Crowdsensing-driven route optimisation algorithms for smart urban mobility

Urban rörlighet anses ofta vara en av de främsta möjliggörarna för en hållbar statsutveckling. Idag skulle det dock kräva ett betydande skifte mot renare och effektivare stadstransporter vilket skulle stödja ökad social och ekonomisk koncentration av resurser i städerna. En viktig prioritet för städer runt om i världen är att stödja medborgarnas rörlighet inom stadsmiljöer medan samtidigt minska trafikstockningar, olyckor och föroreningar. Att utveckla en effektivare och grönare (eller med ett ord; smartare) stadsrörlighet är en av de svåraste problemen att bemöta för stora metropoler. I denna avhandling närmar vi oss problemet från det snabba utvecklingsperspektivet av ITlandskapet i städer vilket möjliggör byggandet av rörlighetslösningar utan stora stora investeringar eller sofistikerad sensortenkik. I synnerhet föreslår vi utnyttjandet av den mobila rörlighetsavkännings, eng. Mobile Crowdsensing (MCS), paradigmen i vilken befolkningen exploaterar sin mobilkommunikation och/eller mobilasensorer med syftet att frivilligt samla, distribuera, lokalt processera och analysera geospecifik information. Rörlighetavkänningssdata (t.ex. händelser, trafikintensitet, buller och luftföroreningar etc.) inhämtad från frivilliga i befolkningen kan ge värdefull information om aktuella rörelsesförhållanden i stad vilka, med adekvata databehandlingsalgoriter, kan användas för att planera människors rörelseflöden inom stadsmiljön. Såtillvida kombineras i denna avhandling två mycket lovande smarta rörlighetsmöjliggörare, eng. Smart Mobility Enablers, nämligen MCS och rese/ruttplanering. Vi kan därmed till viss utsträckning sammanföra forskningsutmaningar från dessa två delar. Vi väljer att separera våra forskningsmål i två delar, dvs forskningssteg: (1) arkitektoniska utmaningar vid design av MCS-system och (2) algoritmiska utmaningar för tillämpningar av MCS-driven ruttplanering. Vi ämnar att visa en logisk forskningsprogression över tiden, med avstamp i mänskligt dirigerade rörelseavkänningssystem som MCS och ett avslut i automatiserade ruttoptimeringsalgoritmer skräddarsydda för specifika MCS-applikationer. Även om vi förlitar oss på heuristiska lösningar och algoritmer för NP-svåra ruttproblem förlitar vi oss på äkta applikationer med syftet att visa på fördelarna med algoritm- och infrastrukturförslagen.La movilidad urbana es considerada una de las principales desencadenantes de un desarrollo urbano sostenible. Sin embargo, hoy en día se requiere una transición hacia un transporte urbano más limpio y más eficiente que soporte una concentración de recursos sociales y económicos cada vez mayor en las ciudades. Una de las principales prioridades para las ciudades de todo el mundo es facilitar la movilidad de los ciudadanos dentro de los entornos urbanos, al mismo tiempo que se reduce la congestión, los accidentes y la contaminación. Sin embargo, desarrollar una movilidad urbana más eficiente y más verde (o en una palabra, más inteligente) es uno de los temas más difíciles de afrontar para las grandes áreas metropolitanas. En esta tesis, abordamos este problema desde la perspectiva de un panorama TIC en rápida evolución que nos permite construir movilidad sin la necesidad de grandes inversiones ni sofisticadas tecnologías de sensores. En particular, proponemos aprovechar el paradigma Mobile Crowdsensing (MCS) en el que los ciudadanos utilizan sus teléfonos móviles y dispositivos, para nosotros recopilar, procesar y analizar localmente información georreferenciada, distribuida voluntariamente. Los datos de movilidad recopilados de ciudadanos que voluntariamente quieren compartirlos (por ejemplo, eventos, intensidad del tráfico, ruido y contaminación del aire, etc.) pueden proporcionar información valiosa sobre las condiciones de movilidad actuales en la ciudad, que con el algoritmo de procesamiento de datos adecuado, pueden utilizarse para enrutar y gestionar el flujo de gente en entornos urbanos. Por lo tanto, en esta tesis combinamos dos prometedoras fuentes de movilidad inteligente: MCS y la planificación de viajes/rutas, uniendo en cierta medida los distintos desafíos de investigación. Hemos dividido nuestros objetivos de investigación en dos etapas: (1) Desafíos arquitectónicos en el diseño de sistemas MCS y (2) Desafíos algorítmicos en la planificación de rutas aprovechando la información del MCS. Nuestro objetivo es demostrar una progresión lógica de la investigación a lo largo del tiempo, comenzando desde los fundamentos de los sistemas de detección centrados en personas, como el MCS, hasta los algoritmos de optimización de rutas diseñados específicamente para la aplicación de estos. Si bien nos centramos en algoritmos y heurísticas para resolver problemas de enrutamiento de clase NP-hard, utilizamos ejemplos de aplicaciones en el mundo real para mostrar las ventajas de los algoritmos e infraestructuras propuestas

