Application of service composition mechanisms to Future Networks architectures and Smart Grids

Aquesta tesi gira entorn de la hipòtesi de la metodologia i mecanismes de composició de serveis i com es poden aplicar a diferents camps d'aplicació per a orquestrar de manera eficient comunicacions i processos flexibles i sensibles al context. Més concretament, se centra en dos camps d'aplicació: la distribució eficient i sensible al context de contingut multimèdia i els serveis d'una xarxa elèctrica intel·ligent. En aquest últim camp es centra en la gestió de la infraestructura, cap a la definició d'una Software Defined Utility (SDU), que proposa una nova manera de gestionar la Smart Grid amb un enfocament basat en programari, que permeti un funcionament molt més flexible de la infraestructura de xarxa elèctrica. Per tant, revisa el context, els requisits i els reptes, així com els enfocaments de la composició de serveis per a aquests camps. Fa especial èmfasi en la combinació de la composició de serveis amb arquitectures Future Network (FN), presentant una proposta de FN orientada a serveis per crear comunicacions adaptades i sota demanda. També es presenten metodologies i mecanismes de composició de serveis per operar sobre aquesta arquitectura, i posteriorment, es proposa el seu ús (en conjunció o no amb l'arquitectura FN) en els dos camps d'estudi. Finalment, es presenta la investigació i desenvolupament realitzat en l'àmbit de les xarxes intel·ligents, proposant diverses parts de la infraestructura SDU amb exemples d'aplicació de composició de serveis per dissenyar seguretat dinàmica i flexible o l'orquestració i gestió de serveis i recursos dins la infraestructura de l'empresa elèctrica.Esta tesis gira en torno a la hipótesis de la metodología y mecanismos de composición de servicios y cómo se pueden aplicar a diferentes campos de aplicación para orquestar de manera eficiente comunicaciones y procesos flexibles y sensibles al contexto. Más concretamente, se centra en dos campos de aplicación: la distribución eficiente y sensible al contexto de contenido multimedia y los servicios de una red eléctrica inteligente. En este último campo se centra en la gestión de la infraestructura, hacia la definición de una Software Defined Utility (SDU), que propone una nueva forma de gestionar la Smart Grid con un enfoque basado en software, que permita un funcionamiento mucho más flexible de la infraestructura de red eléctrica. Por lo tanto, revisa el contexto, los requisitos y los retos, así como los enfoques de la composición de servicios para estos campos. Hace especial hincapié en la combinación de la composición de servicios con arquitecturas Future Network (FN), presentando una propuesta de FN orientada a servicios para crear comunicaciones adaptadas y bajo demanda. También se presentan metodologías y mecanismos de composición de servicios para operar sobre esta arquitectura, y posteriormente, se propone su uso (en conjunción o no con la arquitectura FN) en los dos campos de estudio. Por último, se presenta la investigación y desarrollo realizado en el ámbito de las redes inteligentes, proponiendo varias partes de la infraestructura SDU con ejemplos de aplicación de composición de servicios para diseñar seguridad dinámica y flexible o la orquestación y gestión de servicios y recursos dentro de la infraestructura de la empresa eléctrica.This thesis revolves around the hypothesis the service composition methodology and mechanisms and how they can be applied to different fields of application in order to efficiently orchestrate flexible and context-aware communications and processes. More concretely, it focuses on two fields of application that are the context-aware media distribution and smart grid services and infrastructure management, towards a definition of a Software-Defined Utility (SDU), which proposes a new way of managing the Smart Grid following a software-based approach that enable a much more flexible operation of the power infrastructure. Hence, it reviews the context, requirements and challenges of these fields, as well as the service composition approaches. It makes special emphasis on the combination of service composition with Future Network (FN) architectures, presenting a service-oriented FN proposal for creating context-aware on-demand communication services. Service composition methodology and mechanisms are also presented in order to operate over this architecture, and afterwards, proposed for their usage (in conjunction or not with the FN architecture) in the deployment of context-aware media distribution and Smart Grids. Finally, the research and development done in the field of Smart Grids is depicted, proposing several parts of the SDU infrastructure, with examples of service composition application for designing dynamic and flexible security for smart metering or the orchestration and management of services and data resources within the utility infrastructure

From cluster databases to cloud storage: Providing transactional support on the cloud

