Comunicación presentada al III Congreso Ciudades Inteligentes:
Autor
- Javier de la Plaza Ortega, Consultor de Programas Internacionales de I+D / Dirección
Resumen
El Terminal de Red Inteligente es un Componente fundamental dentro de la Arquitectura de Red de cinco Niveles que ha sido diseñada para satisfacer los Servicios de Comunicaciones de la Ciudad Inteligente. La Arquitectura de Red está constituida por un primer nivel de Dispositivos de Usuario, que se conectan por radiofrecuencia a un segundo nivel de Terminales de Red Inteligentes, dentro de su área de cobertura, para su comunicación con un Centro de Gestión de Usuarios. Por otra parte, los Terminales de Red Inteligentes integran distintos tipos de Sensores, Detectores de Imagen, Señalización y Medios de Comunicación para el Ciudadano, y están conectados por un conjunto de Nodos de Acceso y Nodos de Red a un Centro de Control de Red global, que realiza el Control y Gestión de los Terminales de Red Inteligentes. Los Terminales de Red Inteligentes, dentro de su área de cobertura, realizan las funciones de control de acceso, comunicación e identificación de los Dispositivos de Usuario, y el manejo de los Sensores, Detectores de Imagen, Señalización y Medios de Comunicación que lleva integrados, para los distintos tipos de servicios, eventos e incidencias, en comunicación con el Centro de Gestión de Usuarios.
Palabras clave
Dispositivos, Sensores, Inteligencia, Artificial, Automático, Integrado, Identificación, Terminal, Red, Servicios
Introducción
Contexto
La arquitectura básica de referencia, dentro de la cual se enmarca el Terminal de Red Inteligente, está concebida en el contexto de Internet de las Cosas (IoT), Machine to Machine (M2M) y Ciudades Inteligentes, implementando para el desarrollo de dicho Terminal la tecnología más avanzada en Procesamiento Digital, Inteligencia Artificial y Comunicación de Datos Multimedia. Con esta solución es posible soportar gran variedad de Servicios y Aplicaciones relacionadas con los distintos tipos de Elementos fijos y móviles que pueden estar ubicados por toda la Ciudad. Entre los distintos tipos de Servicios y Aplicaciones el primero que se ha considerado para su desarrollo ha sido el de Aparcamiento Regulado Automático (Libelium, 2015), debido a la problemática específica que presenta y la necesidad urgente de dar una solución completa e integrada, que permita una fácil evolución al conjunto de servicios que requiere la Ciudad del Futuro, para lo cual se ha diseñado este Terminal de Red Inteligente.
Antecedentes
Se están desarrollando distintos sistemas para proporcionar nuevos servicios para la Ciudad Inteligente, principalmente relacionados con el control de iluminación, aparcamiento, señalización, transporte y otros, pero ninguno proporciona una solución completa e integrada a las necesidades de comunicaciones que requiere la Ciudad del Futuro. La incorporación de Inteligencia Artificial en el Terminal de Red Inteligente, como parte esencial de una Red Global municipal, permitirá soportar los servicios y aplicaciones actuales, con mejores funcionalidades y prestaciones, y la evolución a nuevos servicios que todavía no han sido implementados, consiguiendo realmente los objetivos de Servicio de las Ciudades Inteligentes (Teixeira, 2015), para una Ciudad Conectada (Mancheño, 2016), con Gestión Inteligente de Infraestructuras (Milán, 2016) y una Plataforma Abierta (FIWARE, 2017).
Descripción de la solución
Principios del Sistema
La solución para la Ciudad Inteligente del futuro es un Sistema de Red basado, por una parte, en el uso de Dispositivos de Usuario (DU), 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 Integrados (DI), que van incorporados al Terminal de Red Inteligente (TRI) y son módulos integrados con distintos tipos de funciones como: Sensores (Iluminación, Ambientales), Detectores de imagen ( Fija, Video ), Dispositivos de Señalización (Tráfico, Calles) y Medios de Comunicación Ciudadana (Datos de la Ciudad, Alarmas, Comunicaciones con Acceso a los Ciudadanos). 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 procesado de los datos correspondientes de los dispositivos y la determinación de las acciones a tomar, a nivel terminal, sobre los usuarios en relación con las normas establecidas, detectando todas las incidencias, eventos y circunstancias que puedan ocurrir a un Dispositivo y al Elemento asociado.
