Integrácia aplikačných infraštruktúr IoT

Jedným zo súčasných dominantných trendov v oblasti informačných a komunikačných technológií je problematika internetu vecí (Internet of Things – IoT) najmä v súvislosti s úlohami monitorovania a riadenia.
Integrácia aplikačných infraštruktúr IoT

Systémy IoT sa aplikujú v rôznych oblastiach (napr. doprava, inteligentné budovy/mestá, energetika, zdravotníctvo) so zameraním na rôzne ciele (napr. optimalizáciu vykurovania a klimatizácie v administratívnych budovách či monitorovanie ľudí odkázaných na domácu starostlivosť). V týchto aplikačných oblastiach sú vytvárané infraštruktúry IoT, pričom nejakú infraštruktúru môžeme voľne definovať ako množinu vzájomne prepojených prvkov IoT, ktoré plnia konkrétny účel (napr. všetky elementy IoT na monitorovanie obsadenosti parkoviska tvoria jednu infraštruktúru IoT). Hoci takéto infraštruktúry IoT postupne pribúdajú, väčšina z nich funguje ako „izolované ostrovy“, ktoré medzi sebou vzájomne nekomunikujú. A pritom práve vzájomná zabezpečená komunikácia medzi jednotlivými infraštruktúrami (ich interoperabilita) môže výrazne zvýšiť úroveň ich funkčnosti s pozitívnym vplyvom na celý ekosystém IoT.

V súvislosti s interoperabilitou infraštruktúr IoT sa v súčasnosti celkom prirodzene vynárajú otázky ako: V čom spočívajú prekážky, ktoré bránia vzájomnej komunikácii medzi existujúcimi infraštruktúrami IoT? Možno ich odbúrať? Ak áno, ako? Za hlavné bariéry súčasného ekosystému IoT sa podľa [1] a [2] považujú nasledujúce skutočnosti:

  • chýbajúci protokol pre interoperabilitu IoT (systémy IoT ich tvorcovia často navrhujú ako uzatvorené, t. j. komunikácia v nich prebieha použitím protokolu, ktorého špecifikácia nie je verejne známa),
  • vzájomná výmena citlivých údajov medzi infraštruktúrami IoT prináša vážny problém spojený s ochranou súkromia,
  • špecifikácia komunikačných protokolov (t. j. ich otvorenie) sa považuje za problematickú aj z hľadiska intelektuálneho vlastníctva,
  • integrácia IoT infraštruktúr zjavne nebude vyhovovať všetkým používateľom, resp. ich dodávateľom.

Cieľom hľadania odpovedí na otázku, ako prepojiť jednotlivé infraštruktúry IoT, bolo vyvinúť riešenie, ktoré má potenciál eliminovať uvedené bariéry a umožniť efektívnejšie využitie infraštruktúr IoT (existujúcich aj nových), ako aj rôznych zariadení IoT využívajúcich tieto infraštruktúry (s rôznymi komunikačnými protokolmi). Podstatou vytvoreného riešenia je integračná platforma, analógia sociálnej siete, v ktorej sú zapojení vlastníci rôznych infraštruktúr IoT. Týmto vlastníkom bude jednoduchým spôsobom umožnené definovať prístupové práva k svojim infraštruktúram, resp. k ich častiam (obdobne ako sa napr. na sociálnej sieti Facebook definujú prístupové práva pre rôzne kategórie priateľov). Medzi vytvorenou integračnou platformou a infraštruktúrou IoT je zadefinovaný SW modul, tzv. adaptér. Adaptér umožňuje obojstranný preklad volaní a odpovedí na tieto volania medzi integračnou platformou a infraštruktúrami IoT. Takto možno používať monitorovacie a riadiace funkcie na zariadeniach sprístupnených vlastníkom v IoT infraštruktúre v jednotnom jazyku. Na to, aby infraštruktúra mohla komunikovať s integračnou platformou (a teda bola integrovateľná), treba vytvoriť takýto adaptér. Proces jeho tvorby je do veľkej miery automatizovaný (podstatnou časťou tohto procesu je automatizácia objavovania už známych typov zariadení, ku ktorým existuje softvérový komponent na monitorovanie stavových veličín a ich zmenu, t. j. obsluhu zariadenia) a možno ho realizovať rádovo v dňoch, ba aj v hodinách (to záleží hlavne na komplexnosti infraštruktúry, množstve použitých protokolov a zbehlosti programátora).

Navrhnutá integračná platforma má potenciál posunúť svet IoT smerom k stavu, v ktorom je možná jednotná definícia aplikácií nad existujúcimi infraštruktúrami IoT (bez ohľadu na technickú rozmanitosť a vlastnícke vzťahy, ktoré sú s infraštruktúrami spojené). To môže prispieť napríklad k premene miest na smart mestá budúcnosti.