Durant les últimes tres dècades, les limitacions tecnològiques (com per exemple la capacitat dels dispositius d'emmagatzematge o l'ample de banda de les xarxes de comunicació) i les creixents demandes dels usuaris (estructures d'informació, volums de dades) han conduït l'evolució de les bases de dades distribuïdes. Des dels primers repositoris de dades per arxius plans que es van desenvolupar en la dècada dels vuitanta, s'han produït importants avenços en els algoritmes de control de concurrència, protocols de replicació i en la gestió de transaccions. No obstant això, els reptes moderns d'emmagatzematge de dades que plantegen el Big Data i el cloud computing—orientats a millorar la limitacions pel que fa a escalabilitat i elasticitat de les bases de dades estàtiques—estan empenyent als professionals a relaxar algunes propietats importants dels sistemes transaccionals clàssics, cosa que exclou a diverses aplicacions les quals no poden encaixar en aquesta estratègia degut a la seva alta dependència transaccional. El propòsit d'aquesta tesi és abordar dos reptes importants encara latents en el camp de les bases de dades distribuïdes: (1) les limitacions pel que fa a escalabilitat dels sistemes transaccionals i (2) el suport transaccional en repositoris d'emmagatzematge en el núvol. Analitzar les tècniques tradicionals de control de concurrència i de replicació, utilitzades per les bases de dades clàssiques per suportar transaccions, és fonamental per identificar les raons que fan que aquests sistemes degradin el seu rendiment quan el nombre de nodes i / o quantitat de dades creix. A més, aquest anàlisi està orientat a justificar el disseny dels repositoris en el núvol que deliberadament han deixat de banda el suport transaccional. Efectivament, apropar el paradigma de l'emmagatzematge en el núvol a les aplicacions que tenen una forta dependència en les transaccions és fonamental per a la seva adaptació als requeriments actuals pel que fa a volums de dades i models de negoci. Aquesta tesi comença amb la proposta d'un simulador de protocols per a bases de dades distribuïdes estàtiques, el qual serveix com a base per a la revisió i comparativa de rendiment dels protocols de control de concurrència i les tècniques de replicació existents. Pel que fa a la escalabilitat de les bases de dades i les transaccions, s'estudien els efectes que té executar diferents perfils de transacció sota diferents condicions. Aquesta anàlisi contínua amb una revisió dels repositoris d'emmagatzematge de dades en el núvol existents—que prometen encaixar en entorns dinàmics que requereixen alta escalabilitat i disponibilitat—, el qual permet avaluar els paràmetres i característiques que aquests sistemes han sacrificat per tal de complir les necessitats actuals pel que fa a emmagatzematge de dades a gran escala. Per explorar les possibilitats que ofereix el paradigma del cloud computing en un escenari real, es presenta el desenvolupament d'una arquitectura d'emmagatzematge de dades inspirada en el cloud computing la qual s’utilitza per emmagatzemar la informació generada en les Smart Grids. Concretament, es combinen les tècniques de replicació en bases de dades transaccionals i la propagació epidèmica amb els principis de disseny usats per construir els repositoris de dades en el núvol. Les lliçons recollides en l'estudi dels protocols de replicació i control de concurrència en el simulador de base de dades, juntament amb les experiències derivades del desenvolupament del repositori de dades per a les Smart Grids, desemboquen en el que hem batejat com Epidemia: una infraestructura d'emmagatzematge per Big Data concebuda per proporcionar suport transaccional en el núvol. A més d'heretar els beneficis dels repositoris en el núvol en quant a escalabilitat, Epidemia inclou una capa de gestió de transaccions que reenvia les transaccions dels clients a un conjunt jeràrquic de particions de dades, cosa que permet al sistema oferir diferents nivells de consistència i adaptar elàsticament la seva configuració a noves demandes de càrrega de treball. Finalment, els resultats experimentals posen de manifest la viabilitat de la nostra contribució i encoratgen als professionals a continuar treballant en aquesta àrea.Durante las últimas tres décadas, las limitaciones tecnológicas (por ejemplo la capacidad de los dispositivos de almacenamiento o el ancho de banda de las redes de comunicación) y las crecientes demandas de los usuarios (estructuras de información, volúmenes de datos) han conducido la evolución de las bases de datos distribuidas. Desde los primeros repositorios de datos para archivos planos que se desarrollaron en la década de los ochenta, se han producido importantes avances en los algoritmos de control de concurrencia, protocolos de replicación y en la gestión de transacciones. Sin embargo, los retos modernos de almacenamiento de datos que plantean el Big Data y el cloud computing—orientados a mejorar la limitaciones en cuanto a escalabilidad y elasticidad de las bases de datos estáticas—están empujando a los profesionales a relajar algunas propiedades importantes de los sistemas transaccionales clásicos, lo que excluye a varias aplicaciones las cuales no pueden encajar en esta estrategia debido a su alta dependencia transaccional. El propósito de esta tesis es abordar dos retos importantes todavía latentes en el campo de las bases de datos distribuidas: (1) las limitaciones en cuanto a escalabilidad de los sistemas transaccionales y (2) el soporte transaccional en repositorios de almacenamiento en la nube. Analizar las técnicas tradicionales de control de concurrencia y de replicación, utilizadas por las bases de datos clásicas para soportar transacciones, es fundamental para identificar las razones que hacen que estos sistemas degraden su rendimiento cuando el número de nodos y/o cantidad de datos crece. Además, este análisis está orientado a justificar el diseño de los repositorios en la nube que deliberadamente han dejado de lado el soporte transaccional. Efectivamente, acercar el paradigma del almacenamiento en la nube a las aplicaciones que tienen una fuerte dependencia en las transacciones es crucial para su adaptación a los requerimientos actuales en cuanto a volúmenes de datos y modelos de negocio. Esta tesis empieza con la propuesta de un simulador de protocolos para bases de datos distribuidas estáticas, el cual sirve como base para la revisión y comparativa de rendimiento de los protocolos de control de concurrencia y las técnicas de replicación existentes. En cuanto a la escalabilidad de las bases de datos y las transacciones, se estudian los efectos que tiene ejecutar distintos perfiles de transacción bajo diferentes condiciones. Este análisis continua con una revisión de los repositorios de almacenamiento en la nube existentes—que prometen encajar en entornos dinámicos que requieren alta escalabilidad y disponibilidad—, el cual permite evaluar los parámetros y características que estos sistemas han sacrificado con el fin de cumplir las necesidades actuales en cuanto a almacenamiento de datos a gran escala. Para explorar las posibilidades que ofrece el paradigma del cloud computing en un escenario real, se presenta el desarrollo de una arquitectura de almacenamiento de datos inspirada en el cloud computing para almacenar la información generada en las Smart Grids. Concretamente, se combinan las técnicas de replicación en bases de datos transaccionales y la propagación epidémica con los principios de diseño usados para construir los repositorios de datos en la nube. Las lecciones recogidas en el estudio de los protocolos de replicación y control de concurrencia en el simulador de base de datos, junto con las experiencias derivadas del desarrollo del repositorio de datos para las Smart Grids, desembocan en lo que hemos acuñado como Epidemia: una infraestructura de almacenamiento para Big Data concebida para proporcionar soporte transaccional en la nube. Además de heredar los beneficios de los repositorios en la nube altamente en cuanto a escalabilidad, Epidemia incluye una capa de gestión de transacciones que reenvía las transacciones de los clientes a un conjunto jerárquico de particiones de datos, lo que permite al sistema ofrecer distintos niveles de consistencia y adaptar elásticamente su configuración a nuevas demandas cargas de trabajo. Por último, los resultados experimentales ponen de manifiesto la viabilidad de nuestra contribución y alientan a los profesionales a continuar trabajando en esta área.Over the past three decades, technology constraints (e.g., capacity of storage devices, communication networks bandwidth) and an ever-increasing set of user demands (e.g., information structures, data volumes) have driven the evolution of distributed databases. Since flat-file data repositories developed in the early eighties, there have been important advances in concurrency control algorithms, replication protocols, and transactions management. However, modern concerns in data storage posed by Big Data and cloud computing—related to overcome the scalability and elasticity limitations of classic databases—are pushing practitioners to relax some important properties featured by transactions, which excludes several applications that are unable to fit in this strategy due to their intrinsic transactional nature. The purpose of this thesis is to address two important challenges still latent in distributed databases: (1) the scalability limitations of transactional databases and (2) providing transactional support on cloud-based storage repositories. Analyzing the traditional concurrency control and replication techniques, used by classic databases to support transactions, is critical to identify the reasons that make these systems degrade their throughput when the number of nodes and/or amount of data rockets. Besides, this analysis is devoted to justify the design rationale behind cloud repositories in which transactions have been generally neglected. Furthermore, enabling applications which are strongly dependent on transactions to take advantage of the cloud storage paradigm is crucial for their adaptation to current data demands and business models. This dissertation starts by proposing a custom protocol simulator for static distributed databases, which serves as a basis for revising and comparing the performance of existing concurrency control protocols and replication techniques. As this thesis is especially concerned with transactions, the effects on the database scalability of different transaction profiles under different conditions are studied. This analysis is followed by a review of existing cloud storage repositories—that claim to be highly dynamic, scalable, and available—, which leads to an evaluation of the parameters and features that these systems have sacrificed in order to meet current large-scale data storage demands. To further explore the possibilities of the cloud computing paradigm in a real-world scenario, a cloud-inspired approach to store data from Smart Grids is presented. More specifically, the proposed architecture combines classic database replication techniques and epidemic updates propagation with the design principles of cloud-based storage. The key insights collected when prototyping the replication and concurrency control protocols at the database simulator, together with the experiences derived from building a large-scale storage repository for Smart Grids, are wrapped up into what we have coined as Epidemia: a storage infrastructure conceived to provide transactional support on the cloud. In addition to inheriting the benefits of highly-scalable cloud repositories, Epidemia includes a transaction management layer that forwards client transactions to a hierarchical set of data partitions, which allows the system to offer different consistency levels and elastically adapt its configuration to incoming workloads. Finally, experimental results highlight the feasibility of our contribution and encourage practitioners to further research in this area

Smart Regulation for Smart Grids

Climate change and security of supply policies are driving us towards a decarbonization of the electricity system. It is in this context that smart grids are being discussed. Electricity grids, and hence their regulatory frameworks, have a key role to play in facilitating this transformation of the electricity system. In this paper, we analyze what is expected from grids and what are the regulatory tools that could be used to align the incentives of grid companies and grid users with what is expected from them. We look at three empirical cases to see which regulatory tools have already been applied and find that smart grids need a coherent regulatory framework addressing grid services, grid technology innovation and grid user participation to the ongoing grid innovation. The paper concludes with what appears to be a smart regulation for smart grids.Regulation, innovation, electricity, grids, transmission, distribution

New Challenges on Web Architectures for the Homogenization of the Heterogeneity of Smart Objects in the Internet of Things