The Need of Multidisciplinary Approaches and Engineering Tools for the Development and Implementation of the Smart City Paradigm

This paper is motivated by the concept that the successful, effective, and sustainable implementation of the smart city paradigm requires a close cooperation among researchers with different, complementary interests and, in most cases, a multidisciplinary approach. It first briefly discusses how such a multidisciplinary methodology, transversal to various disciplines such as architecture, computer science, civil engineering, electrical, electronic and telecommunication engineering, social science and behavioral science, etc., can be successfully employed for the development of suitable modeling tools and real solutions of such sociotechnical systems. Then, the paper presents some pilot projects accomplished by the authors within the framework of some major European Union (EU) and national research programs, also involving the Bologna municipality and some of the key players of the smart city industry. Each project, characterized by different and complementary approaches/modeling tools, is illustrated along with the relevant contextualization and the advancements with respect to the state of the art

Crowd-sensing our Smart Cities: a Platform for Noise Monitoring and Acoustic Urban Planning

Environmental pollution and the corresponding control measurements put in place to tackle it play a significant role in determining the actual quality of life in modern cities. Amongst the several pollutant that have to be faced on a daily basis, urban noise represent one of the most widely known for its already ascertained health-related issues. However, no systematic noise management and control activities are performed in the majority of European cities due to a series of limiting factors (e.g., expensive monitoring equipment, few available technician, scarce awareness of the problem in city managers). The recent advances in the Smart City model, which is being progressively adopted in many cities, nowadays offer multiple possibilities to improve the effectiveness in this area. The Mobile Crowd Sensing paradigm allows collecting data streams from smartphone built-in sensors on large geographical scales at no cost and without involving expert data captors, provided that an adequate IT infrastructure has been implemented to manage properly the gathered measurements. In this paper, we present an improved version of a MCS-based platform, named City Soundscape, which allows exploiting any Android-based device as a portable acoustic monitoring station and that offers city managers an effective and straightforward tool for planning Noise Reduction Interventions (NRIs) within their cities. The platform also now offers a new logical microservices architecture

Vehicle as a Service (VaaS): Leverage Vehicles to Build Service Networks and Capabilities for Smart Cities

Smart cities demand resources for rich immersive sensing, ubiquitous communications, powerful computing, large storage, and high intelligence (SCCSI) to support various kinds of applications, such as public safety, connected and autonomous driving, smart and connected health, and smart living. At the same time, it is widely recognized that vehicles such as autonomous cars, equipped with significantly powerful SCCSI capabilities, will become ubiquitous in future smart cities. By observing the convergence of these two trends, this article advocates the use of vehicles to build a cost-effective service network, called the Vehicle as a Service (VaaS) paradigm, where vehicles empowered with SCCSI capability form a web of mobile servers and communicators to provide SCCSI services in smart cities. Towards this direction, we first examine the potential use cases in smart cities and possible upgrades required for the transition from traditional vehicular ad hoc networks (VANETs) to VaaS. Then, we will introduce the system architecture of the VaaS paradigm and discuss how it can provide SCCSI services in future smart cities, respectively. At last, we identify the open problems of this paradigm and future research directions, including architectural design, service provisioning, incentive design, and security & privacy. We expect that this paper paves the way towards developing a cost-effective and sustainable approach for building smart cities.Comment: 32 pages, 11 figure