Architektúra integračnej platformy

Architektúra platformy je postavená na koncepte prepojenia rôznych (technologicky aj doménovo) infraštruktúr IoT prostredníctvom služby zabezpečujúcej interoperabilitu. To umožní interakciu objektov/zariadení IoT (ktoré sú modelované ako softvérové objekty) s objektmi IoT z iného ekosystému. Služby poskytujúce interoperabilitu vytvoria základ pre služby s vyššou pridanou hodnotou, keďže informácie pochádzajúce z rôznych domén budú môcť byť spracované na jednom mieste a jednotným spôsobom (obr. 1).

Na obr. 1 je prostredníctvom služieb pre interoperabilitu prepojená infraštruktúra IoT pre inteligentné budovy (vľavo) s infraštruktúrou IoT pre energetiku (vpravo). Tieto infraštruktúry sú pripojené a integrované do integračnej platformy prostredníctvom adaptéra cez bránu. Nastavenie parametrov manažéra virtuálneho susedstva určí, ku ktorým objektom IoT môže (má oprávnenie) vzdialene pristupovať príslušný adaptér (napríklad k batérii v energetickej infraštruktúre), a tieto objekty simuluje ako súčasť integrovanej infraštruktúry IoT. Takéto objekty môžu byť sprístupnené pre služby s pridanou hodnotou, keďže s nimi možno komunikovať jednotným jazykom definovaným v sémantických modeloch/ontológiách.

Decentralizovaná interoperabilita architektúry

Ekosystém decentralizovanej interoperability infraštruktúr IoT sa buduje využitím prístupu zdola nahor. Používatelia môžu zdieľať prístup k inteligentným objektom jednotlivých infraštruktúr IoT bez toho, aby nad nimi stratili kontrolu. Každý manažér virtuálneho susedstva v tejto architektúre predstavuje jeden uzol peer-to-peer (P2P) siete. V tejto sieti infraštruktúra IoT síce zdieľa prístup k definovaným objektom IoT, avšak nestráca nad nimi kontrolu. Manažér virtuálneho susedstva definuje prístupové práva s cieľom spoločného využívania údajov použitím cloudu.

Jednotlivé uzly predstavujú uzavretú a bezpečnú P2P sieť na vzájomnú výmenu údajov. Táto sieť je konfigurovateľná prostredníctvom cloudu na základe konfigurácie prístupových práv s cieľom spoločného využívania údajov jednotlivých uzlov (nevyužíva sa centrálna administrácia týkajúca sa konfigurácie prístupu k údajom všetkých uzlov). Konfigurácia jednotlivých uzlov zahŕňa aj sémantické popisy objektov IoT a ich dynamickú konfiguráciu, ktoré umožňujú sémanticky korektnú interoperabilitu medzi integrovanými infraštruktúrami IoT a službami s pridanou hodnotou.

Nad jednotlivými uzlami a cloudom sa poskytuje nasledujúca funkcionalita:

  • nastavenie interoperability (pre uzol zahrnutý do platformy, rola operátor IoT),
  • registrovanie a objavenie zariadenia (rola vlastník zariadenia),
  • služby s pridanou hodnotou (rola poskytovateľ služby).

Úlohou integrátora systému je vytvoriť adaptačnú vrstvu pre nový uzol. Táto vrstva implementuje rozhranie API, ktoré predpisuje platforma.

Komponenty komunikujúce s integrovanými infraštruktúrami

Aktuálne sa vyvíjajú komponenty umožňujúce komunikáciu s objektmi IoT z rôznych infraštruktúr IoT v jednotnom jazyku definovanom použitím ontológií. Ťažiskovými komponentmi sú agent a adaptér. Ide o komponenty systému, ktoré eliminujú bariéry na integráciu infraštruktúr IoT, t. j. chýbajúceho jednotného prístupu k interoperabilite. Agent a adaptér umožňujú pristupovať k údajom z objektov IoT vďaka „transformácii“ komunikácie zo „špecifického jazyka“ danej infraštruktúry IoT do jazyka definovaného ontológiou a naopak. Požiadavky v jednotnom jazyku agent preloží do jazykov relevantných infraštruktúr IoT. Tieto požiadavky následne adaptér pošle konkrétnym infraštruktúram a ich odpovede sú spätne preložené do jazyka integračnej štruktúry. Takto získanú preloženú odpoveď potom agent odošle tomu komponentu, ktorý požiadavku inicioval.

