Towards Automated IoT Application Deployment by a Cloud-based Approach

Abstract—Internet of Things solutions are typically domainspecific, relying on heterogeneous hardware, communication protocols and data models. In such system environments, the deployment of IoT applications is very intricate. The application environments differ from one system to another and service management procedures are non-standardized, making it hard for solution providers to efficiently deploy and configure applications for a large number of users. This paper proposes to employ TOSCA—a new standard for cloud service management—to systematically specify the components and configurations of IoT applications. We will demonstrate that, by using TOSCA, application models can be reused, and deployment processes can be automated in heterogeneous IoT system environments. I

Anforderungsbasierte Modellierung und Ausführung von Datenflussmodellen

Heutzutage steigen die Menge an Daten sowie deren Heterogenität, Änderungshäufigkeit und Komplexität stark an. Dies wird häufig als das "Big-Data-Problem" bezeichnet. Durch das Aufkommen neuer Paradigmen, wie dem Internet der Dinge oder Industrie 4.0, nimmt dieser Trend zukünftig noch weiter zu. Die Verarbeitung, Analyse und Visualisierung von Daten kann einen hohen Mehrwert darstellen, beispielsweise durch die Erkennung bisher unbekannter Muster oder durch das Vorhersagen von Ereignissen. Jedoch stellen die Charakteristiken von Big-Data, insbesondere die große Datenmenge und deren schnelle Änderung, eine große Herausforderung für die Verarbeitung der Daten dar. Herkömmliche, bisher angewandte Techniken, wie zum Beispiel Analysen basierend auf relationalen Datenbanken, kommen hierbei oft an ihre Grenzen. Des Weiteren ändert sich auch die Art der Anwender der Datenverarbeitung, insbesondere in Unternehmen. Anstatt die Datenverarbeitung ausschließlich von Programmierexperten durchzuführen, wächst die Anwendergruppe auch um Domänennutzer, die starkes Interesse an Datenanalyseergebnissen haben, jedoch diese nicht technisch umsetzen können. Um die Unterstützung von Domänennutzern zu ermöglichen, entstand ca. im Jahr 2007, im Rahmen der Web-2.0-Bewegung, das Konzept der Mashups, die es auf einfachem Wege erlauben sollen, Anwender aus unterschiedlichen Domänen beim Zusammenführen von Programmen, grafischen Oberflächen, und auch Daten zu unterstützen. Hierbei lag der Fokus vor allem auf Webdatenquellen wie RSS-Feeds, HTML-Seiten, oder weiteren XML-basierten Formaten. Auch wenn die entstandenen Konzepte gute Ansätze liefern, um geringe Datenmengen schnell und explorativ durch Domänennutzer zu verarbeiten, können sie mit den oben genannten Herausforderungen von Big-Data nicht umgehen. Die Grundidee der Mashups dient als Inspiration dieser Dissertation und wird dahingehend erweitert, moderne, komplexe und datenintensive Datenverarbeitungs- und Analyseszenarien zu realisieren. Hierfür wird im Rahmen dieser Dissertation ein umfassendes Konzept entwickelt, das sowohl eine einfache Modellierung von Datenanalysen durch Domänenexperten ermöglicht - und somit den Nutzer in den Mittelpunkt stellt - als auch eine individualisierte, effiziente Ausführung von Datenanalysen und -verarbeitung ermöglicht. Unter einer Individualisierung wird dabei verstanden, dass die funktionalen und nichtfunktionalen Anforderungen, die je nach Anwendungsfall variieren können, bei der Ausführung berücksichtigt werden. Dies erfordert einen dynamischen Aufbau der Ausführungsumgebung. Hierbei wird dem beschriebenen Problem durch mehrere Ebenen begegnet: 1) Die Modellierungsebene, die als Schnittstelle zu den Domänennutzern dient und die es erlaubt Datenverarbeitungsszenarien abstrakt zu modellieren. 2) Die Modelltransformationsebene, auf der das abstrakte Modell auf verschiedene ausführbare Repräsentationen abgebildet werden kann. 3) Die Datenverarbeitungsebene, mit der die Daten effizient in einer verteilten Umgebung verarbeitet werden, und 4) die Datenhaltungsebene, in der Daten heterogener Quellen extrahiert sowie Datenverarbeitungs- oder Analyseergebnisse persistiert werden. Die Konzepte der Dissertation werden durch zugehörige Publikationen in Konferenzbeiträgen und Fachmagazinen gestützt und durch eine prototypische Implementierung validiert

An internet of things enabled system for real-time monitoring and predictive maintenance of railway infrastructure

The railway industry plays a pivotal role in the socioeconomic landscape of many countries. However, its operation poses considerable challenges in terms of safety, environmental impact, and the intricacies of intertwined technical and social structures. Addressing these challenges necessitates the adoption of innovative approaches and advanced technologies. This doctoral research delves into the potential of the Internet of Things (IoT) as an enabler for railway infrastructure monitoring and predictive maintenance, aiming to enhance reliability, efficiency, and safety within the industry. Rooted in a pragmatic modelist philosophical stance, this thesis employs an exploratory sequential mixed-method approach incorporating qualitative and quantitative methodologies. The research process involves engaging with key stakeholders to gain insights into the challenges faced in railway maintenance and the opportunities presented by IoT implementation. Following this, an IoT system is developed, and a comprehensive value-creation framework is proposed for its effective implementation within the railway sector. The findings of this investigation underscore the transformative potential of IoT integration in railway infrastructure monitoring, yielding significant improvements in maintenance processes, safety, and operational efficiency. Furthermore, this doctoral research provides a foundation for future innovation and adaptation in the railway industry, contributing to its ongoing evolution and resilience in an ever-changing technological landscape

Automatic Generation of Distributed Runtime Infrastructure for Internet of Things

Ph. D. ThesisThe Internet of Things (IoT) represents a network of connected devices that are able to cooperate and interact with each other in order to reach a particular goal. To attain this, the devices are equipped with identifying, sensing, networking and processing capabilities. Cloud computing, on the other hand, is the delivering of on-demand computing services – from applications, to storage, to processing power – typically over the internet. Clouds bring a number of advantages to distributed computing because of highly available pool of virtualized computing resource. Due to the large number of connected devices, real-world IoT use cases may generate overwhelmingly large amounts of data. This prompts the use of cloud resources for processing, storage and analysis of the data. Therefore, a typical IoT system comprises of a front-end (devices that collect and transmit data), and back-end – typically distributed Data Stream Management Systems (DSMSs) deployed on the cloud infrastructure, for data processing and analysis. Increasingly, new IoT devices are being manufactured to provide limited execution environment on top of their data sensing and transmitting capabilities. This consequently demands a change in the way data is being processed in a typical IoT-cloud setup. The traditional, centralised cloud-based data processing model – where IoT devices are used only for data collection – does not provide an efficient utilisation of all available resources. In addition, the fundamental requirements of real-time data processing such as short response time may not always be met. This prompts a new processing model which is based on decentralising the data processing tasks. The new decentralised architectural pattern allows some parts of data streaming computation to be executed directly on edge devices – closer to where the data is collected. Extending the processing capabilities to the IoT devices increases the robustness of applications as well as reduces the communication overhead between different components of an IoT system. However, this new pattern poses new challenges in the development, deployment and management of IoT applications. Firstly, there exists a large resource gap between the two parts of a typical IoT system (i.e. clouds and IoT devices); hence, prompting a new approach for IoT applications deployment and management. Secondly, the new decentralised approach necessitates the deployment of DSMS on distributed clusters of heterogeneous nodes resulting in unpredictable runtime performance and complex fault characteristics. Lastly, the environment where DSMSs are deployed is very dynamic due to user or device mobility, workload variation, and resource availability. In this thesis we present solutions to address the aforementioned challenges. We investigate how a high-level description of a data streaming computation can be used to automatically generate a distributed runtime infrastructure for Internet of Things. Subsequently, we develop a deployment and management system capable of distributing different operators of a data streaming computation onto different IoT gateway devices and cloud infrastructure. To address the other challenges, we propose a non-intrusive approach for performance evaluation of DSMSs and present a protocol and a set of algorithms for dynamic migration of stateful data stream operators. To improve our migration approach, we provide an optimisation technique which provides minimal application downtime and improves the accuracy of a data stream computation