedings. Collaborative Computing: Networking, Applications, and Worksharing, vol. 163, pp. 195–206, 2016. doi: doi:10.1007/978-3-319-28910-6
[E. Cañete, J. Chen, M. Díaz, L.Llopis, A. Reyna and B. Rubio 2015]
Using Wireless Sensor Networks and Trains as Data Mules to Monitor Slab Track Infrastructures.
Sensors 15(7), 15101-15126, June 2015. doi: 10.3390/s150715101
[E. Cañete, J. Chen, M. Díaz, L.Llopis and B. Rubio 2015]
Sensor4PRI: A Sensor Platform for the Protection of Railway Infrastructures.
Sensors 15(3), 4996-5019, February 2015. doi: 10.3390/s150304996
[J. Barbarán, M. Díaz and B. Rubio 2014]
A Virtual Channel-based Framework for the Integration of Wireless Sensor Networks in the Cloud.
International Symposium on Intercloud and IoT (ICI 2014), held with the 2nd Int. Conference on Future Internet of Things and Cloud (FiCloud 2014). Barcelona, Spain, August 27-29, 2014. download
[A.M. Grilo, J. Chen,M. Díaz, D. Garrido and A. Casaca 2014]
An Integrated WSAN and SCADA System for Monitoring a Critical Infrastrucure.
Industrial Informatics 10(3), 1755-1764, August2014. doi:10.1109/TII.2014.2322818
[J. Chen, M. Díaz, B. Rubio and J.M. Troya 2013]
RAISE: RAIlway infrastructure health monitoring using wireless SEnsor networks
In Sensor Systems and Software M. Zuniga, G. Dini, Eds.; Springer: 2013; Volume 122, pp.143–157;  Revised Selected Paper of the 4th International Conference on Sensor Systems and Software (S-CUBE), Lucca, Italy, June 11-12, 2013. download
[J. Chen, M. Díaz,B. Rubio and J.M. Troya 2013]
PS-QUASAR: A publish/subscribe QoS Aware Middleware for Wireless Sensor and Actor Networks.
In Journal of Systems and Software 6(6),1650-1662, June 2013. doi:10.1016/j.jss.2013.02.028
[J. Chen, M. Díaz, L.Llopis, B. Rubio and J.M. Troya 2011]
A Survey on Quality of Service Support in Wireless Sensor and Actor Networks: Requirements and Challenges in the Context of Critical Infrastructure Protection.
Published Online: 31 January 2011. In Journal of Networks and Computer Applications 34(4),1225-1239, July 2011. doi:10.1016/j.jnca.2011.01.008