Aquesta tesi tracta de dues de les noves tecnologies relacionades amb la Internet of Things (IoT) i la seva integració amb el camp de les Smart Grids (SGs); aquestes tecnologies son la Web of Things (WoT) i la Social Internet of Things (SIoT). La WoT és una tecnologia que s’espera que proveeixi d’un entorn escalable i interoperable a la IoT usant la infraestructura web existent, els protocols web y la web semàntica. També s’espera que la SIoT contribueixi a solucionar els reptes d’escalabilitat i capacitat de descobriment creant una xarxa social d’agents (objectes i humans). Per explorar la sinergia entre aquestes tecnologies, l’objectiu és el de proporcionar evidència pràctica i empírica, generalment en forma de prototips d’implementació i experimentació empírica. En relació amb la WoT i les SGs, s’ha creat un prototip per al Web of Energy (WoE) que té com a objectiu abordar els desafiaments presents en el domini les SGs. El prototip és capaç de proporcionar interoperabilitat i homogeneïtat entre diversos protocols. El disseny d’implementació es basa en el Model d’Actors, que també proporciona escalabilitat del prototip. L’experimentació mostra que el prototip pot gestionar la transmissió de missatges per a aplicacions de les SGs que requereixen que la comunicació es realitzi sota llindars de temps crítics. També es pren una altra direcció d’investigació similar, menys centrada en les SGs, però per a una gamma més àmplia de dominis d’aplicació. S’integra la descripció dels fluxos d’execució com a màquines d’estats finits utilitzant ontologies web (Resource Description Framework (RDF)) i metodologies de la WoT (les accions es realitzen basant-se en peticions Hyper-Text Transfer Protocol/Secure (HTTP/S) a Uniform Resource Locators (URLs)). Aquest flux d’execució, que també pot ser un plantilla per a permetre una configuració flexible en temps d’execució, s’implementa i interpreta com si fos (i mitjançant) un Virtual Object (VO). L’objectiu de la plantilla és ser reutilitzable i poder-se compartir entre múltiples desplegaments de la IoT dins el mateix domini d’aplicació. A causa de les tecnologies utilitzades, la solució no és adequada per a aplicacions de temps crític (llindar de temps relativament baix i rígid). No obstant això, és adequat per a aplicacions que no demanden resposta en un temps crític i que requereixen el desplegament de VOs similars en el que fa referència al flux d’execució. Finalment, el treball s’enfoca en una altra tecnologia destinada a millorar l’escalabilitat i la capacitat de descobriment en la IoT. La SIoT està sorgint com una nova estructura de la IoT que uneix els nodes a través de relacions significatives. Aquestes relacions tenen com a objectiu millorar la capacitat de descobriment; en conseqüència, millora la escalabilitat d’una xarxa de la IoT. En aquest treball s’aplica aquest nou paradigma per optimitzar la gestió de l’energia en el costat de la demanda a les SGs. L’objectiu és aprofitar les característiques de la SIoT per ajudar a la creació de Prosumer Community Groups (PCGs) (grups d’usuaris que consumeixen o produeixen energia) amb el mateix objectiu d’optimització en l’ús de l’energia. La sinergia entre la SIoT i les SGs s’ha anomenat Social Internet of Energy (SIoE). Per tant, amb la SIoE i amb el focus en un desafiament específic, s’estableix la base conceptual per a la integració entre la SIoT i les SGs. Els experiments inicials mostren resultats prometedors i aplanen el camí per a futures investigacions i avaluacions de la proposta. Es conclou que el WoT i la SIoT són dos paradigmes complementaris que nodreixen l’evolució de la propera generació de la IoT. S’espera que la propera generació de la IoT sigui un Multi-Agent System (MAS) generalitzat. Alguns investigadors ja estan apuntant a la Web i les seves tecnologies (per exemple, Web Semàntica, HTTP/S)—i més concretamente a la WoT — com a l’entorn que nodreixi a aquests agents. La SIoT pot millorar tant l’entorn com les relacions entre els agents en aquesta fusió. Les SGs també poden beneficiar-se dels avenços de la IoT, ja que es poden considerar com una aplicació específica d’aquesta última.  Esta tesis trata de dos de las novedosas tecnologías relacionadas con la Internet of Things (IoT) y su integración con el campo de las Smart Grids (SGs); estas tecnologías son laWeb of Things (WoT) y la Social Internet of Things (SIoT). La WoT es una tecnología que se espera que provea de un entorno escalable e interoperable a la IoT usando la infraestructura web existente, los protocolos web y la web semántica. También se espera que la SIoT contribuya a solucionar los retos de escalabilidad y capacidad de descubrimiento creando una red social de agentes (objetos y humanos). Para explorar la sinergia entre estas tecnologías, el objetivo es el de proporcionar evidencia práctica y empírica, generalmente en forma de prototipos de implementación y experimentación empírica. En relación con la WoT y las SGs, se ha creado un prototipo para la Web of Energy (WoE) que tiene como objetivo abordar los desafíos presentes en el dominio las SGs. El prototipo es capaz de proporcionar interoperabilidad y homogeneidad entre diversos protocolos. El diseño de implementación se basa en el Modelo de Actores, que también proporciona escalabilidad del prototipo. La experimentación muestra que el prototipo puede manejar la transmisión de mensajes para aplicaciones de las SGs que requieran que la comunicación se realice bajo umbrales de tiempo críticos. También se toma otra dirección de investigación similar, menos centrada en las SGs, pero para una gama más amplia de dominios de aplicación. Se integra la descripción de los flujos de ejecución como máquinas de estados finitos utilizando ontologías web (Resource Description Framework (RDF)) y metodologías de la WoT (las acciones se realizan basándose en peticiones Hyper-Text Transfer Protocol/Secure (HTTP/S) a Uniform Resource Locators (URLs)). Este flujo de ejecución, que también puede ser una plantilla para permitir una configuración flexible en tiempo de ejecución, se implementa e interpreta como si fuera (y a través de) un Virtual Object (VO). El objetivo de la plantilla es que sea reutilizable y se pueda compartir entre múltiples despliegues de la IoT dentro del mismo dominio de aplicación. Debido a las tecnologías utilizadas, la solución no es adecuada para aplicaciones de tiempo crítico (umbral de tiempo relativamente bajo y rígido). Sin embargo, es adecuado para aplicaciones que no demandan respuesta en un tiempo crítico y que requieren el despliegue de VOs similares en cuanto al flujo de ejecución. Finalmente, el trabajo se enfoca en otra tecnología destinada a mejorar la escalabilidad y la capacidad de descubrimiento en la IoT. La SIoT está emergiendo como una nueva estructura de la IoT que une los nodos a través de relaciones significativas. Estas relaciones tienen como objetivo mejorar la capacidad de descubrimiento; en consecuencia, mejora la escalabilidad de una red de la IoT. En este trabajo se aplica este nuevo paradigma para optimizar la gestión de la energía en el lado de la demanda en las SGs. El objetivo es aprovechar las características de la SIoT para ayudar en la creación de Prosumer Community Groups (PCGs) (grupos de usuarios que consumen o producen energía) con el mismo objetivo de optimización en el uso de la energía. La sinergia entre la SIoT y las SGs ha sido denominada Social Internet of Energy (SIoE). Por lo tanto, con la SIoE y con el foco en un desafío específico, se establece la base conceptual para la integración entre la SIoT y las SG. Los experimentos iniciales muestran resultados prometedores y allanan el camino para futuras investigaciones y evaluaciones de la propuesta. Se concluye que la WoT y la SIoT son dos paradigmas complementarios que nutren la evolución de la próxima generación de la IoT. Se espera que la próxima generación de la IoT sea un Multi-Agent System (MAS) generalizado. Algunos investigadores ya están apuntando a la Web y sus tecnologías (por ejemplo,Web Semántica, HTTP/S)—y más concretamente a la WoT — como el entorno que nutra a estos agentes. La SIoT puede mejorar tanto el entorno como las relaciones entre los agentes en esta fusión. Como un campo específico de la IoT, las SGs también pueden beneficiarse de los avances de la IoT.This thesis deals with two novel Internet of Things (IoT) technologies and their integration to the field of the Smart Grid (SG); these technologies are the Web of Things (WoT) and the Social Internet of Things (SIoT). The WoT is an enabling technology expected to provide a scalable and interoperable environment to the IoT using the existing web infrastructure, web protocols and the semantic web. The SIoT is expected to expand further and contribute to scalability and discoverability challenges by creating a social network of agents (objects and humans). When exploring the synergy between those technologies, we aim at providing practical and empirical evidence, usually in the form of prototype implementations and empirical experimentation. In relation to the WoT and SG, we create a prototype for the Web of Energy (WoE), that aims at addressing challenges present in the SG domain. The prototype is capable of providing interoperability and homogeneity among diverse protocols. The implementation design is based on the Actor Model, which also provides scalability in regards to the prototype. Experimentation shows that the prototype can handle the transmission of messages for time-critical SG applications. We also take another similar research direction less focused on the SG, but for a broader range of application domains. We integrate the description of flows of execution as Finite-State Machines (FSMs) using web ontologies (Resource Description Framework (RDF)) and WoT methodologies (actions are performed on the basis of calls Hyper Text Transfer Protocol/ Secure (HTTP/S) to a Uniform Resource Locator (URL)). This execution flow, which can also be a template to allow flexible configuration at runtime, is deployed and interpreted as (and through) a Virtual Object (VO). The template aims to be reusable and shareable among multiple IoT deployments within the same application domain. Due to the technologies used, the solution is not suitable for time-critical applications. Nevertheless, it is suitable for non-time-critical applications that require the deployment of similar VOs. Finally, we focus on another technology aimed at improving scalability and discoverability in IoT. The SIoT is emerging as a new IoT structure that links nodes through meaningful relationships. These relationships aim at improving discoverability; consequently, improving the scalability of an IoT network. We apply this new paradigm to optimize energy management at the demand side in a SG. Our objective is to harness the features of the SIoT to aid in the creation of Prosumer Community Group (PCG) (groups of energy users that consume or produce energy) with the same Demand Side Management (DSM) goal. We refer to the synergy between SIoT and SG as Social Internet of Energy (SIoE). Therefore, with the SIoE and focusing on a specific challenge, we set the conceptual basis for the integration between SIoT and SG. Initial experiments show promising results and pave the way for further research and evaluation of the proposal. We conclude that the WoT and the SIoT are two complementary paradigms that nourish the evolution of the next generation IoT. The next generation IoT is expected to be a pervasive Multi-Agent System (MAS). Some researchers are already pointing at the Web and its technologies (e.g. Semantic Web, HTTP/S) — and more concretely at the WoT — as the environment nourishing the agents. The SIoT can enhance both the environment and the relationships between agents in this fusion. As a specific field of the IoT, the SG can also benefit from IoT advancements