Podľa [3] spojenie agent – adaptér poskytuje nasledujúcu funkcionalitu:

  • integráciu infraštruktúry IoT alebo služieb s pridanou hodnotou do platformy cez brány API exponovaním objektov IoT,
  • konfiguráciu agenta a adaptéra,
  • sémantické spárovanie medzi parametrizovaným dopytom a dostupnými popismi uzlov IoT (t. j. nájdenie relevantných uzlov).

Pilotné aplikácie

Vývoj pilotných aplikácií a demonštrácia navrhnutého integračného konceptu sa realizuje v štyroch krajinách EÚ – v Nórsku, Dánsku, Portugalsku a Grécku. S ohľadom na demonštráciu sú definované špecifické prípady použitia, ktoré možno chápať ako modelové príklady použitia aplikácie postavenej nad vyvinutou integračnou platformou na prepájanie infraštruktúr IoT.

Koncept integračnej platformy na základe služby pre interoperabilitu je testovaný v štyroch aplikačných doménach:

1. Inteligentná elektrická prenosová sústava – SmartGrid. Ide o prepojenie budov v rámci (fyzického) susedstva, ktoré umožní vyjednávanie ich predpovedanej energetickej flexibility (zahrnujúcej spotrebu aj lokálnu produkciu energie). Ide o aplikáciu typu manažment na strane dopytu [4] (Demand Side Management – DSM).

2. Inteligentné budovy – SmartBuilding. A to inteligentná domácnosť v podobe inteligentných spotrebičov – SmartHome, ako aj inteligentná administratívna budova – SmartOffice. Ide o interpretáciu dát z rôznych zariadení sémanticky korektným spôsobom. Tieto dáta využívajú iné (nové alebo existujúce) systémy pre potreby biznis procesov v rámci týchto budov.

3. Doprava – SmartParking. Ide o implementáciu inteligentnej, čistejšej a bezpečnejšej dopravy prostredníctvom integrácie infraštruktúr IoT (a dát nimi generovaných) z oblasti inteligentného parkovania a inteligentných budov.

4. Zdravotníctvo, resp. inteligentné asistenčné zdravotné služby – eHealth. Ide o pomoc starším ľuďom a ľuďom so špecifickými potrebami. Tento prípad použitia je demonštrovaný použitím aplikácie integrujúcej existujúce komerčné zariadenia a senzory s využitím prístupných komunikačných kanálov (spájajúcich koncových používateľov, príbuzných, lekárov a poskytovateľov asistenčných služieb).

Aplikácie v týchto doménach nebudú demonštrovať len inteligentné použitie údajov z jednej domény. Napríklad nedemonštruje sa len inteligentné parkovanie na základe preferencií používateľa alebo použitie inteligentných spotrebičov na základe profilu používateľa. Vďaka interoperabilite možno ísť (čo je aj testované v rámci pilotných aplikácií) za túto hranicu, a to použitím medzidoménových aplikácií. Takéto medzidoménové príklady prinášajú nové možnosti tvorby služieb s pridanou hodnotou. V rámci testovania platformy sa ráta napríklad so zapojením inteligentných spotrebičov pri stratégiách riadenia inteligentnej prenosovej sústavy. Takéto stratégie totiž nemusia zohľadňovať len kapacitu a flexibilitu výroby (napr. výroba a uskladnenie solárnej elektriny), ale aj kapacitu a flexibilitu na strane spotreby. V tomto prípade ide o kombináciu domén inteligentná domácnosť s doménou inteligentná prenosová sústava. Tiež budú demonštrované kombinácie z domén doprava a inteligentné budovy, kde sa zohľadnia dáta o obsadenosti administratívnych budov a dáta o voľných parkovacích miestach. Vďaka interoperabilite poskytovanej platformou budú takéto scenáre možné a spektrum služieb s pridanou hodnotou veľmi široké.

Na druhej strane vyžitie údajov z rôznych domén s rôznymi vlastníckymi vzťahmi prináša aj špecifické výzvy. Aplikačné domény pokryté v rámci pilotného testovania spolu s naznačenými výzvami pri využití údajov z doménovo aj vlastnícky rôznorodých IoT infraštruktúr sú naznačené na obr. 3.

Scenáre použitia – modelové príklady

Použitím požívateľských scenárov je demonštrované využitie integračného riešenia. Tieto scenáre boli definované tak, aby ponúkali riešenia typických problémov. Podrobnejšie informácie o týchto scenároch sú uvedené v [6].

