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

Socio-economic aware data forwarding in mobile sensing networks and systems

The vision for smart sustainable cities is one whereby urban sensing is core to optimising city operation which in turn improves citizen contentment. Wireless Sensor Networks are envisioned to become pervasive form of data collection and analysis for smart cities but deployment of millions of inter-connected sensors in a city can be cost-prohibitive. Given the ubiquity and ever-increasing capabilities of sensor-rich mobile devices, Wireless Sensor Networks with Mobile Phones (WSN-MP) provide a highly flexible and ready-made wireless infrastructure for future smart cities. In a WSN-MP, mobile phones not only generate the sensing data but also relay the data using cellular communication or short range opportunistic communication. The largest challenge here is the efficient transmission of potentially huge volumes of sensor data over sometimes meagre or faulty communications networks in a cost-effective way. This thesis investigates distributed data forwarding schemes in three types of WSN-MP: WSN with mobile sinks (WSN-MS), WSN with mobile relays (WSN-HR) and Mobile Phone Sensing Systems (MPSS). For these dynamic WSN-MP, realistic models are established and distributed algorithms are developed for efficient network performance including data routing and forwarding, sensing rate control and and pricing. This thesis also considered realistic urban sensing issues such as economic incentivisation and demonstrates how social network and mobility awareness improves data transmission. Through simulations and real testbed experiments, it is shown that proposed algorithms perform better than state-of-the-art schemes.Open Acces

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

e-mission: an open source, extensible platform for human mobility systems

Transportation is the single largest source of carbon emissions in the US. Decarbonizing it is challenging because it depends on individual behaviors, which in turn, depend on local land use planning. The interdisciplinary field of Computational Mobility, focusing on collecting, analysing and influencing human travel behavior, can frame solutions to this challenge.Innovation flows in interdisciplinary fields are bi-directional. The flow to the domain is focused on building a strong foundation for methodological improvements. As the improvements are deployed, they result in use-inspired computational research. This temporal dependency results in our initial focus on the modularity, accuracy and reproducibility of e-mission, an extensible platform for instrumenting human mobility. This open source platform has a modular architecture that supports power efficient duty cycling using virtual sensors, a read-only data model and a pipeline with novel algorithm adaptations for smartphone sensing.We also perform the first empirical evaluations of smartphone-based platforms in this domain. The architectural evaluation is based on three real world deployments: a classic travel diary, a crowdsourcing initiative, and a behavioral study. The accuracy evaluation is based on an novel procedure that uses artificial trips and multiple parallel phones to mitigate concerns over privacy, context sensitive power consumption and inherent sensing error. Data collected from three artifical timelines was used to evaluate the trajectory, segmentation and classification accuracies vs. power for various configurations.On computational side, challenges derived from the deployments can contribute to ongoing CS research in privacy, trustworthiness, incentivization and decision making. On the mobility side, this enables methodological innovations such as Agile Urban Planning for prototyping infrastructure changes

SLS: Smart localization service: human mobility models and machine learning enhancements for mobile phone’s localization

In recent years we are witnessing a noticeable increment in the usage of new generation smartphones, as well as the growth of mobile application development. Today, there is an app for almost everything we need. We are surrounded by a huge number of proactive applications, which automatically provide relevant information and services when and where we need them. This switch from the previous generation of passive applications to the new one of proactive applications has been enabled by the exploitation of context information. One of the most important and most widely used pieces of context information is location data. For this reason, new generation devices include a localization engine that exploits various embedded technologies (e.g., GPS, WiFi, GSM) to retrieve location information. Consequently, the key issue in localization is now the efficient use of the mobile localization engine, where efficient means lightweight on device resource consumption, responsive, accurate and safe in terms of privacy. In fact, since the device resources are limited, all the services running on it have to manage their trade-off between consumption and reliability to prevent a premature depletion of the phone’s battery. In turn, localization is one of the most demanding services in terms of resource consumption. In this dissertation I present an efficient localization solution that includes, in addition to the standard location tracking techniques, the support of other technologies already available on smartphones (e.g., embedded sensors), as well as the integration of both Human Mobility Modelling (HMM) and Machine Learning (ML) techniques. The main goal of the proposed solution is the provision of a continuous tracking service while achieving a sizeable reduction of the energy impact of the localization with respect to standard solutions, as well as the preservation of user privacy by avoiding the use of a back-end server. This results in a Smart Localization Service (SLS), which outperforms current solutions implemented on smartphones in terms of energy consumption (and, therefore, mobile device lifetime), availability of location information, and network traffic volume

Technologies for Development: From Innovation to Social Impact

Development Engineering; Technologies for Development; Innovation for Humanitarian Action; Emerging Countries; Developing Countries; Tech4De

Exploring Computing Continuum in IoT Systems: Sensing, Communicating and Processing at the Network Edge

As Internet of Things (IoT), originally comprising of only a few simple sensing devices, reaches 34 billion units by the end of 2020, they cannot be defined as merely monitoring sensors anymore. IoT capabilities have been improved in recent years as relatively large internal computation and storage capacity are becoming a commodity. In the early days of IoT, processing and storage were typically performed in cloud. New IoT architectures are able to perform complex tasks directly on-device, thus enabling the concept of an extended computational continuum. Real-time critical scenarios e.g. autonomous vehicles sensing, area surveying or disaster rescue and recovery require all the actors involved to be coordinated and collaborate without human interaction to a common goal, sharing data and resources, even in intermittent networks covered areas. This poses new problems in distributed systems, resource management, device orchestration,as well as data processing. This work proposes a new orchestration and communication framework, namely CContinuum, designed to manage resources in heterogeneous IoT architectures across multiple application scenarios. This work focuses on two key sustainability macroscenarios: (a) environmental sensing and awareness, and (b) electric mobility support. In the first case a mechanism to measure air quality over a long period of time for different applications at global scale (3 continents 4 countries) is introduced. The system has been developed in-house from the sensor design to the mist-computing operations performed by the nodes. In the second scenario, a technique to transmit large amounts of fine-time granularity battery data from a moving vehicle to a control center is proposed jointly with the ability of allocating tasks on demand within the computing continuum

SMARTPHONE-BASED DECENTRALIZED PUBLIC-TRANSPORT APPLICATIONS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH