La ciudad del futuro: arquitectura de procesado «Edge-Cloud»

Comunicación presentada al V Congreso Ciudades Inteligentes

Autor

Javier de la Plaza Ortega, Director y Consultor de Programas Internacionales de I+D

Resumen

La Ciudad del Futuro debe soportar todo tipo de Servicios Inteligentes dentro del contexto de Internet de las Personas y de Internet de las Cosas, para ello se presenta una Arquitectura avanzada que permite implementar toda esa variedad de Servicios requeridos actualmente y evolucionar de forma flexible a nuevos requisitos que puedan ser definidos en el futuro. Se especifica un reparto funcional de tareas con un procesado en tiempo real, cerca de los Dispositivos, «Procesado Edge» y un procesado menos crítico en la Nube «Procesado Cloud». El elemento fundamental del «Procesado Edge» es el Terminal de Red Inteligente que permite crear Spots Inteligentes por toda la Ciudad, consiguiendo de esa forma una Ciudad con un Ambiente completamente Inteligente. La arquitectura presentada ha sido diseñada para el control, gestión y administración de todo tipo de servicios en la zona pública y privada, de forma automática e integrada, con el que tanto la identificación de todos los elementos y personas, así como todas las incidencias, eventos y circunstancias relacionadas son realizadas y transmitidas automáticamente, con toda la información del entorno, a un Centro de Gestión, para su procesamiento y tramitación. El Sistema incluye: un conjunto de Dispositivos Móviles de Usuario, que se comunican con el Centro de Gestión de Usuarios por Terminales de Red Inteligentes, un conjunto de Terminales de Red Inteligentes, que integran dispositivos fijos de usuario, un conjunto de Nodos de Acceso a red, un conjunto de Nodos de Red, un Centro de Control de Red, un Centro de Gestión de Usuarios, una Plataforma de Servicios en la Nube y unos Terminales Móviles de Agente.

Palabras clave

Automático, Integrado, Identificación, Incidencias, Terminal, Inteligente, Red, Servicios, Edge, Cloud

Introducción

Contexto

Este Sistema se enmarca dentro del sector de Sistemas de Gestión de Servicios para la Ciudad Inteligente, donde los espacios de la ciudad no están delimitados, consiguiendo una solución automática, donde no son necesarios vigilantes permanentes, ni la intervención del usuario de un Elemento para el control del cumplimiento de normas y regulaciones de la ciudad. La arquitectura básica de referencia está concebida dentro del contexto de Ciudades Inteligentes, Machine to Machine (M2M) e Internet de las Cosas (IoT), de forma que puede soportar gran variedad de aplicaciones de las cuales se han identificado un conjunto de servicios iniciales, dando una solución completa e integrada, que puede evolucionar de acuerdo con nuevos requisitos del futuro.

Antecedentes

Tradicionalmente se ha realizado el control y regulación de la ciudad por medio de los Policías Municipales, pero desde hace unos años se está realizando de forma automatizada con ayuda de dispositivos sensores y cámaras ópticas aislados, manteniendo un gran número de Policías y  Vigilantes por toda la Ciudad, que por medio de un Terminal de Datos, en el caso del servicio de aparcamiento, transmiten la identificación de los Usuarios e incidencias a un Centro de Gestión, en particular se han instalado en algunas ciudades una nueva generación de parquímetros llamados inteligentes (Parkare en la ciudad de Madrid), que se basan en la identificación del tipo de vehículo para la emisión del ticket de aparcamiento. Con la arquitectura propuesta se da una solución integrada de comunicación para todo tipo de Servicios, en la cual tanto la identificación de los elementos y usuarios de la ciudad, con todos los perfiles de usuario y todas las incidencias relacionadas, se realiza sin la necesidad de policías ni vigilantes.

Descripción de la solución

Principios del Sistema

La solución para la Ciudad Inteligente del futuro es un Sistema de Red, según Figura 1, basado, por una parte, en el uso de Dispositivos de Usuario, que van asociados a un Usuario, que puede ser cualquier Elemento o Persona, con ubicación Fija o Móvil dentro de la Ciudad y de Dispositivos Fijos, que van incorporados a un Terminal de Red Inteligente y son módulos integrados con distintos tipos de funciones como: Sensores (Iluminación, Ambientales), Detectores de imagen, Dispositivos de  Señalización (Tráfico, Calles, etc.) y Medios de Comunicación  Ciudadana (Datos de la Ciudad, Alarmas, Comunicaciones con Acceso a los Ciudadanos, etc.).

El Terminal de Red Inteligente soporta la comunicación, control y seguimiento del estado de los dispositivos de usuario, asociados a los distintos tipos de Elementos distribuidos por la Ciudad, con los distintos tipos de servicios requeridos. El Terminal de Red Inteligente realiza el procesado local (Edge) de los datos correspondientes de los dispositivos, la determinación y la ejecución de las acciones a tomar sobre los usuarios en relación con las normas establecidas, permitiendo detectar todas las incidencias, eventos y circunstancias que puedan ocurrir a un Dispositivo y al Elemento asociado.

El DU de una Cosa o Persona contiene toda la información del usuario y tiene comunicación multimedia con el Terminal de Red Inteligente en operación normal o anormal, y con un terminal móvil del agente de gestión, para ciertas operaciones específicas. El Dispositivo de Usuario Avanzado, va asociado e integrado en el Elemento por su Interfaz de Datos, permitiendo la interacción con el Elemento, en un contexto de sistema Máquina a Máquina.

El Centro de Gestión de Usuarios, realiza las funciones de control en tiempo real, servicios y gestión de los usuarios, con Dispositivo móvil o Integrados, a nivel del sistema global, y para el soporte de todos los Servicios del sistema, dentro de una arquitectura integrada Máquina a Máquina.

La Plataforma de Servicios Cloud soporta los servicios que no requieren un tiempo de respuesta tan exigente y liberan al Centro de Control de Red y Centro de Gestión de Usuarios de las tareas con mayor carga de datos. Aunque el sistema es completamente automático, adicionalmente, por medio de un Terminal Móvil, un Agente de gestión de usuarios del Ayuntamiento tiene acceso por radiofrecuencia a los Dispositivos de Usuario, para obtener datos del usuario o elemento asociado, estando en comunicación con el Centro de Gestión de Usuarios.

Servicios

Sobre la base de las altas prestaciones proporcionadas por esta Arquitectura Edge-Cloud, es posible soportar esta variedad de servicios de Internet de las Cosas y las Personas en la ciudad:

• Monitoring y Control de Elementos
• Sensorización de imagen, personas y cosas
• Servicios de Aparcamiento, propios e información relacionada y seguridad de vehículo y conducto
• Servicios de movilidad: Información de la ciudad y señalización para Residentes (Estado, eventos, otros) y para visitantes (Guía, estado, eventos, otros)
• Servicios de movilidad de vehículos: Guía por ciudad, V2X (Vehículo infraestructura, a agente, a otros elementos)
• Seguridad y vigilancia pública, para personas y cosas
• Sensorización ambiental: Iiluminación, polución, aguas, etc.
• Comunicaciones Small Cells, por solución Smart Spot
• Servicios de Turismo: Agentes de turismo, información turística, descripción de vistas, autodescripciones en vehículo y a pie, etc.
• Otros Servicios

Dimensionado

La arquitectura del sistema es flexible para desarrollar cualquier tipo de Servicios de Internet de las Cosas y escalable para cualquier dimensión, de forma que se pueden instalar el número de Terminales de Red  Inteligentes que requiera progresivamente la Ciudad, y la dimensión del sistema es configurable desde el Centro de Control  de Red y el Centro de Gestión de Usuarios, según el número de Dispositivos y Elementos  que haya que controlar y gestionar, alcanzando con la arquitectura presentada un rango desde cientos de Dispositivos de Usuario hasta millones de Dispositivos, y desde unas decenas de espacios de ubicación hasta un millón de espacios de ubicación.

Proyecto

En la Figura 1 se muestra la arquitectura del Sistema de Red con 6 Niveles. El Nodo de Acceso y Nodo de Red son unidades de red ya existentes, y se trata de que se puedan utilizar con un mínimo impacto. Las Unidades específicas del nuevo Sistema son:

Dispositivos de Usuario

Contienen toda la información del usuario y tienen comunicación con el Terminal de Red Inteligente en la operación normal, o con el terminal móvil del agente de gestión, para ciertas operaciones específicas.

El Dispositivo de Usuario Básico tiene las características de un dispositivo RFID activo bidireccional, con un elemento controlador adaptado y configurado para la comunicación con el Terminal de Red Inteligente, de acuerdo con los escenarios de comunicación de mensajes, estados y temporizaciones definidos en el Sistema.

El Dispositivo de Usuario Avanzado, va asociado e integrado en el Elemento por su Interfaz de Datos, permitiendo la interacción con la operativa del Elemento controlado, en el contexto de un sistema Máquina a Máquina automático avanzado, realizando el seguimiento e información sobre el estado, operación y seguridad del Elemento durante el tiempo que está ubicado en una zona determinada.

Procesado “Edge”: Terminal de Red Inteligente

El Procesado “Edge” se realiza en el Terminal de Red Inteligente concebido para cumplir las funciones de control de acceso, control de comunicación, identificación, actualización de dispositivos móviles de usuario y dispositivos integrados, que requieren los distintos Servicios de la Ciudad.