Systém inteligentných budov

Systém inteligentných budov je modelový príklad na demonštráciu fungovania vzájomného prepojenia inteligentných komponentov využívaných v rámci virtuálneho manažmentu susedstva, ktorý zohľadňuje geografickú vzdialenosť aj energetické profily budov. To umožňuje týmto susedstvám vyjednávať potenciálnu flexibilitu v spotrebe elektriny v rámci ekosystému ako jedna (prostredníctvom integračnej platformy) organizovaná skupina. Tento modelový príklad je nasadený a demonštrovaný vo vedeckom parku v Oslo, ktorý pozostáva zo štyroch nezávislých budov a podzemného parkoviska s celkovou kombinovanou plochou 5 500 m2. Modelové príklady v tomto vedeckom parku sú zamerané na tri oblasti:

  • energetická flexibilita budov v rámci susedstva,
  • optimalizácia inteligentného parkovania, rezervačného systému a nabíjania elektromobilov v rámci vymedzenej lokality,
  • optimalizácia lokálnej flexibility energie v rámci inteligentného mestského susedstva.

Inteligentné parkovanie

Demonštrácia inteligentného parkovania v meste Tromso v Nórsku poskytuje rozšíriteľnú službu na spoločné využívanie parkovacích miest. Konkrétna lokalita obsahuje apartmánové byty, administratívne priestory, divadlo a priestory na zábavu s relatívne malým množstvom parkovacích miest. Táto lokalita je vybavená širokým spektrom inteligentných zariadení, ale aj asistenčnými zariadeniami podporujúcimi mobilitu, ktoré sú napojené na SW systémy eHealth a eMobility. Tiež sú tu monitorované rôzne environmentálne parametre, spotreba elektriny, dokonca aj lokálna fotovoltická elektráreň.

Inteligentná prenosová sústava

Demonštrácia tejto pilotnej aplikácie v meste Martim Longo v Portugalsku je zameraná na možnosti zapojenia budov mestskej samosprávy do manažmentu prenosovej sústavy prostredníctvom ich združenia v rámci integračnej platformy. Tento scenár použitia je zameraný na demonštrovanie služieb s pridanou hodnotou umožnenými integračnou platformou. Okrem budov patriacich miestnej samospráve (škola, plavecký bazén so športovým centrom a dom pre seniorov v Alcountim, Portugalsko) je do pilotnej aplikácie zahrnutá aj infraštruktúra na generovanie energie z obnoviteľných zdrojov (solárne laboratórium v Alcountim, Portugalsko). Všetky tieto v scenári zahrnuté komponenty sú osadené senzormi, ktoré umožňujú monitorovanie rôznych parametrov. Takéto monitorovanie je základom, nad ktorým budú poskytnuté služby zlepšujúce kvalitu prostredia.

eHealth a inteligentné domy s asistenčnými službami

Cieľom tohto scenára v meste Pilea-Hortiatis v Grécku je demonštrovať, ako môžu senzory, aktuátory a integrované komunikačné zariadenia nainštalované v domácnosti poskytnúť bývanie s asistenčnými službami pre starších ľudí a ľudí dlhodobo odkázaných na asistenčné a opatrovateľské služby. Vzdialené monitorovanie zdravotných parametrov používateľov poskytne široké možnosti pre špecialistov v asistenčných centrách.

Biznis model

Súčasťou projektu vývoja integračnej platformy je aj návrh nového typu biznis modelu založeného na komercionalizácii služieb s pridanou hodnotou s využitím sémantických technológií. Indikatívny zoznam takýchto služieb s pridanou hodnotou je nasledujúci:

  • Služby biznis inteligencie nad dátami IoT v kontexte aplikácie obnoviteľných zdrojov energie, aplikácia pre mikroobchodovanie s energiou pre vlastníkov malých elektrární na produkciu energie z obnoviteľných zdrojov, napr. s cieľom presunutia spotreby na čas mimo špičky dopytu a prípadného predaja vlastnej produkcie do prenosovej sústavy v čase zvýšeného dopytu po elektrickej energii.
  • Služby založené na využití algoritmov v kontexte inteligentného parkovania. Parkovací plán zohľadňujúci preferencie používateľov umožní využitie nových biznis modelov (napr. variabilná cena parkovného na základe atraktivity parkovacieho miesta, aktuálneho času, lojality zákazníka a pod.), pričom štatistiky parkovania sa budú v rámci týchto služieb poskytovať s využitím predpovedných a optimalizačných algoritmov.
  • V doméne eHealth sa budú v rámci týchto služieb poskytovať odporúčania o prevencii s cieľom zlepšenia zdravotnej kondície na základe profilov používateľov a sémanticky rozšírených tokov dát o používateľoch.