Dentro de los Dispositivos RF de Usuario se distinguen dos tipos de dispositivos, el tipo básico, que está constituido por una tarjeta RFID, y el tipo avanzado que está equipado con funciones adicionales como pantalla, teclado, interfaz de datos del Elemento controlado y comunicación multimedia, que puede estar instalado en el Elemento o ser un dispositivo portátil asociado a un Elemento o Persona. El DU contiene toda la información del usuario y tiene comunicación con el Terminal de Red Inteligente en operación Normal o Anormal, y con un Terminal Móvil del Agente de Gestión, para ciertas operaciones específicas autorizadas.
El Centro de Gestión de Usuarios, realiza las funciones de control en tiempo real, servicios y gestión de los usuarios, con Dispositivo o Integrados, a nivel del sistema global, y para el soporte de los Servicios Suplementarios del sistema, dentro de una arquitectura integrada Máquina a Máquina. Tiene una arquitectura compleja y realiza las funciones siguientes, todas ellas específicas para la comunicación con los Dispositivos de Usuario y Dispositivos Integrados, por medio de los Terminales de Red Inteligentes, definidos en este Sistema de Red: Registro de Usuarios, Control de identificación y servicios, Acciones correctivas, Gestión de Agentes, Edición de Informes, Base de Datos y Normativa.
Arquitectura de Red
La Arquitectura de Red (Figura 1), en la que se implementa el Terminal de Red Inteligente, está constituida por un primer nivel de Dispositivos de Usuario que permiten la comunicación de información y datos de Usuario al Centro de Gestión de Usuarios, por medio del acceso de RF a los Terminales de Red Inteligentes. El Terminal de Red inteligente (TRI) controla la comunicación, ubicación e identificación del conjunto de Dispositivos de Usuario y los Dispositivos Integrados, dentro de su área de cobertura, y el Nodo de Acceso y de Red permiten la comunicación de los Terminales de Red Inteligentes con el Centro de Control de Red, que configura, maneja y opera el conjunto de TRIs instalados en el Sistema Global.
El 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 Red, donde se ubican los Terminales de Red Inteligentes. La Arquitectura Modular de Subunidades Funcionales permite incrementar el Centro de Control de Red hasta su máxima dimensión.
El Centro de Gestión de Usuarios define y gestiona el perfil de los Usuarios y Dispositivos Integrados, controla en tiempo real los procesos asociados, aplica las acciones correctivas y gestiona todas las incidencias, eventos y circunstancias de los Dispositivos y Elementos asociados, a nivel global. Adicionalmente existe un Terminal Móvil de Agente para operaciones autorizadas sobre los Dispositivos de Usuario e Integrados.
Dentro de la Arquitectura del Sistema de Red con 5 Niveles, el Nodo de Acceso y Nodo de Red pueden ser unidades de red ya existentes, para pequeña dimensión el Nodo de Red no es requerido.
Servicios
En el Sistema de Red se distinguen dos tipos de servicios, Servicios Básicos, que son los relacionados con el servicio y aplicación específica, y los Servicios Suplementarios que no están directamente relacionados con el servicio y permiten funciones adicionales de Gestión de espacios, Información pública, por paneles y terminales de comunicación fijos y móviles, Guiado de espacios , Localización, Vigilancia y Seguimiento de Elementos autorizados, y otros de personas y cosas, que estén dentro del área de cobertura de los Terminales de Red Inteligentes y porten el Dispositivo de Usuario. Por otra parte, el TRI envía automáticamente, o bajo petición del Centro de Gestión de Usuarios o del Centro de Control de Red, información de imagen fija o de video, que puede ser directa o procesada, correspondiente a una operación específica autorizada, realizada para un área determinada.
El Terminal de Red Inteligente realiza la exploración periódica de dispositivos de su área, resolviendo el solape de cobertura con otros terminales de red inteligentes, la identificación de Elementos por su etiqueta o imagen, la verificación del perfil y derechos del Usuario y Elemento, a nivel de acceso a la red, y la validación de dispositivos de Usuario e Integrados, tanto en operación Normal como Anormal, con todas las incidencias relacionadas.
Dimensionado
La arquitectura del sistema es escalable, 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 más de diez millones de Dispositivos, y desde unas decenas de espacios de ubicación hasta un millón de espacios de ubicación.
Proyecto
El objetivo principal es el desarrollo y prueba del Terminal de Red Inteligente y definir los requisitos del Centro de Control de Red que permite su comunicación y gestión.
Terminal de Red Inteligente
La Arquitectura del Terminal de Red Inteligente está concebida para cumplir las funciones de control de acceso, control de comunicación, identificación, actualización de dispositivos de usuario y otras, que requieren los Servicios de los distintos Dispositivos y Elementos 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 que ha realizado una ubicación de forma 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.
La Arquitectura del Terminal de Red Inteligente (Figura 2), como Unidad del Sistema de Red, comprende las Subunidades siguientes:
- RF y Banda Base, constituida por: Transceptor para la comunicación de radiofrecuencia con el dispositivo de usuario, en la banda de frecuencia permitida para la aplicación. Modem y codec de las señales de información digital enviada al dispositivo de usuario y recibida sobre su identificación, perfil y estado. Transceptor de red para realizar el enlace de radiofrecuencia con el nodo de acceso, en la banda de frecuencia permitida para la aplicación. Modem y codec red para trasmitir y recibir la información generada e integrada por el terminal de red inteligente al centro de control de red por el nodo de acceso.
- Cluster de Sensores (Iluminación, Ambientales), Detectores de Imagen (Fija, Video), Dispositivos de Señalización (Tráfico, Calles) y Medios de Comunicación Ciudadana (Datos de la Ciudad, Alarmas, Comunicaciones con Acceso a los Ciudadanos).
- Subunidad de Detección de Imagen, constituida por una cámara óptica para la obtención de la imagen y video de los Elementos en su fase de ubicación, permanencia y liberación del espacio y un detector radio/óptico, con soporte opcional de datos GPS de usuario, que es un bloque funcional de detección por radiofrecuencia (Radar) o radiación óptica (Laser), como parte del Terminal de Red Inteligente, para la detección del estado de los espacios de ubicación, funcionando en coordinación con la identificación de usuario RF y la cámara óptica de identificación visual, y una interfaz de video que permite adaptar, manejar y seleccionar la información de los medios de detección.
- Multiprocesador Digital de Altas Prestaciones, que realiza el procesado, codificación y entramado del conjunto de datos manejados por el Terminal de Red Inteligente en relación con el conjunto de Elementos y Dispositivos en su área de cobertura, y de su propio equipo. La Inteligencia Artificial de Altas Prestaciones, que incorpora, proporciona la avanzada funcionalidad requerida para el control coordinado e integrado de la operación de ubicación y procesado de imagen, tanto en operación Normal como Anormal.
- Generador de tiempos y sincronizador, es un bloque funcional para generar los tiempos de control digital y contabilidad de uso de espacios, sincronización de todos los elementos del TRI y sincronización del TRI con el Centro de Control de Red, dentro de la red global de terminales y nodos de acceso del sistema.
- Subsistema de alimentación para obtener y gestionar los recursos de alimentación de las Subunidades del TRI, basado en la combinación de energía eléctrica de la red pública y energía fotovoltaica.
Requisitos del 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, los requisitos para la comunicación con los Terminales de Red Inteligentes se resumen en:
- Inicialización y Sincronización, realiza el arranque de las unidades de la red.
- Control de Conexiones, maneja las conexiones de las unidades de la red, realizando la gestión del tráfico y asignación de ancho de banda y velocidad de transmisión del TRI.
- Operación, realiza las funciones automáticas relacionadas con la operativa del servicio.
- Mantenimiento, Redundancia y Seguridad, realiza la monitorización y reconfiguración.
- Base de Datos, es una base de datos general para el registro de todas las unidades de la red.
- Interfaz con Nodos de Red / Nodos de Acceso a los distintos niveles de la pila de red.
- Interfaz con el Centro de Gestión de Usuarios a los distintos niveles de la pila de red.