New Challenges on Web Architectures for the Homogenization of the Heterogeneity of Smart Objects in the Internet of Things

Aquesta tesi tracta de dues de les noves tecnologies relacionades amb la Internet of Things (IoT) i la seva integració amb el camp de les Smart Grids (SGs); aquestes tecnologies son la Web of Things (WoT) i la Social Internet of Things (SIoT). La WoT és una tecnologia que s’espera que proveeixi d’un entorn escalable i interoperable a la IoT usant la infraestructura web existent, els protocols web y la web semàntica. També s’espera que la SIoT contribueixi a solucionar els reptes d’escalabilitat i capacitat de descobriment creant una xarxa social d’agents (objectes i humans). Per explorar la sinergia entre aquestes tecnologies, l’objectiu és el de proporcionar evidència pràctica i empírica, generalment en forma de prototips d’implementació i experimentació empírica. En relació amb la WoT i les SGs, s’ha creat un prototip per al Web of Energy (WoE) que té com a objectiu abordar els desafiaments presents en el domini les SGs. El prototip és capaç de proporcionar interoperabilitat i homogeneïtat entre diversos protocols. El disseny d’implementació es basa en el Model d’Actors, que també proporciona escalabilitat del prototip. L’experimentació mostra que el prototip pot gestionar la transmissió de missatges per a aplicacions de les SGs que requereixen que la comunicació es realitzi sota llindars de temps crítics. També es pren una altra direcció d’investigació similar, menys centrada en les SGs, però per a una gamma més àmplia de dominis d’aplicació. S’integra la descripció dels fluxos d’execució com a màquines d’estats finits utilitzant ontologies web (Resource Description Framework (RDF)) i metodologies de la WoT (les accions es realitzen basant-se en peticions Hyper-Text Transfer Protocol/Secure (HTTP/S) a Uniform Resource Locators (URLs)). Aquest flux d’execució, que també pot ser un plantilla per a permetre una configuració flexible en temps d’execució, s’implementa i interpreta com si fos (i mitjançant) un Virtual Object (VO). L’objectiu de la plantilla és ser reutilitzable i poder-se compartir entre múltiples desplegaments de la IoT dins el mateix domini d’aplicació. A causa de les tecnologies utilitzades, la solució no és adequada per a aplicacions de temps crític (llindar de temps relativament baix i rígid). No obstant això, és adequat per a aplicacions que no demanden resposta en un temps crític i que requereixen el desplegament de VOs similars en el que fa referència al flux d’execució. Finalment, el treball s’enfoca en una altra tecnologia destinada a millorar l’escalabilitat i la capacitat de descobriment en la IoT. La SIoT està sorgint com una nova estructura de la IoT que uneix els nodes a través de relacions significatives. Aquestes relacions tenen com a objectiu millorar la capacitat de descobriment; en conseqüència, millora la escalabilitat d’una xarxa de la IoT. En aquest treball s’aplica aquest nou paradigma per optimitzar la gestió de l’energia en el costat de la demanda a les SGs. L’objectiu és aprofitar les característiques de la SIoT per ajudar a la creació de Prosumer Community Groups (PCGs) (grups d’usuaris que consumeixen o produeixen energia) amb el mateix objectiu d’optimització en l’ús de l’energia. La sinergia entre la SIoT i les SGs s’ha anomenat Social Internet of Energy (SIoE). Per tant, amb la SIoE i amb el focus en un desafiament específic, s’estableix la base conceptual per a la integració entre la SIoT i les SGs. Els experiments inicials mostren resultats prometedors i aplanen el camí per a futures investigacions i avaluacions de la proposta. Es conclou que el WoT i la SIoT són dos paradigmes complementaris que nodreixen l’evolució de la propera generació de la IoT. S’espera que la propera generació de la IoT sigui un Multi-Agent System (MAS) generalitzat. Alguns investigadors ja estan apuntant a la Web i les seves tecnologies (per exemple, Web Semàntica, HTTP/S)—i més concretamente a la WoT — com a l’entorn que nodreixi a aquests agents. La SIoT pot millorar tant l’entorn com les relacions entre els agents en aquesta fusió. Les SGs també poden beneficiar-se dels avenços de la IoT, ja que es poden considerar com una aplicació específica d’aquesta última.  Esta tesis trata de dos de las novedosas tecnologías relacionadas con la Internet of Things (IoT) y su integración con el campo de las Smart Grids (SGs); estas tecnologías son laWeb of Things (WoT) y la Social Internet of Things (SIoT). La WoT es una tecnología que se espera que provea de un entorno escalable e interoperable a la IoT usando la infraestructura web existente, los protocolos web y la web semántica. También se espera que la SIoT contribuya a solucionar los retos de escalabilidad y capacidad de descubrimiento creando una red social de agentes (objetos y humanos). Para explorar la sinergia entre estas tecnologías, el objetivo es el de proporcionar evidencia práctica y empírica, generalmente en forma de prototipos de implementación y experimentación empírica. En relación con la WoT y las SGs, se ha creado un prototipo para la Web of Energy (WoE) que tiene como objetivo abordar los desafíos presentes en el dominio las SGs. El prototipo es capaz de proporcionar interoperabilidad y homogeneidad entre diversos protocolos. El diseño de implementación se basa en el Modelo de Actores, que también proporciona escalabilidad del prototipo. La experimentación muestra que el prototipo puede manejar la transmisión de mensajes para aplicaciones de las SGs que requieran que la comunicación se realice bajo umbrales de tiempo críticos. También se toma otra dirección de investigación similar, menos centrada en las SGs, pero para una gama más amplia de dominios de aplicación. Se integra la descripción de los flujos de ejecución como máquinas de estados finitos utilizando ontologías web (Resource Description Framework (RDF)) y metodologías de la WoT (las acciones se realizan basándose en peticiones Hyper-Text Transfer Protocol/Secure (HTTP/S) a Uniform Resource Locators (URLs)). Este flujo de ejecución, que también puede ser una plantilla para permitir una configuración flexible en tiempo de ejecución, se implementa e interpreta como si fuera (y a través de) un Virtual Object (VO). El objetivo de la plantilla es que sea reutilizable y se pueda compartir entre múltiples despliegues de la IoT dentro del mismo dominio de aplicación. Debido a las tecnologías utilizadas, la solución no es adecuada para aplicaciones de tiempo crítico (umbral de tiempo relativamente bajo y rígido). Sin embargo, es adecuado para aplicaciones que no demandan respuesta en un tiempo crítico y que requieren el despliegue de VOs similares en cuanto al flujo de ejecución. Finalmente, el trabajo se enfoca en otra tecnología destinada a mejorar la escalabilidad y la capacidad de descubrimiento en la IoT. La SIoT está emergiendo como una nueva estructura de la IoT que une los nodos a través de relaciones significativas. Estas relaciones tienen como objetivo mejorar la capacidad de descubrimiento; en consecuencia, mejora la escalabilidad de una red de la IoT. En este trabajo se aplica este nuevo paradigma para optimizar la gestión de la energía en el lado de la demanda en las SGs. El objetivo es aprovechar las características de la SIoT para ayudar en la creación de Prosumer Community Groups (PCGs) (grupos de usuarios que consumen o producen energía) con el mismo objetivo de optimización en el uso de la energía. La sinergia entre la SIoT y las SGs