Technological advances have gradually integrated in the operation of modern human settlements, becoming one of the main driving forces of economic, societal and environmental prosperity. This trend is reflected in the concept of smart territories, which are those urban or rural settlements that use technological solutions to improve their infrastructures and services efficiency and resilience, and the quality of life of citizens. The main technological pillars of smart territories are: instrumentation, interconnection and intelligence through the Internet of Things (IoT); provision of advanced smart services to citizens, and informed decision-making based on data. In addition, aerial drones can be a technological enabler by supporting wide area monitoring, providing communications in remote areas or delivering new aerial mobility services. In this context, this thesis proposes novel systems, applications and models for each of the technological pillars of smart territories, focusing on drones usage and integration.
For IoT solutions, the usage of drones and smartphones as pervasive monitoring systems is explored. Two architectures are proposed considering IoT systems as Data Fusion and Resource Management processes. For wide area ground surveillance, the thesis proposes an architecture that allows autonomous and explainable control of a fleet of drones. The proposal has been deployed in an indoor testbed environment demonstrating that it allows to identify the task performed by each drone and to provide useful surveillance information. For ubiquitous healthcare, a reference mobile health architecture has been presented to standardize and streamline the deployment of such smartphone-based systems. A use-case based on SARS-COV-2 patients monitoring serves as a proof of concept of the proposal.
Regarding smart services provision through drones, Unmanned Traffic Management systems are needed to safely coordinate their operation. On this topic, the thesis discusses a simulation framework to represent, test and validate the European U-Space ecosystem. U-space is understood here as a smart service that supervises and monitors drone operations through real time interconnection of drones, operators, and surveillance networks. As a novelty, the model considers realistic traffic generation, operators and pilots interactions with drones and the ecosystem, and both collaborative and non-collaborative surveillance networks. Also, the thesis proposes a novel authorization framework to strategically deconflict operations considering fairness and congestion management criteria. The proposal goes beyond European regulations, but it is based on them; is distributable, flexible and allow operators to declare their preferences through a set of token-gated priority queues.
Finally, on decision-support systems, a hybrid (agent-based and network-based) simulation framework is presented to enable risk-informed decision-making on interconnected critical infrastructures. The model is instantiated in a healthcare and ICT decision use-case to demonstrate that it can provide multi-level quantitative metrics to guide both operational and strategic decisions. Finally, to inform regulatory decision-making on the European U-Space deployment, the thesis provides insights on the airspace usage efficiency of different aerial operation representation models or flight plans. Through simulation experiments, it is possible to conclude that considering the underlying aerial trajectory allows to increase the number of approved operations.
In sum, the thesis proposes a diverse set of novel technological solutions to advance the deployment of drone-supported smart territories, focusing on key aspects under a common conceptual framework, and filling some relevant gaps in the literature. Proposed architectures, models and applications have been demonstrated through relevant experiments or proofs of concept.
RESUMEN
La tecnología se ha integrado en los asentamientos humanos, convirtiéndose en impulsor de la prosperidad económica, social y ambiental. Esto se recoge en el concepto de territorios inteligentes, que son aquellos asentamientos urbanos o rurales que utilizan soluciones tecnológicas para mejorar su eficiencia y resiliencia. Los principales pilares tecnológicos de los territorios inteligentes son: la instrumentación, la interconexión y la inteligencia a través del Internet de las Cosas (IoT); la provisión de servicios inteligentes y la toma de decisiones basada en datos. Además, los drones pueden ser otro habilitador al facilitar la monitorización de grandes áreas, proporcionar comunicaciones en zonas remotas o prestar nuevos servicios de movilidad aérea. En este contexto, esta tesis propone soluciones novedosas para cada uno de los pilares tecnológicos, centrándose en el uso e integración de drones.
En cuanto a soluciones IoT, se explora el uso de drones y teléfonos inteligentes como sistemas de monitorización ubicua. Se proponen dos arquitecturas considerando los sistemas IoT como procesos de Fusión de Datos y Gestión de Recursos. Para la vigilancia terrestre de grandes áreas, la tesis propone una arquitectura que permite el control autónomo y explicable de una flota de drones. La propuesta ha sido desplegada en un entorno de pruebas interior, demostrando que permite identificar la tarea realizada por cada dron y proporcionar información de vigilancia. Para la atención sanitaria ubicua, se presenta una arquitectura de referencia para sistemas de salud móvil (mHealth) que busca estandarizar y agilizar el despliegue de estos sistemas basados en teléfonos inteligentes. Un caso de uso basado en la monitorización de pacientes con SARS-COV-2 sirve como prueba de concepto.