Metodología
- En una primera fase se realizará la Especificación y el Diseño de la Unidad de Terminal de Red Inteligente y en una segunda fase la Especificación de las distintas Subunidades que lo integran, usando los medios de diseño y herramientas más avanzados de Procesado digital, Inteligencia Artificial y Reconocimiento de imagen.
- El Terminal de Red Inteligente se instala en un punto de la vía pública que permita la transmisión y recepción con los Dispositivos de Usuario de RF, la Sensorización y Detección de Elementos y Personas dentro de su área de cobertura, con la visualización de las etiquetas de Identificación, o de imagen si no las tienen. El TRI está ubicado típicamente en un poste de alumbrado público, de forma que exista un campo de visión directa de los Elementos a controlar, aunque puede ubicarse en otra posición como un poste o la fachada de un edificio.
- El Terminal de Red inteligente tiene un programa de exploración y monitorización de los dispositivos de usuario que están dentro de su área de cobertura, de forma que al ser ocupado un espacio por un elemento detecta su presencia y procede a su identificación. El Terminal de Red Inteligente comienza un proceso de identificación y validación, el modo normal de identificación es por la comunicación de radiofrecuencia que se establece con el dispositivo de usuario de RF, si esta no es posible, por no estar disponible o por no funcionar correctamente, realiza la identificación por medio de los medios de detección, iniciando el proceso de infracción correspondiente, si es el caso. Los componentes de detección actúan en coordinación, bajo control del Multiprocesador Digital de Altas Prestaciones, para determinar la validez de los Dispositivos de Usuario, identificar los Elementos en estado incorrecto y transmitir la información correspondiente por el Centro de Control de Red al Centro de Gestión de Usuarios.
Resultados
Se ha realizado el diseño de alto nivel del Sistema, y se ha iniciado la especificación y diseño de arquitectura de los Terminales de Red Inteligentes, con las distintas Subunidades funcionales, definiendo los bloques que los componen. Por otra parte, ha sido concedida la Patente de Invención Estados Unidos sobre el Sistema de Aparcamiento Regulado Automático, que incorpora el Terminal de Red Inteligente, como primera aplicación de la Arquitectura de Red, y que está registrado con la Marca SARA.
Conclusiones
El Terminal de Red Inteligente que se ha descrito, con su funcionalidad e interacciones basadas en Inteligencia Artificial de Altas Prestaciones, permite una solución automática e integrada para los distintos servicios de las Ciudades Inteligentes, con unas prestaciones muy superiores a las soluciones ya existentes y por otra parte permite desarrollar un conjunto de Servicios Suplementarios para la evolución de las Ciudades Inteligentes y conseguir el objetivo final de una Movilidad Urbana Sostenible (Martínez, 2015). La Aplicación Industrial del Sistema y el desarrollo del conjunto de Servicios soportados, tanto para aplicaciones específicas como para el conjunto de los Servicios de Ciudades Inteligentes, se deriva de forma evidente del concepto y arquitectura del propio Sistema, de la descripción resumida aquí realizada con sus distintas Unidades y de la Arquitectura de Red de Comunicación en sus distintos niveles, para conseguir una Ciudad Conectada. De la descripción de las Unidades del Sistema y de las Subunidades que las componen, así como de las funcionalidades y prestaciones de cada una, se deduce la gran importancia y trascendencia del Terminal de Red Inteligente presentado, donde la Subunidad de Multiprocesador Digital de Altas Prestaciones, con su gran potencial de Inteligencia Artificial, permite soportar los Servicios de Comunicaciones más avanzados de la Ciudad del Futuro, con una Gestión Inteligente de sus Infraestructuras.
Referencias
- Mancheño, Alicia – Vodafone Ciudad Conectada – Congreso Ciudades Inteligentes 2016
- Martínez, Rosa Mª – Soluciones tecnológicas para una movilidad urbana sostenible- Congreso Ciudades Inteligentes 2015
- Milán, Roberto – Gestión Inteligente de Infraestructuras – Congreso Ciudades Inteligentes 2016
- Teixeira, Jose Antonio – Plataforma de gestión integrada de la Ciudad – Congreso Ciudades Inteligentes 2016
- Fiware (1 febrero 2017)
- Smart Parking Sensor Platform enables city motorists save time and fuel. Libelium (20 enero 2016)