ha sido denominada Social Internet of Energy (SIoE). Por lo tanto, con la SIoE y con el foco en un desafío específico, se establece la base conceptual para la integración entre la SIoT y las SG. Los experimentos iniciales muestran resultados prometedores y allanan el camino para futuras investigaciones y evaluaciones de la propuesta. Se concluye que la WoT y la SIoT son dos paradigmas complementarios que nutren la evolución de la próxima generación de la IoT. Se espera que la próxima generación de la IoT sea un Multi-Agent System (MAS) generalizado. Algunos investigadores ya están apuntando a la Web y sus tecnologías (por ejemplo,Web Semántica, HTTP/S)—y más concretamente a la WoT — como el entorno que nutra a estos agentes. La SIoT puede mejorar tanto el entorno como las relaciones entre los agentes en esta fusión. Como un campo específico de la IoT, las SGs también pueden beneficiarse de los avances de la IoT.This thesis deals with two novel Internet of Things (IoT) technologies and their integration to the field of the Smart Grid (SG); these technologies are the Web of Things (WoT) and the Social Internet of Things (SIoT). The WoT is an enabling technology expected to provide a scalable and interoperable environment to the IoT using the existing web infrastructure, web protocols and the semantic web. The SIoT is expected to expand further and contribute to scalability and discoverability challenges by creating a social network of agents (objects and humans). When exploring the synergy between those technologies, we aim at providing practical and empirical evidence, usually in the form of prototype implementations and empirical experimentation. In relation to the WoT and SG, we create a prototype for the Web of Energy (WoE), that aims at addressing challenges present in the SG domain. The prototype is capable of providing interoperability and homogeneity among diverse protocols. The implementation design is based on the Actor Model, which also provides scalability in regards to the prototype. Experimentation shows that the prototype can handle the transmission of messages for time-critical SG applications. We also take another similar research direction less focused on the SG, but for a broader range of application domains. We integrate the description of flows of execution as Finite-State Machines (FSMs) using web ontologies (Resource Description Framework (RDF)) and WoT methodologies (actions are performed on the basis of calls Hyper Text Transfer Protocol/ Secure (HTTP/S) to a Uniform Resource Locator (URL)). This execution flow, which can also be a template to allow flexible configuration at runtime, is deployed and interpreted as (and through) a Virtual Object (VO). The template aims to be reusable and shareable among multiple IoT deployments within the same application domain. Due to the technologies used, the solution is not suitable for time-critical applications. Nevertheless, it is suitable for non-time-critical applications that require the deployment of similar VOs. Finally, we focus on another technology aimed at improving scalability and discoverability in IoT. The SIoT is emerging as a new IoT structure that links nodes through meaningful relationships. These relationships aim at improving discoverability; consequently, improving the scalability of an IoT network. We apply this new paradigm to optimize energy management at the demand side in a SG. Our objective is to harness the features of the SIoT to aid in the creation of Prosumer Community Group (PCG) (groups of energy users that consume or produce energy) with the same Demand Side Management (DSM) goal. We refer to the synergy between SIoT and SG as Social Internet of Energy (SIoE). Therefore, with the SIoE and focusing on a specific challenge, we set the conceptual basis for the integration between SIoT and SG. Initial experiments show promising results and pave the way for further research and evaluation of the proposal. We conclude that the WoT and the SIoT are two complementary paradigms that nourish the evolution of the next generation IoT. The next generation IoT is expected to be a pervasive Multi-Agent System (MAS). Some researchers are already pointing at the Web and its technologies (e.g. Semantic Web, HTTP/S) — and more concretely at the WoT — as the environment nourishing the agents. The SIoT can enhance both the environment and the relationships between agents in this fusion. As a specific field of the IoT, the SG can also benefit from IoT advancements

Improving Electricity Distribution System State Estimation with AMR-Based Load Profiles

The ongoing battle against global warming is rapidly increasing the amount of renewable power generation, and smart solutions are needed to integrate these new generation units into the existing distribution systems. Smart grids answer this call by introducing intelligent ways of controlling the network and active resources connected to it. However, before the network can be controlled, the automation system must know what the node voltages and line currents defining the network state are.Distribution system state estimation (DSSE) is needed to find the most likely state of the network when the number and accuracy of measurements are limited. Typically, two types of measurements are used in DSSE: real-time measurements and pseudomeasurements. In recent years, finding cost-efficient ways to improve the DSSE accuracy has been a popular subject in the literature. While others have focused on optimizing the type, amount and location of real-time measurements, the main hypothesis of this thesis is that it is possible to enhance the DSSE accuracy by using interval measurements collected with automatic meter reading (AMR) to improve the load profiles used as pseudo-measurements.The work done in this thesis can be divided into three stages. In the first stage, methods for creating new AMR-based load profiles are studied. AMR measurements from thousands of customers are used to test and compare the different options for improving the load profiling accuracy. Different clustering algorithms are tested and a novel twostage clustering method for load profiling is developed. In the second stage, a DSSE algorithm suited for smart grid environment is developed. Simulations and real-life demonstrations are conducted to verify the accuracy and applicability of the developed state estimator. In the third and final stage, the AMR-based load profiling and DSSE are combined. Matlab simulations with real AMR data and a real distribution network model are made and the developed load profiles are compared with other commonly used pseudo-measurements.The results indicate that clustering is an efficient way to improve the load profiling accuracy. With the help of clustering, both the customer classification and customer class load profiles can be updated simultaneously. Several of the tested clustering algorithms were suited for clustering electricity customers, but the best results were achieved with a modified k-means algorithm. Results from the third stage simulations supported the main hypothesis that the new AMR-based load profiles improve the DSSE accuracy.The results presented in this thesis should motivate distribution system operators and other actors in the field of electricity distribution to utilize AMR data and clustering algorithms in load profiling. It improves not only the DSSE accuracy but also many other functions that rely on load flow calculation and need accurate load estimates or forecasts

