The role of Artificial Intelligence and Distributed computing in IoT applications

[ES] La serie «El rol de la inteligencia artificial y la computación distribuida en las aplicaciones IoT» contiene publicaciones sobre la teoría y aplicaciones de la computación distribuida y la inteligencia artificial en el Internet de las cosas. Prácticamente todas las disciplinas como la ingeniería, las ciencias naturales, la informática y las ciencias de la información, las TIC, la economía, los negocios, el comercio electrónico, el medio ambiente, la salud y las ciencias de la vida están cubiertas. La lista de temas abarca todas las áreas de los sistemas inteligentes modernos y la informática como: inteligencia computacional, soft computing incluyendo redes neuronales, inteligencia social, inteligencia ambiental, sistemas auto-organizados y adaptativos, computación centrada en el ser humano y centrada en el ser humano, sistemas de recomendación, control inteligente, robótica y mecatrónica, incluida la colaboración entre el ser humano y la máquina, paradigmas basados en el conocimiento, paradigmas de aprendizaje, ética de la máquina, análisis inteligente de datos, gestión del conocimiento, agentes inteligentes, toma de decisiones inteligentes y apoyo, seguridad de la red inteligente, gestión de la confianza, entretenimiento interactivo, inteligencia de la Web y multimedia. Las publicaciones en el marco de «El rol de la inteligencia artificial y la computación distribuida en las aplicaciones IoT» son principalmente las actas de seminarios, simposios y conferencias. Abarcan importantes novedades recientes en la materia, tanto de naturaleza fundacional como aplicable. Un importante rasgo característico de la serie es el corto tiempo de publicación. Esto permite una rápida y amplia difusión de los resultados de las investigaciones[EN] The series «The Role of Artificial Intelligence and Distributed Computing in IoT Applications» contains publications on the theory and applications of distributed computing and artificial intelligence in the Internet of Things. Virtually all disciplines such as engineering, natural sciences, computer and information sciences, ICT, economics, business, e-commerce, environment, health and life sciences are covered. The list of topics covers all areas of modern intelligent systems and computer science: computational intelligence, soft computing including neural networks, social intelligence, ambient intelligence, self-organising and adaptive systems, human-centred and people-centred computing, recommendation systems, intelligent control, robotics and mechatronics including human-machine collaboration, knowledge-based paradigms, learning paradigms, machine ethics, intelligent data analysis, knowledge management, intelligent agents, intelligent decision making and support, intelligent network security, trust management, interactive entertainment, web intelligence, and multimedia. The publications in the framework of «The Role of Artificial Intelligence and Distributed Computing in IoT Applications» are mainly the proceedings of seminars, symposia and conferences. They cover important recent developments in the field, whether of a foundational or applicable character. An important feature of the series is the short publication time. This allows for the rapid and wide dissemination of research results

Dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users

[EN] The electricity sector is currently undergoing a process of liberalization and separation of roles, which is being implemented under the regulatory auspices of each Member State of the European Union and, therefore, with different speeds, perspectives and objectives that must converge on a common horizon, where Europe will benefit from an interconnected energy market in which producers and consumers can participate in free competition. This process of liberalization and separation of roles involves two consequences or, viewed another way, entails a major consequence from which other immediate consequence, as a necessity, is derived. The main consequence is the increased complexity in the management and supervision of a system, the electrical, increasingly interconnected and participatory, with connection of distributed energy sources, much of them from renewable sources, at different voltage levels and with different generation capacity at any point in the network. From this situation the other consequence is derived, which is the need to communicate information between agents, reliably, safely and quickly, and that this information is analyzed in the most effective way possible, to form part of the processes of decision taking that improve the observability and controllability of a system which is increasing in complexity and number of agents involved. With the evolution of Information and Communication Technologies (ICT), and the investments both in improving existing measurement and communications infrastructure, and taking the measurement and actuation capacity to a greater number of points in medium and low voltage networks, the availability of data that informs of the state of the network is increasingly higher and more complete. All these systems are part of the so-called Smart Grids, or intelligent networks of the future, a future which is not so far. One such source of information comes from the energy consumption of customers, measured on a regular basis (every hour, half hour or quarter-hour) and sent to the Distribution System Operators from the Smart Meters making use of Advanced Metering Infrastructure (AMI). This way, there is an increasingly amount of information on the energy consumption of customers, being stored in Big Data systems. This growing source of information demands specialized techniques which can take benefit from it, extracting a useful and summarized knowledge from it. This thesis deals with the use of this information of energy consumption from Smart Meters, in particular on the application of data mining techniques to obtain temporal patterns that characterize the users of electrical energy, grouping them according to these patterns in a small number of groups or clusters, that allow evaluating how users consume energy, both during the day and during a sequence of days, allowing to assess trends and predict future scenarios. For this, the current techniques are studied and, proving that the current works do not cover this objective, clustering or dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users are developed. These techniques are tested and validated on a database of hourly energy consumption values for a sample of residential customers in Spain during years 2008 and 2009. The results allow to observe both the characterization in consumption patterns of the different types of residential energy consumers, and their evolution over time, and to assess, for example, how the regulatory changes that occurred in Spain in the electricity sector during those years influenced in the temporal patterns of energy consumption.[ES] El sector eléctrico se halla actualmente sometido a un proceso de liberalización y separación de roles, que está siendo aplicado bajo los auspicios regulatorios de cada Estado Miembro de la Unión Europea y, por tanto, con distintas velocidades, perspectivas y objetivos que deben confluir en un horizonte común, en donde Europa se beneficiará de un mercado energético interconectado, en el cual productores y consumidores podrán participar en libre competencia. Este proceso de liberalización y separación de roles conlleva dos consecuencias o, visto de otra manera, conlleva una consecuencia principal de la cual se deriva, como necesidad, otra consecuencia inmediata. La consecuencia principal es el aumento de la complejidad en la gestión y supervisión de un sistema, el eléctrico, cada vez más interconectado y participativo, con conexión de fuentes distribuidas de energía, muchas de ellas de origen renovable, a distintos niveles de tensión y con distinta capacidad de generación, en cualquier punto de la red. De esta situación se deriva la otra consecuencia, que es la necesidad de comunicar información entre los distintos agentes, de forma fiable, segura y rápida, y que esta información sea analizada de la forma más eficaz posible, para que forme parte de los procesos de toma de decisiones que mejoran la observabilidad y controlabilidad de un sistema cada vez más complejo y con más agentes involucrados. Con el avance de las Tecnologías de Información y Comunicaciones (TIC), y las inversiones tanto en mejora de la infraestructura existente de medida y comunicaciones, como en llevar la obtención de medidas y la capacidad de actuación a un mayor número de puntos en redes de media y baja tensión, la disponibilidad de datos sobre el estado de la red es cada vez mayor y más completa. Todos estos sistemas forman parte de las llamadas Smart Grids, o redes inteligentes del futuro, un futuro ya no tan lejano. Una de estas fuentes de información proviene de los consumos energéticos de los clientes, medidos de forma periódica (cada hora, media hora o cuarto de hora) y enviados hacia las Distribuidoras desde los contadores inteligentes o Smart Meters, mediante infraestructura avanzada de medida o Advanced Metering Infrastructure (AMI). De esta forma, cada vez se tiene una mayor cantidad de información sobre los consumos energéticos de los clientes, almacenada en sistemas de Big Data. Esta cada vez mayor fuente de información demanda técnicas especializadas que sepan aprovecharla, extrayendo un conocimiento útil y resumido de la misma. La presente Tesis doctoral versa sobre el uso de esta información de consumos energéticos de los contadores inteligentes, en concreto sobre la aplicación de técnicas de minería de datos (data mining) para obtener patrones temporales que caractericen a los usuarios de energía eléctrica, agrupándolos según estos mismos patrones en un número reducido de grupos o clusters, que permiten evaluar la forma en que los usuarios consumen la energía, tanto a lo largo del día como durante una secuencia de días, permitiendo evaluar tendencias y predecir escenarios futuros. Para ello se estudian las técnicas actuales y, comprobando que los trabajos actuales no cubren este objetivo, se desarrollan técnicas de clustering o segmentación dinámica aplicadas a curvas de carga de consumo eléctrico diario de clientes domésticos. Estas técnicas se prueban y validan sobre una base de datos de consumos energéticos horarios de una muestra de clientes residenciales en España durante los años 2008 y 2009. Los resultados permiten observar tanto la caracterización en consumos de los distintos tipos de consumidores energéticos residenciales, como su evolución en el tiempo, y permiten evaluar, por ejemplo, cómo influenciaron en los patrones temporales de consumos los cambios regulatorios que se produjeron en España en el sector eléctrico durante esos años.[CA] El sector elèctric es troba actualment sotmès a un procés de liberalització i separació de rols, que s'està aplicant davall els auspicis reguladors de cada estat membre de la Unió Europea i, per tant, amb distintes velocitats, perspectives i objectius que han de confluir en un horitzó comú, on Europa es beneficiarà d'un mercat energètic interconnectat, en el qual productors i consumidors podran participar en lliure competència. Aquest procés de liberalització i separació de rols comporta dues conseqüències o, vist d'una altra manera, comporta una conseqüència principal de la qual es deriva, com a necessitat, una altra conseqüència immediata. La conseqüència principal és l'augment de la complexitat en la gestió i supervisió d'un sistema, l'elèctric, cada vegada més interconnectat i participatiu, amb connexió de fonts distribuïdes d'energia, moltes d'aquestes d'origen renovable, a distints nivells de tensió i amb distinta capacitat de generació, en qualsevol punt de la xarxa. D'aquesta situació es deriva l'altra conseqüència, que és la necessitat de comunicar informació entre els distints agents, de forma fiable, segura i ràpida, i que aquesta informació siga analitzada de la manera més eficaç possible, perquè forme part dels processos de presa de decisions que milloren l'observabilitat i controlabilitat d'un sistema cada vegada més complex i amb més agents involucrats. Amb l'avanç de les tecnologies de la informació i les comunicacions (TIC), i les inversions, tant en la millora de la infraestructura existent de mesura i comunicacions, com en el trasllat de l'obtenció de mesures i capacitat d'actuació a un nombre més gran de punts en xarxes de mitjana i baixa tensió, la disponibilitat de dades sobre l'estat de la xarxa és cada vegada major i més completa. Tots aquests sistemes formen part de les denominades Smart Grids o xarxes intel·ligents del futur, un futur ja no tan llunyà. Una d'aquestes fonts d'informació prové dels consums energètics dels clients, mesurats de forma periòdica (cada hora, mitja hora o quart d'hora) i enviats cap a les distribuïdores des dels comptadors intel·ligents o Smart Meters, per mitjà d'infraestructura avançada de mesura o Advanced Metering Infrastructure (AMI). D'aquesta manera, cada vegada es té una major quantitat d'informació sobre els consums energètics dels clients, emmagatzemada en sistemes de Big Data. Aquesta cada vegada major font d'informació demanda tècniques especialitzades que sàpiguen aprofitar-la, extraient-ne un coneixement útil i resumit. La present tesi doctoral versa sobre l'ús d'aquesta informació de consums energètics dels comptadors intel·ligents, en concret sobre l'aplicació de tècniques de mineria de dades (data mining) per a obtenir patrons temporals que caracteritzen els usuaris d'energia elèctrica, agrupant-los segons aquests mateixos patrons en una quantitat reduïda de grups o clusters, que permeten avaluar la forma en què els usuaris consumeixen l'energia, tant al llarg del dia com durant una seqüència de dies, i que permetent avaluar tendències i predir escenaris futurs. Amb aquesta finalitat, s'estudien les tècniques actuals i, en comprovar que els treballs actuals no cobreixen aquest objectiu, es desenvolupen tècniques de clustering o segmentació dinàmica aplicades a corbes de càrrega de consum elèctric diari de clients domèstics. Aquestes tècniques es proven i validen sobre una base de dades de consums energètics horaris d'una mostra de clients residencials a Espanya durant els anys 2008 i 2009. Els resultats permeten observar tant la caracterització en consums dels distints tipus de consumidors energètics residencials, com la seua evolució en el temps, i permeten avaluar, per exemple, com van influenciar en els patrons temporals de consums els canvis reguladors que es van produir a Espanya en el sector elèctric durant aquests anys.Benítez Sánchez, IJ. (2015). Dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59236TESI