Crowdsensing-driven route optimisation algorithms for smart urban mobility

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i KTH Royal Institute of TechnologyUrban rörlighet anses ofta vara en av de främsta möjliggörarna för en hållbar statsutveckling. Idag skulle det dock kräva ett betydande skifte mot renare och effektivare stadstransporter vilket skulle stödja ökad social och ekonomisk koncentration av resurser i städerna. En viktig prioritet för städer runt om i världen är att stödja medborgarnas rörlighet inom stadsmiljöer medan samtidigt minska trafikstockningar, olyckor och föroreningar. Att utveckla en effektivare och grönare (eller med ett ord; smartare) stadsrörlighet är en av de svåraste problemen att bemöta för stora metropoler. I denna avhandling närmar vi oss problemet från det snabba utvecklingsperspektivet av ITlandskapet i städer vilket möjliggör byggandet av rörlighetslösningar utan stora stora investeringar eller sofistikerad sensortenkik. I synnerhet föreslår vi utnyttjandet av den mobila rörlighetsavkännings, eng. Mobile Crowdsensing (MCS), paradigmen i vilken befolkningen exploaterar sin mobilkommunikation och/eller mobilasensorer med syftet att frivilligt samla, distribuera, lokalt processera och analysera geospecifik information. Rörlighetavkänningssdata (t.ex. händelser, trafikintensitet, buller och luftföroreningar etc.) inhämtad från frivilliga i befolkningen kan ge värdefull information om aktuella rörelsesförhållanden i stad vilka, med adekvata databehandlingsalgoriter, kan användas för att planera människors rörelseflöden inom stadsmiljön. Såtillvida kombineras i denna avhandling två mycket lovande smarta rörlighetsmöjliggörare, eng. Smart Mobility Enablers, nämligen MCS och rese/ruttplanering. Vi kan därmed till viss utsträckning sammanföra forskningsutmaningar från dessa två delar. Vi väljer att separera våra forskningsmål i två delar, dvs forskningssteg: (1) arkitektoniska utmaningar vid design av MCS-system och (2) algoritmiska utmaningar för tillämpningar av MCS-driven ruttplanering. Vi ämnar att visa en logisk forskningsprogression över tiden, med avstamp i mänskligt dirigerade rörelseavkänningssystem som MCS och ett avslut i automatiserade ruttoptimeringsalgoritmer skräddarsydda för specifika MCS-applikationer. Även om vi förlitar oss på heuristiska lösningar och algoritmer för NP-svåra ruttproblem förlitar vi oss på äkta applikationer med syftet att visa på fördelarna med algoritm- och infrastrukturförslagen.La movilidad urbana es considerada una de las principales desencadenantes de un desarrollo urbano sostenible. Sin embargo, hoy en día se requiere una transición hacia un transporte urbano más limpio y más eficiente que soporte una concentración de recursos sociales y económicos cada vez mayor en las ciudades. Una de las principales prioridades para las ciudades de todo el mundo es facilitar la movilidad de los ciudadanos dentro de los entornos urbanos, al mismo tiempo que se reduce la congestión, los accidentes y la contaminación. Sin embargo, desarrollar una movilidad urbana más eficiente y más verde (o en una palabra, más inteligente) es uno de los temas más difíciles de afrontar para las grandes áreas metropolitanas. En esta tesis, abordamos este problema desde la perspectiva de un panorama TIC en rápida evolución que nos permite construir movilidad sin la necesidad de grandes inversiones ni sofisticadas tecnologías de sensores. En particular, proponemos aprovechar el paradigma Mobile Crowdsensing (MCS) en el que los ciudadanos utilizan sus teléfonos móviles y dispositivos, para nosotros recopilar, procesar y analizar localmente información georreferenciada, distribuida voluntariamente. Los datos de movilidad recopilados de ciudadanos que voluntariamente quieren compartirlos (por ejemplo, eventos, intensidad del tráfico, ruido y contaminación del aire, etc.) pueden proporcionar información valiosa sobre las condiciones de movilidad actuales en la ciudad, que con el algoritmo de procesamiento de datos adecuado, pueden utilizarse para enrutar y gestionar el flujo de gente en entornos urbanos. Por lo tanto, en esta tesis combinamos dos prometedoras fuentes de movilidad inteligente: MCS y la planificación de viajes/rutas, uniendo en cierta medida los distintos desafíos de investigación. Hemos dividido nuestros objetivos de investigación en dos etapas: (1) Desafíos arquitectónicos en el diseño de sistemas MCS y (2) Desafíos algorítmicos en la planificación de rutas aprovechando la información del MCS. Nuestro objetivo es demostrar una progresión lógica de la investigación a lo largo del tiempo, comenzando desde los fundamentos de los sistemas de detección centrados en personas, como el MCS, hasta los algoritmos de optimización de rutas diseñados específicamente para la aplicación de estos. Si bien nos centramos en algoritmos y heurísticas para resolver problemas de enrutamiento de clase NP-hard, utilizamos ejemplos de aplicaciones en el mundo real para mostrar las ventajas de los algoritmos e infraestructuras propuestas.Postprint (published version