Tutorització Intel·ligent de Comunitats Virtuals d'Aprenentatge

L’evolució de la tecnologia ha produït canvis profunds en els paradigmes de l'ensenyament i, particularment, en l'aplicació d'aquests a l’aprenentatge en línia (e-learning). De fet va ser la pròpia revolució tecnològica la que va fer néixer aquest nou model d'aprenentatge virtual i, actualment, poques són les institucions que no compten amb alguna aplicació de l'e-learning, ja sigui com a alternativa al model educatiu tradicional o com a complement (blended learning). La introducció de l'e-learning, i en general de les Tecnologies de la Informació i Comunicació (TIC), al món educatiu ha fet que la teoria instructivista de l'educació tradicional s'hagi desplaçat cap a un paradigma constructivista, generant un model molt més centrat en l'alumne. Les eines educatives han anat evolucionant cap aquest nou paradigma, on la personalització i l’adaptació són fils conductors, i els Sistemes Tutors Intel·ligents (STI) en són un bon exemple. Tanmateix, l'arribada de la Web 2.0 ha desencadenat un moment social que ha acabat marcant de nou el món educatiu. El desplegament de la teoria connectivista, sorgida de l'aplicació de la Web Social en l’àmbit educatiu, i la implantació de múltiples iniciatives d'e-learning han afavorit la proliferació d'Entorns Virtuals d'Aprenentatge (EVA) i de diferents tecnologies educatives basades en Web. Atès que la tecnologia associada a Internet està en constant evolució, però, tot fa pensar que els entorns d’aprenentatge hauran d’evolucionar en els propers anys de manera paral·lela a com ho està fent la pròpia Web. Així, és probable que les següents generacions d'e-learning implementin característiques pròpies de la Web 3.0 (semàntica) i de la Web 4.0 (simbiòtica) i esdevinguin entorns on els agents intel·ligents hi tinguin un paper significatiu. En aquesta tesi s’analitza en primer lloc quina ha estat la trajectòria que ha seguit l’educació al llarg de la història i quina influència ha tingut en la implantació dels sistemes d’aprenentatge en línia, des dels més senzills i poc adaptatius, fins als més moderns i pensats per millorar l’experiència en l’aprenentatge. A més, en vistes de la trajectòria tecnològica que es divisa, es proposa una nova arquitectura que permeti incloure, d’una banda, les capacitats dels entorns ja existents d’aprenentatge en línia, i, de l’altra, els agents intel·ligents que convertiran l’experiència de l’ensenyament a distància en una experiència adaptativa i social, on el concepte de grup tindrà cabdal importància. Els sistemes educatius intel·ligents futurs, per tant, hauran de disposar d'una part complexa de computació avançada, aspecte abordat des del camp de la Intel·ligència Artificial, que permeti reconèixer quina és l’evolució de l’alumne en el seu aprenentatge i com aquest està interactuant i rendint amb els companys de la seva classe virtual. A més, la quantitat d'interaccions produïdes en aquests entorns generarà un gran volum de dades educatives, la Big Learning Data, amb informació vital que caldrà processar per millorar i adaptar el sistema a l’alumne a mesura que el curs avança, i per recollir informació valuosa per a la seva tutorització. Així, la darrera part d’aquesta tesi mostra les contribucions realitzades en Intel·ligència Artificial i els resultats de la seva implementació per crear la part intel·ligent d’aquesta arquitectura, podent extreure d'aquesta manera el màxim rendiment d’aquests nous entorns d’aprenentatge col·laboratiu que seran realitat d’aquí a pocs anys.La evolución de la tecnología ha producido cambios profundos en los paradigmas de la enseñanza y, particularmente, en la aplicación de éstos en el aprendizaje en línea (e-learning). De hecho fue la propia revolución tecnológica la que hizo nacer este nuevo modelo de aprendizaje virtual y, actualmente, pocas son las instituciones que no cuentan con alguna aplicación del e-learning, ya sea como alternativa al modelo educativo tradicional o como complemento (blended learning). La introducción del e-learning, y en general de las Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC), en el mundo educativo ha hecho que la teoría instructivista de la educación tradicional se haya desplazado hacia un paradigma constructivista, generando un modelo mucho más centrado en el alumno. Las herramientas educativas han ido evolucionando hacia este nuevo paradigma, donde la personalización y la adaptación son hilos conductores, y los Sistemas Tutores Inteligentes (STI) son un buen ejemplo. Sin embargo, la llegada de la Web 2.0 ha desencadenado un momento social que ha marcado de nuevo el mundo educativo. El despliegue de la teoría conectivista, surgida de la aplicación de la Web Social en el ámbito educativo, y la implantación de varias iniciativas de e-learning han favorecido la proliferación de entornos virtuales de aprendizaje y de diferentes tecnologías educativas basadas en Web. Dado que la tecnología asociada a Internet está en constante evolución, todo hace pensar que los entornos de aprendizaje deberán evolucionar en los próximos años de manera paralela a como lo está haciendo la propia Web. Así, es probable que las siguientes generaciones de e-learning implementen características propias de la Web 3.0 (semántica) y de la Web 4.0 (simbiótica) y se conviertan en entornos donde los agentes inteligentes tengan un papel significativo. En esta tesis se analiza en primer lugar cuál ha sido la trayectoria que ha seguido la educación a lo largo de la historia y qué influencia ha tenido en la implantación del e-learning, desde los más sencillos y poco adaptativos, hasta los más modernos y pensados para mejorar la experiencia en el aprendizaje. Además, en vistas de la trayectoria tecnológica que se divisa, se propone una nueva arquitectura que permita incluir, por un lado, las capacidades de los entornos ya existentes de aprendizaje en línea, y, por otro, los agentes inteligentes que convertirán la experiencia de la enseñanza a distancia en una experiencia adaptativa y social, donde el concepto de grupo tendrá capital importancia. Los sistemas educativos inteligentes futuros, por tanto, deberán disponer de una parte compleja de computación avanzada, aspecto abordado desde el campo de la Inteligencia Artificial, que permita reconocer cuál es la evolución del alumno en su aprendizaje y como éste está interactuando y rindiendo con los compañeros de su clase virtual. Además, la cantidad de interacciones producidas en estos entornos generará un gran volumen de datos educativos, la Big Learning Data, con información vital que habrá que procesar para mejorar y adaptar el sistema al alumno a medida que el curso avanza, y para recoger información valiosa para su tutorización. Así, la última parte de esta tesis muestra las contribuciones realizadas en Inteligencia Artificial y los resultados de su implementación para crear la parte inteligente de esta arquitectura, pudiendo extraer de este modo el máximo rendimiento de estos nuevos entornos de aprendizaje colaborativo que serán realidad dentro de pocos años.The evolution of technology has produced profound changes in the paradigms of teaching and, particularly, in their application in online learning (e-learning). In fact it was the technological revolution itself that gave birth to this new model of virtual learning and there are currently few institutions that do not have an e-learning application, either as an alternative to traditional methods or to complement them (blended learning). The introduction of e-learning, and in general of the Information Technology and Communication (ICT) in the educational world has made the instructivist traditional education theory move to a constructivist paradigm, creating a more focused learning model. Educational tools have evolved towards this new paradigm, where customization and adaptation are the backbone of the model. Intelligent Tutoring Systems (ITS) provide a good example of this new methodology. However, the advent of Web 2.0 has created a social era which has rebranded the educational world. The deployment of the connectionist theory, arising from the implementation of the Social Web in education, and the implementation of various e-learning initiatives have led to the proliferation of virtual learning environments and different educational Web-based technologies. Since the technology associated with the Internet is constantly evolving, everything suggests that learning environments should evolve in the coming years in parallel with the Web itself. Thus it is likely that the next generation of e-learning implements own Web 3.0 (semantic) and Web 4.0 (symbiotic) characteristics and create environments where intelligent agents have a significant role. In this thesis we first analyze the path of education throughout history and discuss the influence it has had on the implementation of e-learning, from the simplest and less adaptive measures to the most modern, designed methods to enhance the learning experience. Furthermore, in view of the visible technological background, we propose a new architecture to include, on the one hand, the capabilities of existing online learning environments, and secondly, intelligent agents which can convert the experiences acquired in distance learning into an adaptive and social experience, where the group concept is of paramount importance. Future intelligent educational systems must therefore have an intricate part of advanced computing, an aspect from the field of Artificial Intelligence, which recognizes the evolution of students in their learning and how they interact and perform with their virtual class mates. In addition, the number of interactions produced in these environments will generate a large volume of educational data, the Big Data Learning with vital information that must be processed to improve and adapt the system to the student as the course progresses, and to collect valuable information for tutorship. So, the last part of this thesis shows the contributions made in Artificial Intelligence and the results of their implementation to create the intelligent part of this architecture. The benefits of these new collaborative learning environments will enable us to optimize performance in coming years