An intelligent classification system for land use and land cover mapping using spaceborne remote sensing and GIS

The objectives of this study were to experiment with and extend current methods of Synthetic Aperture Rader (SAR) image classification, and to design and implement a prototype intelligent remote sensing image processing and classification system for land use and land cover mapping in wet season conditions in Bangladesh, which incorporates SAR images and other geodata. To meet these objectives, the problem of classifying the spaceborne SAR images, and integrating Geographic Information System (GIS) data and ground truth data was studied first. In this phase of the study, an extension to traditional techniques was made by applying a Self-Organizing feature Map (SOM) to include GIS data with the remote sensing data during image segmentation. The experimental results were compared with those of traditional statistical classifiers, such as Maximum Likelihood, Mahalanobis Distance, and Minimum Distance classifiers. The performances of the classifiers were evaluated in terms of the classification accuracy with respect to the collected real-time ground truth data. The SOM neural network provided the highest overall accuracy when a GIS layer of land type classification (with respect to the period of inundation by regular flooding) was used in the network. Using this method, the overall accuracy was around 15% higher than the previously mentioned traditional classifiers. It also achieved higher accuracies for more classes in comparison to the other classifiers. However, it was also observed that different classifiers produced better accuracy for different classes. Therefore, the investigation was extended to consider Multiple Classifier Combination (MCC) techniques, which is a recently emerging research area in pattern recognition. The study has tested some of these techniques to improve the classification accuracy by harnessing the goodness of the constituent classifiers. A Rule-based Contention Resolution method of combination was developed, which exhibited an improvement in the overall accuracy of about 2% in comparison to its best constituent (SOM) classifier. The next phase of the study involved the design of an architecture for an intelligent image processing and classification system (named ISRIPaC) that could integrate the extended methodologies mentioned above. Finally, the architecture was implemented in a prototype and its viability was evaluated using a set of real data. The originality of the ISRIPaC architecture lies in the realisation of the concept of a complete system that can intelligently cover all the steps of image processing classification and utilise standardised metadata in addition to a knowledge base in determining the appropriate methods and course of action for the given task. The implemented prototype of the ISRIPaC architecture is a federated system that integrates the CLIPS expert system shell, the IDRISI Kilimanjaro image processing and GIS software, and the domain experts' knowledge via a control agent written in Visual C++. It starts with data assessment and pre-processing and ends up with image classification and accuracy assessment. The system is designed to run automatically, where the user merely provides the initial information regarding the intended task and the source of available data. The system itself acquires necessary information about the data from metadata files in order to make decisions and perform tasks. The test and evaluation of the prototype demonstrates the viability of the proposed architecture and the possibility of extending the system to perform other image processing tasks and to use different sources of data. The system design presented in this study thus suggests some directions for the development of the next generation of remote sensing image processing and classification systems