Tesis:
Contribution to heterogeneous service provision and flexible process execution in humanized cyber-physical systems
- Autor: BORDEL SÁNCHEZ, Borja
- Título: Contribution to heterogeneous service provision and flexible process execution in humanized cyber-physical systems
- Fecha: 2018
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA DE SISTEMAS TELEMATICOS
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/52305/
- Director/a 1º: ROBLES VALLADARES, Tomás
- Director/a 2º: ALCARRIA GARRIDO, Ramón Pablo
- Resumen: Este trabajo de Tesis se desarrolla en el marco de los entornos ciberfísicos con intervención humana y contribuye a la provisión de servicios heterogéneos y la ejecución flexible de procesos sobre dichas infraestructuras. Los entornos ciberfísicos con intervención humana se caracterizan por integrar de forma transparente dispositivos electrónicos y componentes software en todo tipo de objetos comunes y/o entornos sociales (laboral, doméstico etc.); para mediante mecanismos e interfaces implícitas comprender, evolucionar y relacionarse con el mundo físico y sus habitantes. El objetivo general de este trabajo de Tesis es diseñar, implementar y validar un entorno ciberfísico con intervención humana, en el que tanto dispositivos como personas participan en la realización de tareas y la ejecución de procesos. El entorno será capaz de ofrecer de forma transparente servicios complejos mediante la coordinación de entidades de comportamiento y capacidades heterogéneos. Además, permitirá la ejecución de procesos de forma flexible, en función de la evolución dinámica y las características particulares de personas y dispositivos. El diseño e implementación de entornos ciberfísicos centrados en la ejecución de tareas es hoy en día una tendencia global, especialmente en el contexto de la industria del futuro donde son la base de los sistemas de cuarta revolución industrial o Industria 4.0. Sin embargo, no se ha propuesto un sistema suficientemente flexible como para ser aplicado de forma transversal a todo tipo de escenarios, incluyendo la industria manufacturera donde la intervención humana es crucial e imprescindible. Este Trabajo de tesis realiza un estudio detallado de todas las propuestas e iniciativas de estandarización relacionadas con los entornos ciberfísicos, y utiliza los resultados obtenidos para definir y validar una solución que permita la ejecución flexible de procesos, la integración de personas en los citados entornos y la realización de tareas sobre todo tipo de infraestructuras mediante la provisión de servicios heterogéneos. Los entornos ciberfísicos propuestos son, en el fondo, una nueva generación (mucho más flexible y autónoma) de los ya conocidos sistemas de ejecución de procesos. Por ello, este trabajo de Tesis comienza investigando los diferentes tipos de procesos que podrían encontrarse según diversos escenarios de interés, los roles que pueden asumir las personas integradas en estos sistemas y, finalmente, las arquitecturas, tecnologías y componentes que podrían permitir la ejecución de los procesos identificados haciendo uso de las distintas entidades descritas. Se contribuye a los mecanismos de autoconfiguración y autoadaptación aplicados a los entornos ciberfísicos, con especial interés por los sistemas basados en entidades (ya sean dispositivos hardware, elementos virtuales o personas) de comportamiento y capacidades heterogéneos. Las especiales características de las personas, que hacen inviable el uso de técnicas de gestión tradicionales en los entornos ciberfíscios con intervención humana, se abordan mediante la definición de un nuevo tipo de proceso (llamado proceso “blando”) y el uso de algoritmos específicos para la evaluación del estado motivacional de las personas. En cualquier caso, en aquellos escenarios en los que las personas no participen, también es preciso redefinir los mecanismos de gestión, para adaptarlos a sistemas con una altísima densidad de dispositivos, y que precisan de una fiabilidad y disponibilidad muy elevada. Para lograr implementar los sistemas descritos se hacen necesarias tecnologías habilitadoras de comunicaciones, que también se investigan, con especial interés por las comunicaciones inalámbricas del futuro. Las tecnologías más innovadoras, para ser aplicadas en entonos críticos como los escenarios industriales, requieren de seguridad, por lo que también se contribuye en esta área con técnicas basadas en cifrado y el concepto de “confianza”. Cada contribución realizada ha sido validada de forma experimental, haciendo uso de diferentes técnicas y escenarios relevantes, de forma que se compruebe su viabilidad y la mejora que éstas producen con respecto al conocimiento previo. Los resultados obtenidos se han publicado en diferentes revistas internacionales y conferencias de prestigio. ----------ABSTRACT---------- This PhD Thesis work is developed in the context of Humanized Cyber-Physical Systems and contributes to the heterogeneous service provision and flexible process execution over such infrastructures. Humanized Cyber-Physical Systems are characterized by embedding in a transparent way both electronic devices and software components into any type of daily-living object and/or social environment (domestic, work, etc.); so by means of implicit mechanisms and interfaces the system can understand, evolve and interact with the physical world and its inhabitants. The overall goal of this PhD Thesis work is to design, implement and validate a Humanized Cyber-Physical System, where both humans and hardware devices are involved in the task accomplishment and process execution. The system will be able to provide, in a transparent way, complex services through the coordination of entities characterized by a heterogeneous behavior and capabilities. Moreover, the system will enable the flexible process execution, considering the dynamical evolution and particular characteristics of both humans and devices. The design and implementation of Humanized Cyber-Physical Systems is nowadays a global trend, especially in the context of the future industry, where CPS are the basic technology for the fourth industrial revolution solutions (or Industry 4.0). Nevertheless, at this moment, it cannot be found any proposal enough flexible to be applied transversally to every type of scenario, including the manufacturing industry where human intervention is crucial and essential. In this PhD Thesis work it is performed a deep study with details about all proposals and standardization initiatives related to Cyber-Physical Systems. And obtained results are employed to define and validate a solution that enables the flexible process execution, the human integration in such CPS, and the accomplishment of tasks over any type of physical infrastructure through the provision of heterogeneous services. Proposed Cyber-Physical Systems are, at the end, a new generation (much more flexible and autonomous) of the already known process execution systems. Therefore, this PhD Thesis work starts investigating the different process types that could be found in the different application scenarios, the roles that people could take on when integrated into the proposed systems and, finally, the architectures, technologies and components that could allow the execution of the previously identified process types doing use of the described entities. This PhD Thesis contributes to the self-configuration and self-adaptation mechanisms, applied to Humanized Cyber-Physical Systems, with a special interest on solutions based on entities (including hardware devices, virtual elements and people) with a heterogonous behavior and capabilities. People special characteristics make impossible the use of traditional management techniques in Humanized Cyber-Physical Systems. Thus, management is addressed though the definition of a new type of process (name “soft process”) and the use of specific algorithms for the evaluation of the human motivational state. Any case, in those scenarios where humans do not intervene, it is also necessary to redefine the management mechanisms, to adapt them to Cyber-Physical Systems that present a very high device density, and require great reliability and availability rates. In order to implement the described systems, enabling communication technologies are required, which are also investigated in this PhD Thesis work, with a special interest for future wireless technologies. Most innovative technologies, to be applied in critical environments such as industrial scenarios, require high performance security technologies. Then, contributions in this research area, including encryption schemes and proposals based on the concept of “trust”, are also done. Each included contribution has been validated experimentally, using different techniques and application scenarios, so its viability, and the obtained improvements in respect to the state-of-the-art, are evaluated and proved. Obtained results are reported to the scientific community through different relevant international journal papers and international conferences.