Projekt VICINITY

Hľadanie odpovedí na otázku, ako prepojiť jednotlivé infraštruktúry IoT, tvorilo základ pri príprave a realizácii projektu H2020 VICINITY. Jeho cieľom bolo vyvinúť prezentovanú integračnú platformu a otestovať ju v podmienkach vybraných pilotných aplikácií prostredníctvom modelových scenárov použitia. Konzorcium projektu pozostáva z 15 partnerov z deviatich krajín EÚ – Dánska, Nemecka, Grécka, Nórska, Portugalska, Slovinska, Španielska, Veľkej Británie a SR (firmy Intersoft, a. s., a Bavenir, s. r. o.). Podrobnejšie informácie možno nájsť na stránke projektu http://vicinity2020.eu/vicinity/. Prezentovaná integračná platforma (vytvorená aj vďaka značnému príspevku zúčastnených slovenských firiem) je testovaná v tých lokalitách, kde sú laboratóriá partnerov projektového konzorcia zameraných na vytvorenie a prevádzku pilotných aplikácií.

Domény a aplikácie tretích strán

Projekt plánuje zahrnúť do testovania aj infraštruktúry IoT tretích strán. Po otestovaní integrácie infraštruktúr partnerov projektu budú publikované výzvy na pripojenie infraštruktúr IoT tretích strán. Domény tretích strán v čase písania článku ešte neboli známe. Informácie o tejto výzve však už sú jasné (http://vicinity2020.eu/vicinity/content/open-calls).

Záver

Vyvinuté technické riešenie redukuje bariéry na integráciu infraštruktúr IoT do väčších celkov. Umožní tým tvorbu nových aplikácií nad technologicky, doménovo aj vlastnícky rozličnými infraštruktúrami IoT, a to bez narušenia súkromia používateľov a bezpečnosti týchto infraštruktúr. Súkromie a bezpečnosť sú definované len vlastníkom infraštruktúry IoT v podobe pravidiel, ktorými sa jednoducho určí (udelí, zamietne) prístup k ich zariadeniam IoT pre ostatných účastníkov siete. Pravidlá nie sú určované centrálne a tým neprinesú nevýhody niektorým vlastníkom (a zároveň účastníkom). Systém tiež dáva možnosť definovať prekladač medzi jazykom platformy a proprietárnym protokolom tak, že nie je potrebná verejná špecifikácia takého protokolu. Tým sa umožní aj zachovanie príslušného intelektuálneho vlastníctva. Takéto technické riešenie prináša nové možnosti vývoja služieb s pridanou hodnotou.

Poďakovanie

Projekt VICINITY je kofinancovaný Európskou komisiou v rámci výskumného programu H2020, kontrakt č. 688467.

Literatúra

[1] Vermesan, O. – Friess, P. (eds.): Internet of Things: From Research and Innovation to Market Deployment. Aalborg, River Publishers, 2014 (River Publisher Series in Communication). ISBN 978-87-93102-94-1.

[2] Leminen, S. – Westerlund, M. – Rajahonka, M. _– Siuruainen, R.: Towards IOT Ecosystems and Business Models. In: Internet of Things, SmartSpaces, and Next Generation Networking. Springer, 2012, LNCS, Vol. 7469, pp. 15 – 26. ISBN 978-3-642-32685-1.

[3] D1.6 Architectural design, VICINITY project report, 2017, 112 p. Dostupné na: https://vicinity2020.eu/vicinity/public-deliverables.

[4] Skokan, M. – Kostelník, P. – Sabol, T. – Mach, M.: Inteligentné riadenie spotreby elektrickej energie v administratívnych budovách. In: ATP Journal, 2016, roč. XXIII, č. 1, s-. 36 – 37. ISSN 1335-2237. Dostupné aj na: www.atpjournal.sk.

[5] Webová stránka projektu VICINITY http://www.vicinity2020.eu/.

[6] VICINITY Pilot UseCases, 2017. [online]. Dostupné na: http://www.vicinity-h2020.eu/vicinity/content/pilot-use-cases.

   

Ing. Marek Skokan, PhD.
marek.skokan@intersoft.sk

Ing. Peter Kostelník, PhD.
peter.kostelnik@intersoft.sk

InterSoft, a.s.
Floriánska 19, 040 01 Košice

   

prof. Ing. Tomáš Sabol, CSc.
Technická univerzita, Ekonomická fakulta
Němcovej 32, 040 01 Košice
tomas.sabol@tuke.sk

doc. Ing. Marián Mach, CSc.
Technická univerzita, Fakulta elektrotechniky a informatiky
Letná 9, 040 20 Košice
marian.mach@tuke.sk