El control de la operación de ubicación y el estado del Elemento o Persona, así como el procesado de la señal y la imagen sobre la ocupación, liberación de espacios y su entorno, está basado en un Multiprocesador Digital con Inteligencia Artificial de Altas Prestaciones, que utilizando los algoritmos de análisis de señal e imagen adecuados permite hacer la identificación del Elemento o Persona, dentro de una ubicación de forma correcta o  incorrecta, por su número de identidad, o imagen si no tiene, enviando dicha identificación, en tiempo real o diferido, al Centro de Gestión de Usuarios. Por otra parte, controla el estado de un Elemento durante su fase de ubicación, permanencia y liberación para detectar si ocurre alguna incidencia o evento atípico.

Centro de Control de Red

Es una parte fundamental de la Red de Comunicación, dentro de la arquitectura Máquina a Máquina que requiere el sistema integrado, controlando las funciones en tiempo real de la Capa de Servicio de Red. Tiene una arquitectura que comprende los Bloques Funcionales siguientes, para la comunicación, control y gestión de los Terminales de Red Inteligentes definidos en este Sistema:

• Inicialización y Sincronización, realiza el arranque del propio Centro de Control de Red y controla el arranque de las unidades de la red que dependen de él (terminales de red inteligentes, nodos de acceso y nodos de red).
• Control de Conexiones, maneja las conexiones de las unidades de la red que dependen de él, disponiendo del mapa de enrutado para su ejecución, y realizando la gestión del tráfico y asignación dinámica de ancho de banda y velocidad de transmisión de cada canal, según el perfil de los Dispositivos de Usuario.
• Operación, realiza las funciones automáticas relacionadas con la operativa de ubicación, de acuerdo con los escenarios de comunicación entre unidades, y permite la presentación de estados y el acceso de los operadores por sus consolas al sistema de red. Realiza la Configuración de la red según una Base de Información de Gestión (BIG), y es posible realizar la Carga de datos y programas de actualización y la configuración remota de Dispositivos de Usuario y de los Terminales de Red Inteligentes, en base al Multiprocesador de Altas Prestaciones que incorporan estos, en comunicación y soporte de la Plataforma de Servicios Cloud.
• Mantenimiento, Redundancia y Seguridad, realiza la monitorización y reconfiguración dinámica, en caso de fallo, de las Unidades de la Red, de forma centralizada, para conseguir las prestaciones de fiabilidad y seguridad del Sistema de Red. Un operador del Centro de Control de Red tiene acceso por radiofrecuencia a los Dispositivos de Usuario y a los Terminales de Red Inteligentes, para monitorear y verificar datos de configuración, identificación y estado de operación, en comunicación con el Centro de Control de Red.
• Interfaz con Nodos de Red / Nodos de Acceso, establece la interconexión, a los distintos niveles de la pila de red, con los Nodos de Red o Nodos de Acceso, en caso de configuración reducida.
• Interfaz con el Centro de Gestión de Usuarios, establece la interconexión, a los distintos niveles de la pila de red, con el Centro de Gestión de Usuarios.

La Arquitectura Modular de Bloques Funcionales permite incrementar el Centro de Control de Red hasta su máxima dimensión.

Centro de Gestión de Usuarios

Realiza las funciones de control en tiempo real, servicios y gestión de los usuarios, a nivel del sistema global, y para el soporte de todos los Servicios del sistema, dentro de una arquitectura integrada Máquina a Máquina. Tiene una arquitectura que comprende los Bloques Funcionales siguientes, todos ellos específicos para la comunicación con los Dispositivos de Usuario por medio de los Terminales de Red Inteligentes, definidos en este Sistema:

• Registro de Usuarios, permite determinar los tipos de usuarios y sus perfiles correspondientes, con el soporte de los Servicios Cloud.
• Control de identificación y servicios, realiza la función de identificación de usuarios y elementos, y controla todos los servicios de usuario en tiempo real, según los distintos escenarios de comunicación.
• Acciones correctivas, determina, comunica y gestiona las acciones inmediatas a realizar en caso de incidencias.
• Gestión de Agentes, soporta la comunicación de los Agentes de Gestión de Usuarios para acciones específicas autorizadas, en interacción con el Dispositivo de Usuario.