Architecture of Smart Grid Testing Platform and Integration of MultiPower Laboratory

Traditional electrical grids are shifting towards Smart Grids that could deliver electricity in sustainable, economic and secure way. Simultaneously, characteristics of electrical grids are becoming much more complex that require development of several Smart Grid functionalities. This thesis studies architecture modeling of Smart Grid Testing Platform (SGTP) and integration of MultiPower laboratory. The architecture was defined in collaboration with research project team in a project called “Integrated business platform of distributed energy resources” (HEILA). Furthermore, the main goals are to produce an architecture model, which promotes specific Smart Grid related use cases, and interconnect the MultiPower laboratory with the platform. This thesis is divided into two parts. Firstly, background, challenges with Smart Grids, the HEILA project and MultiPower laboratory are introduced. Then, Smart Grid Architecture Model (SGAM) Framework, tools and related architecture definitions in different projects are studied. In addition, information models defined by IEC 61850 standard and Common Information Model (CIM), Smart API, HyperText Transfer Protocol (HTTP) and MQ Telemetry Transport (MQTT) protocols are studied because of their central role in the architecture model and integration. Secondly, results are presented with descriptions of the architecture model and integration process. The architecture model presents how different actors cooperate in order to offer and use flexibility related services on distribution level. The architecture model increases level of details, adds functionalities and changes some of the protocols used when compared to the related architectures. Additionally, self-descriptive and more flexible messaging are introduced as messages contain semantic information and they are not bound to any specific format. The function positioning with two-way communications promotes decentralized data acquisition and control. Generally, that may ease market integration, privacy, autonomy and scalability issues. As a result, the architecture may promote development and utilization of different kind of flexibility related services and products. However, information objects should be added to the standard mapping on information layer of the model since it would increase level of details. The integration was successful since monitoring and controlling of the MultiPower equipment is possible with current version of the SGTP as tests demonstrate. Technical requirements in the use cases were fulfilled. In future research work in the HEILA project message encryption, validation and CIM utilization should be considered. Moreover, Energy Management System (EMS) and equipment that is more suitable for routine testing should be considered for the MultiPower

A study of the applicability of software-defined networking in industrial networks

173 p.Las redes industriales interconectan sensores y actuadores para llevar a cabo funciones de monitorización, control y protección en diferentes entornos, tales como sistemas de transporte o sistemas de automatización industrial. Estos sistemas ciberfísicos generalmente están soportados por múltiples redes de datos, ya sean cableadas o inalámbricas, a las cuales demandan nuevas prestaciones, de forma que el control y gestión de tales redes deben estar acoplados a las condiciones del propio sistema industrial. De este modo, aparecen requisitos relacionados con la flexibilidad, mantenibilidad y adaptabilidad, al mismo tiempo que las restricciones de calidad de servicio no se vean afectadas. Sin embargo, las estrategias de control de red tradicionales generalmente no se adaptan eficientemente a entornos cada vez más dinámicos y heterogéneos.Tras definir un conjunto de requerimientos de red y analizar las limitaciones de las soluciones actuales, se deduce que un control provisto independientemente de los propios dispositivos de red añadiría flexibilidad a dichas redes. Por consiguiente, la presente tesis explora la aplicabilidad de las redes definidas por software (Software-Defined Networking, SDN) en sistemas de automatización industrial. Para llevar a cabo este enfoque, se ha tomado como caso de estudio las redes de automatización basadas en el estándar IEC 61850, el cual es ampliamente usado en el diseño de las redes de comunicaciones en sistemas de distribución de energía, tales como las subestaciones eléctricas. El estándar IEC 61850 define diferentes servicios y protocolos con altos requisitos en terminos de latencia y disponibilidad de la red, los cuales han de ser satisfechos mediante técnicas de ingeniería de tráfico. Como resultado, aprovechando la flexibilidad y programabilidad ofrecidas por las redes definidas por software, en esta tesis se propone una arquitectura de control basada en el protocolo OpenFlow que, incluyendo tecnologías de gestión y monitorización de red, permite establecer políticas de tráfico acorde a su prioridad y al estado de la red.Además, las subestaciones eléctricas son un ejemplo representativo de infraestructura crítica, que son aquellas en las que un fallo puede resultar en graves pérdidas económicas, daños físicos y materiales. De esta forma, tales sistemas deben ser extremadamente seguros y robustos, por lo que es conveniente la implementación de topologías redundantes que ofrezcan un tiempo de reacción ante fallos mínimo. Con tal objetivo, el estándar IEC 62439-3 define los protocolos Parallel Redundancy Protocol (PRP) y High-availability Seamless Redundancy (HSR), los cuales garantizan un tiempo de recuperación nulo en caso de fallo mediante la redundancia activa de datos en redes Ethernet. Sin embargo, la gestión de redes basadas en PRP y HSR es estática e inflexible, lo que, añadido a la reducción de ancho de banda debida la duplicación de datos, hace difícil un control eficiente de los recursos disponibles. En dicho sentido, esta tesis propone control de la redundancia basado en el paradigma SDN para un aprovechamiento eficiente de topologías malladas, al mismo tiempo que se garantiza la disponibilidad de las aplicaciones de control y monitorización. En particular, se discute cómo el protocolo OpenFlow permite a un controlador externo configurar múltiples caminos redundantes entre dispositivos con varias interfaces de red, así como en entornos inalámbricos. De esta forma, los servicios críticos pueden protegerse en situaciones de interferencia y movilidad.La evaluación de la idoneidad de las soluciones propuestas ha sido llevada a cabo, principalmente, mediante la emulación de diferentes topologías y tipos de tráfico. Igualmente, se ha estudiado analítica y experimentalmente cómo afecta a la latencia el poder reducir el número de saltos en las comunicaciones con respecto al uso de un árbol de expansión, así como balancear la carga en una red de nivel 2. Además, se ha realizado un análisis de la mejora de la eficiencia en el uso de los recursos de red y la robustez alcanzada con la combinación de los protocolos PRP y HSR con un control llevado a cabo mediante OpenFlow. Estos resultados muestran que el modelo SDN podría mejorar significativamente las prestaciones de una red industrial de misión crítica