Respecto a los servicios inteligentes mediante de drones, se requieren sistemas de Gestión del Tráfico No Tripulado que coordinen de manera segura su operación. En este tema, la tesis propone un sistema de simulación para representar, probar y validar el ecosistema europeo U-Space. Este ecosistema es un servicio inteligente que supervisa y monitoriza las operaciones de drones mediante la interconexión de drones, operadores y redes de vigilancia. Como novedad, el modelo considera una generación de tráfico realista, las interacciones de operadores y pilotos con los drones y el ecosistema, y redes de vigilancia colaborativas y no colaborativas. Además, la tesis propone un novedoso flujo de autorización para la autorización estratégica de las operaciones considerando criterios de equidad y gestión de la congestión. La propuesta se inspira en la normativa europea, sobrepasándola; es distribuible, flexible y permite a los operadores declarar sus preferencias mediante un conjunto de colas de prioridad controladas por tokens.
Por último, en cuanto a los sistemas de apoyo a la toma de decisiones, se presenta un modelo de simulación híbrido (basado en agentes y con redes) para informar decisiones sobre riesgos en infraestructuras críticas interconectadas. El modelo se aplica a un caso de uso con sistemas hospitalarios y de comunicaciones, demostrando que proporciona métricas multinivel para guiar decisiones operativas y estratégicas. Finalmente, para informar decisiones regulatorias sobre el U-Space, la tesis aporta datos sobre la eficiencia en el uso del espacio aéreo de diferentes modelos de representación de operaciones aéreas o planes de vuelo. A través de experimentos de simulación, se concluye que considerar la trayectoria subyacente aumenta el número de operaciones aprobadas.
En resumen, la tesis propone un conjunto amplio de soluciones novedosas para avanzar en el despliegue de territorios inteligentes soportados por drones. Se centra en aspectos clave bajo un marco conceptual común y aborda algunos problemas no tratados en la literatura. Las tecnologías, modelos y aplicaciones propuestos han sido probados mediante experimentos relevantes o pruebas de concepto.
Technological advances have gradually integrated in the operation of modern human settlements, becoming one of the main driving forces of economic, societal and environmental prosperity. This trend is reflected in the concept of smart territories, which are those urban or rural settlements that use technological solutions to improve their infrastructures and services efficiency and resilience, and the quality of life of citizens. The main technological pillars of smart territories are: instrumentation, interconnection and intelligence through the Internet of Things (IoT); provision of advanced smart services to citizens, and informed decision-making based on data. In addition, aerial drones can be a technological enabler by supporting wide area monitoring, providing communications in remote areas or delivering new aerial mobility services. In this context, this thesis proposes novel systems, applications and models for each of the technological pillars of smart territories, focusing on drones usage and integration.
For IoT solutions, the usage of drones and smartphones as pervasive monitoring systems is explored. Two architectures are proposed considering IoT systems as Data Fusion and Resource Management processes. For wide area ground surveillance, the thesis proposes an architecture that allows autonomous and explainable control of a fleet of drones. The proposal has been deployed in an indoor testbed environment demonstrating that it allows to identify the task performed by each drone and to provide useful surveillance information. For ubiquitous healthcare, a reference mobile health architecture has been presented to standardize and streamline the deployment of such smartphone-based systems. A use-case based on SARS-COV-2 patients monitoring serves as a proof of concept of the proposal.
Regarding smart services provision through drones, Unmanned Traffic Management systems are needed to safely coordinate their operation. On this topic, the thesis discusses a simulation framework to represent, test and validate the European U-Space ecosystem. U-space is understood here as a smart service that supervises and monitors drone operations through real time interconnection of drones, operators, and surveillance networks. As a novelty, the model considers realistic traffic generation, operators and pilots interactions with drones and the ecosystem, and both collaborative and non-collaborative surveillance networks. Also, the thesis proposes a novel authorization framework to strategically deconflict operations considering fairness and congestion management criteria. The proposal goes beyond European regulations, but it is based on them; is distributable, flexible and allow operators to declare their preferences through a set of token-gated priority queues.