Recent advances in industrial wireless sensor networks towards efficient management in IoT

With the accelerated development of Internet-of- Things (IoT), wireless sensor networks (WSN) are gaining importance in the continued advancement of information and communication technologies, and have been connected and integrated with Internet in vast industrial applications. However, given the fact that most wireless sensor devices are resource constrained and operate on batteries, the communication overhead and power consumption are therefore important issues for wireless sensor networks design. In order to efficiently manage these wireless sensor devices in a unified manner, the industrial authorities should be able to provide a network infrastructure supporting various WSN applications and services that facilitate the management of sensor-equipped real-world entities. This paper presents an overview of industrial ecosystem, technical architecture, industrial device management standards and our latest research activity in developing a WSN management system. The key approach to enable efficient and reliable management of WSN within such an infrastructure is a cross layer design of lightweight and cloud-based RESTful web service

Tactful Networking: Humans in the Communication Loop

International audienceThis survey discusses the human-perspective into networking through the Tactful Networking paradigm, whose goal is to add perceptive senses to the network by assigning it with human-like capabilities of observation, interpretation, and reaction to daily-life features and associated entities. To achieve this, knowledge extracted from inherent human behavior in terms of routines, personality, interactions, and others is leveraged, empowering the learning and prediction of user needs to improve QoE and system performance while respecting privacy and fostering new applications and services. Tactful Networking groups solutions from literature and innovative interdisciplinary human aspects studied in other areas. The paradigm is motivated by mobile devices' pervasiveness and increasing presence as a sensor in our daily social activities. With the human element in the foreground, it is essential: (i) to center big data analytics around individuals; (ii) to create suitable incentive mechanisms for user participation; (iii) to design and evaluate both humanaware and system-aware networking solutions; and (iv) to apply prior and innovative techniques to deal with human-behavior sensing and learning. This survey reviews the human aspect in networking solutions through over a decade, followed by discussing the tactful networking impact through literature in behavior analysis and representative examples. This paper also discusses a framework comprising data management, analytics, and privacy for enhancing human raw-data to assist Tactful Networking solutions. Finally, challenges and opportunities for future research are presented