Facing online challenges using learning classifier systems

Els grans avenços en el camp de l’aprenentatge automàtic han resultat en el disseny de màquines competents que són capaces d’aprendre i d’extreure informació útil i original de l’experiència. Recentment, algunes d’aquestes tècniques d’aprenentatge s’han aplicat amb èxit per resoldre problemes del món real en àmbits tecnològics, mèdics, científics i industrials, els quals no es podien tractar amb tècniques convencionals d’anàlisi ja sigui per la seva complexitat o pel gran volum de dades a processar. Donat aquest èxit inicial, actualment els sistemes d’aprenentatge s’enfronten a problemes de complexitat més elevada, el que ha resultat en un augment de l’activitat investigadora entorn sistemes capaços d’afrontar nous problemes del món real eficientment i de manera escalable. Una de les famílies d’algorismes més prometedores en l’aprenentatge automàtic són els sistemes classificadors basats en algorismes genetics (LCSs), el funcionament dels quals s’inspira en la natura. Els LCSs intenten representar les polítiques d’actuació d’experts humans amb un conjunt de regles que s’empren per escollir les millors accions a realitzar en tot moment. Així doncs, aquests sistemes aprenen polítiques d’actuació de manera incremental a mida que van adquirint experiència a través de la informació nova que se’ls va presentant durant el temps. Els LCSs s’han aplicat, amb èxit, a camps tan diversos com la predicció de càncer de pròstata o el suport a la inversió en borsa, entre altres. A més en alguns casos s’ha demostrat que els LCSs realitzen tasques superant la precisió dels éssers humans. El propòsit d’aquesta tesi és explorar la naturalesa de l’aprenentatge online dels LCSs d’estil Michigan per a la mineria de grans quantitats de dades en forma de fluxos d’informació continus a alta velocitat i canviants en el temps. Molt sovint, l’extracció de coneixement a partir d’aquestes fonts de dades és clau per tal d’obtenir una millor comprensió dels processos que les dades estan descrivint. Així, aprendre d’aquestes dades planteja nous reptes a les tècniques tradicionals d’aprenentatge automàtic, les quals no estan dissenyades per tractar fluxos de dades continus i on els conceptes i els nivells de soroll poden variar amb el temps de forma arbitrària. La contribució de la present tesi pren l’eXtended Classifier System (XCS), el LCS d’estil Michigan més estudiat i un dels algoritmes d’aprenentatge automàtic més competents, com el punt de partida. D’aquesta manera els reptes abordats en aquesta tesi són dos: el primer desafiament és la construcció d’un sistema supervisat competent sobre el framework dels LCSs d’estil Michigan que aprèn dels fluxos de dades amb una capacitat de reacció ràpida als canvis de concepte i entrades amb soroll. Com moltes aplicacions científiques i industrials generen grans quantitats de dades sense etiquetar, el segon repte és aplicar les lliçons apreses per continuar amb el disseny de LCSs d’estil Michigan capaços de solucionar problemes online sense assumir una estructura a priori en els dades d’entrada.Los grandes avances en el campo del aprendizaje automático han resultado en el diseño de máquinas capaces de aprender y de extraer información útil y original de la experiencia. Recientemente alguna de estas técnicas de aprendizaje se han aplicado con éxito para resolver problemas del mundo real en ámbitos tecnológicos, médicos, científicos e industriales, los cuales no se podían tratar con técnicas convencionales de análisis ya sea por su complejidad o por el gran volumen de datos a procesar. Dado este éxito inicial, los sistemas de aprendizaje automático se enfrentan actualmente a problemas de complejidad cada vez m ́as elevada, lo que ha resultado en un aumento de la actividad investigadora en sistemas capaces de afrontar nuevos problemas del mundo real de manera eficiente y escalable. Una de las familias más prometedoras dentro del aprendizaje automático son los sistemas clasificadores basados en algoritmos genéticos (LCSs), el funcionamiento de los cuales se inspira en la naturaleza. Los LCSs intentan representar las políticas de actuación de expertos humanos usando conjuntos de reglas que se emplean para escoger las mejores acciones a realizar en todo momento. Así pues estos sistemas aprenden políticas de actuación de manera incremental mientras van adquiriendo experiencia a través de la nueva información que se les va presentando. Los LCSs se han aplicado con éxito en campos tan diversos como en la predicción de cáncer de próstata o en sistemas de soporte de bolsa, entre otros. Además en algunos casos se ha demostrado que los LCSs realizan tareas superando la precisión de expertos humanos. El propósito de la presente tesis es explorar la naturaleza online del aprendizaje empleado por los LCSs de estilo Michigan para la minería de grandes cantidades de datos en forma de flujos continuos de información a alta velocidad y cambiantes en el tiempo. La extracción del conocimiento a partir de estas fuentes de datos es clave para obtener una mejor comprensión de los procesos que se describen. Así, aprender de estos datos plantea nuevos retos a las técnicas tradicionales, las cuales no están diseñadas para tratar flujos de datos continuos y donde los conceptos y los niveles de ruido pueden variar en el tiempo de forma arbitraria. La contribución del la presente tesis toma el eXtended Classifier System (XCS), el LCS de tipo Michigan más estudiado y uno de los sistemas de aprendizaje automático más competentes, como punto de partida. De esta forma los retos abordados en esta tesis son dos: el primer desafío es la construcción de un sistema supervisado competente sobre el framework de los LCSs de estilo Michigan que aprende de flujos de datos con una capacidad de reacción rápida a los cambios de concepto y al ruido. Como muchas aplicaciones científicas e industriales generan grandes volúmenes de datos sin etiquetar, el segundo reto es aplicar las lecciones aprendidas para continuar con el diseño de nuevos LCSs de tipo Michigan capaces de solucionar problemas online sin asumir una estructura a priori en los datos de entrada.Last advances in machine learning have fostered the design of competent algorithms that are able to learn and extract novel and useful information from data. Recently, some of these techniques have been successfully applied to solve real-­‐world problems in distinct technological, scientific and industrial areas; problems that were not possible to handle by the traditional engineering methodology of analysis either for their inherent complexity or by the huge volumes of data involved. Due to the initial success of these pioneers, current machine learning systems are facing problems with higher difficulties that hamper the learning process of such algorithms, promoting the interest of practitioners for designing systems that are able to scalably and efficiently tackle real-­‐world problems. One of the most appealing machine learning paradigms are Learning Classifier Systems (LCSs), and more specifically Michigan-­‐style LCSs, an open framework that combines an apportionment of credit mechanism with a knowledge discovery technique inspired by biological processes to evolve their internal knowledge. In this regard, LCSs mimic human experts by making use of rule lists to choose the best action to a given problem situation, acquiring their knowledge through the experience. LCSs have been applied with relative success to a wide set of real-­‐ world problems such as cancer prediction or business support systems, among many others. Furthermore, on some of these areas LCSs have demonstrated learning capacities that exceed those of human experts for that particular task. The purpose of this thesis is to explore the online learning nature of Michigan-­‐style LCSs for mining large amounts of data in the form of continuous, high speed and time-­‐changing streams of information. Most often, extracting knowledge from these data is key, in order to gain a better understanding of the processes that the data are describing. Learning from these data poses new challenges to traditional machine learning techniques, which are not typically designed to deal with data in which concepts and noise levels may vary over time. The contribution of this thesis takes the extended classifier system (XCS), the most studied Michigan-­‐style LCS and one of the most competent machine learning algorithms, as the starting point. Thus, the challenges addressed in this thesis are twofold: the first challenge is building a competent supervised system based on the guidance of Michigan-­‐style LCSs that learns from data streams with a fast reaction capacity to changes in concept and noisy inputs. As many scientific and industrial applications generate vast amounts of unlabelled data, the second challenge is to apply the lessons learned in the previous issue to continue with the design of unsupervised Michigan-­‐style LCSs that handle online problems without assuming any a priori structure in input data