Plataforma de Servicios Cloud

• Realiza la Configuración de la red según una Base de Información de Gestión (BIG), y es posible realizar la Carga de datos y programas de actualización y la configuración remota de Dispositivos de Usuario y de los Terminales de Red Inteligentes, en base al Multiprocesador de Altas Prestaciones que incorporan estos.
• Base de Datos de Red, es una base de datos general para el registro de todos los elementos de la red, para el control de estado de todos los elementos, la gestión de configuración, fallo, prestaciones, seguridad y para obtener estadísticas de tráfico, para la mejor asignación de recursos
• Registro de Usuarios, permite determinar los tipos de usuarios y sus perfiles correspondientes.
• Acciones correctivas, determina, comunica y gestiona las acciones a realizar en caso de incidencias.
• Edición de Informes, comprende las funciones de información relacionadas con los Usuarios del Servicio.
• Base de Datos de usuarios, es una base de datos general para todos los perfiles, configuraciones, prestaciones, seguridad, estadísticas y otros, y para soportar el conjunto de Servicios del sistema.
• Normativa, comprende el almacenamiento, manejo y comunicación de todas las Normas aplicables.

Metodología

• El Procesado Edge, realizado en base al Terminal de Red Inteligente, está configurado con un conjunto de dispositivos fijos, según el tipo de aplicación, y colocado en una posición adecuada, típicamente en una farola del sistema público de iluminación, para la comunicación con los Dispositivos de Usuario y detección de Elementos y su entorno.
• El Nodo de Acceso, permite la comunicación transparente de información de los Terminales de Red Inteligentes de su área con el Centro de Control de Red y Centro de Gestión de Usuarios, la realización preferente es un nodo de acceso privado, pero puede ser un nodo de acceso móvil público o acceso WiFi por Internet.
• El Nodo de Red, permite la comunicación transparente de información de los nodos de acceso de su área con el Centro de Control de Red, realizando el enrutado y la multiplexación de las señales recibidas del Nodo de Acceso. Esta unidad, entre el Nodo de Acceso y el Centro de Control de Red, es opcional y se puede anular para la cobertura de áreas reducidas.
• El Terminal Móvil de Agente permite la comunicación del Agente de Gestión con el Centro de Gestión de Usuarios, para aplicaciones específicas de gestión, a la vez que el Terminal de Red Inteligente. Opcionalmente incorpora servicios de audio, video y datos en configuración multimedia, en interacción con el Dispositivo de Usuario Avanzado.
• La normativa básica será normalmente única para un Ayuntamiento, de forma que se podrán utilizar los dispositivos RF en cualquier distrito del municipio, sin embargo, la flexibilidad del sistema permite aplicar distintos requisitos y el interfuncionamiento con otras ciudades.

Resultados

Se ha realizado el diseño de alto nivel del Sistema, el diseño de arquitectura de los Terminales de Red Inteligentes, con las distintas Subunidades funcionales, definiendo los bloques que las componen, se ha definido la Plataforma de Servicios Cloud y se ha progresado en la fase de diseño detallado del sistema. Por otra parte, han sido concedidas Patentes de Invención en la Unión Europea, Estados Unidos y Méjico sobre un Sistema de Aparcamiento Automático, como primera aplicación de la Arquitectura de Red, en la versión sin Procesado Cloud, y dicho sistema está registrado con la Marca SARA.

Conclusiones

La arquitectura que se ha descrito, en base a su funcionalidad y prestaciones basadas en Inteligencia Artificial de Altas Prestaciones, con una partición funcional entre la parte terminal “Procesado Edge” y la parte global “ Procesado Cloud” permite una solución automática e integrada para los distintos servicios de las Ciudades Inteligentes, con unas prestaciones muy superiores en eficiencia y flexibilidad a las soluciones ya existentes, por otra parte permite desarrollar un conjunto de Servicios avanzados para la evolución de las Ciudades Inteligentes y conseguir el objetivo final de una Smart Mobility (Telefónica). La Aplicación del Sistema y el desarrollo del conjunto de Servicios soportados, tanto para la aplicación específica como para el conjunto de los Servicios de Ciudades Inteligentes, se deriva de forma evidente del concepto y arquitectura del propio Sistema y de la descripción resumida aquí realizada, con sus distintas Unidades y de la Arquitectura de la Red de Comunicación en sus distintos niveles. Supone un cambio disruptivo la incorporación del Terminal de Red Inteligente presentado, donde la Subunidad de Multiprocesador Digital de Altas Prestaciones, con su gran potencial de Inteligencia Artificial, permite evolucionar a los Servicios de Comunicaciones más avanzados del futuro.

Referencias

• Soluciones tecnológicas para una movilidad urbana sostenible – Rosa Mª Martínez/ Congreso Ciudades Inteligentes 2015
• Came Parkare (20 enero 2016)
• Smart Parking Sensor Platform enables city motorists save time and fuel. Libelium (20 enero 2016)
• Streetline (20 enero 2016)
• El Terminal de Red Inteligente: Parte esencial de la Ciudad del futuro -Javier de la Plaza/ Congreso Ciudades Inteligentes 2017