Finally, on decision-support systems, a hybrid (agent-based and network-based) simulation framework is presented to enable risk-informed decision-making on interconnected critical infrastructures. The model is instantiated in a healthcare and ICT decision use-case to demonstrate that it can provide multi-level quantitative metrics to guide both operational and strategic decisions. Finally, to inform regulatory decision-making on the European U-Space deployment, the thesis provides insights on the airspace usage efficiency of different aerial operation representation models or flight plans. Through simulation experiments, it is possible to conclude that considering the underlying aerial trajectory allows to increase the number of approved operations.
In sum, the thesis proposes a diverse set of novel technological solutions to advance the deployment of drone-supported smart territories, focusing on key aspects under a common conceptual framework, and filling some relevant gaps in the literature. Proposed architectures, models and applications have been demonstrated through relevant experiments or proofs of concept.
RESUMEN
La tecnología se ha integrado en los asentamientos humanos, convirtiéndose en impulsor de la prosperidad económica, social y ambiental. Esto se recoge en el concepto de territorios inteligentes, que son aquellos asentamientos urbanos o rurales que utilizan soluciones tecnológicas para mejorar su eficiencia y resiliencia. Los principales pilares tecnológicos de los territorios inteligentes son: la instrumentación, la interconexión y la inteligencia a través del Internet de las Cosas (IoT); la provisión de servicios inteligentes y la toma de decisiones basada en datos. Además, los drones pueden ser otro habilitador al facilitar la monitorización de grandes áreas, proporcionar comunicaciones en zonas remotas o prestar nuevos servicios de movilidad aérea. En este contexto, esta tesis propone soluciones novedosas para cada uno de los pilares tecnológicos, centrándose en el uso e integración de drones.
En cuanto a soluciones IoT, se explora el uso de drones y teléfonos inteligentes como sistemas de monitorización ubicua. Se proponen dos arquitecturas considerando los sistemas IoT como procesos de Fusión de Datos y Gestión de Recursos. Para la vigilancia terrestre de grandes áreas, la tesis propone una arquitectura que permite el control autónomo y explicable de una flota de drones. La propuesta ha sido desplegada en un entorno de pruebas interior, demostrando que permite identificar la tarea realizada por cada dron y proporcionar información de vigilancia. Para la atención sanitaria ubicua, se presenta una arquitectura de referencia para sistemas de salud móvil (mHealth) que busca estandarizar y agilizar el despliegue de estos sistemas basados en teléfonos inteligentes. Un caso de uso basado en la monitorización de pacientes con SARS-COV-2 sirve como prueba de concepto.
Respecto a los servicios inteligentes mediante de drones, se requieren sistemas de Gestión del Tráfico No Tripulado que coordinen de manera segura su operación. En este tema, la tesis propone un sistema de simulación para representar, probar y validar el ecosistema europeo U-Space. Este ecosistema es un servicio inteligente que supervisa y monitoriza las operaciones de drones mediante la interconexión de drones, operadores y redes de vigilancia. Como novedad, el modelo considera una generación de tráfico realista, las interacciones de operadores y pilotos con los drones y el ecosistema, y redes de vigilancia colaborativas y no colaborativas. Además, la tesis propone un novedoso flujo de autorización para la autorización estratégica de las operaciones considerando criterios de equidad y gestión de la congestión. La propuesta se inspira en la normativa europea, sobrepasándola; es distribuible, flexible y permite a los operadores declarar sus preferencias mediante un conjunto de colas de prioridad controladas por tokens.
Por último, en cuanto a los sistemas de apoyo a la toma de decisiones, se presenta un modelo de simulación híbrido (basado en agentes y con redes) para informar decisiones sobre riesgos en infraestructuras críticas interconectadas. El modelo se aplica a un caso de uso con sistemas hospitalarios y de comunicaciones, demostrando que proporciona métricas multinivel para guiar decisiones operativas y estratégicas. Finalmente, para informar decisiones regulatorias sobre el U-Space, la tesis aporta datos sobre la eficiencia en el uso del espacio aéreo de diferentes modelos de representación de operaciones aéreas o planes de vuelo. A través de experimentos de simulación, se concluye que considerar la trayectoria subyacente aumenta el número de operaciones aprobadas.
En resumen, la tesis propone un conjunto amplio de soluciones novedosas para avanzar en el despliegue de territorios inteligentes soportados por drones. Se centra en aspectos clave bajo un marco conceptual común y aborda algunos problemas no tratados en la literatura. Las tecnologías, modelos y aplicaciones propuestos han sido probados mediante experimentos relevantes o pruebas de concepto. Read More
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