SEMIoTICS: Semantically-enhanced IoT-enabled Intelligent Control Systems

Abstract

Αυτήν την εποχή, η ανθρωπότητα διανύει την επανάσταση του «Διαδικτύου των Πραγμάτων» (Internet of Things - IoT). Εκτιμάται ότι μέχρι το 2020 ο αριθμός των συνδεδεμένων στο διαδίκτυο συσκευών με δυνατότητα ανταλλαγής δεδομένων πιθανόν να υπερβεί τα 50 δισεκατομμύρια. Αυτές οι συσκευές, μέσω της συνδεσιμότητας τους, επαυξάνουν την τεχνητή νοημοσύνη των συστημάτων σε διάφορους τομείς εφαρμογών. Η αλληλεπίδραση των συστημάτων με το φυσικό και τεχνητό τους περιβάλλον βελτιώνεται σημαντικά μέσω προηγμένων δυνατοτήτων ανίχνευσης συμβάντων, ανάλυσης και ανάληψης κατάλληλων δράσεων. Βασική πρόκληση από τη σκοπιά του αυτόματου ευφυούς ελέγχου μέσω ανατροφοδότησης, είναι η δυνατότητα εύκολης ενσωμάτωσης νέων στοιχείων IoT ή τροποποίησης/διαμόρφωσης υφιστάμενων συστημάτων ελέγχου χωρίς να χρειάζεται να σταματήσει η λειτουργία του συστήματος και να επανασχεδιαστεί. Η ερευνητική κοινότητα αναγνώρισε πρόσφατα την πρόκληση του σχεδιασμού ευέλικτων και προσαρμόσιμων συστημάτων ελέγχου που θα επωφελούνται από την σε πραγματικό χρόνο αλλαγή του αριθμού και του τύπου των διαθέσιμων συσκευών σε ένα σύστημα μεγάλης κλίμακας. Στα πλαίσια αυτής της ερευνητικής εργασίας, εκμεταλλευόμαστε τεχνολογίες από την ερευνητική περιοχή του «σημασιολογικού διαδικτύου», προχωρώντας στο σχεδιασμό μιας καινοτόμας αρχιτεκτονικής ευφυών συστημάτων ελέγχου, βασισμένης στις τεχνολογίες σημασιολογικής μοντελοποίησης και το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Semantically-Enhanced, IoT-enabled Intelligent Control Systems (SEMIoTICS)). Η υπό αναφορά αρχιτεκτονική και σύστημα, SEMIoTICS, ενσωματώνει ένα υπό-σύστημα «Επόπτη» που με τη σειρά του βασίζεται σε ένα «Γράφο Αποθήκευσης Γνώσης» για τη διευκόλυνση της σημασιολογικής περιγραφής των συνιστωσών στοιχείων και την υλοποίηση των μηχανισμών εξαγωγής λογικών συμπερασμάτων. Στόχος είναι η επακόλουθη συνεχής ενημέρωση της διαμόρφωσης του συστήματος ελέγχου. Το σύστημα ελέγχου που προκύπτει, επιτρέπει την σε πραγματικό χρόνο προσαρμογή στις τρέχουσες δυνατότητες που διαθέτουν τα επί μέρους διαθέσιμα στοιχεία. Δείχνουμε τη δυνατότητα εφαρμογής του SEMIoTICS μέσω επεξηγηματικών σεναρίων στην περιοχή των Ευφυών Κτιρίων (Smart Buildings). Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε τον τρόπο με τον οποίο το υπό-σύστημα «Επόπτης» είναι σε θέση να υποστηρίξει τη διαδικτυακή (επανα-)διαμόρφωση του συστήματος ελέγχου, ώστε να επιλύει το πρόβλημα ρύθμισης της θερμοκρασίας χώρου σε κτίρια πολλαπλών ζωνών. Μετά από οποιαδήποτε αλλαγή στις διαθέσιμες δυνατότητες ανίχνευσης, ανάλυσης ή/και ανάληψης δράσης ή ακόμη και στις παραμέτρους του ίδιου του κτιρίου, το υπό-σύστημα «Επόπτης» ξεκινά μια διαδικασία κατά την οποία ανακτά αποθηκευμένες γνώσεις σχετικά με το κτίριο και τα διαθέσιμα στοιχεία του συστήματος ελέγχου και τις χρησιμοποιεί για να διαμορφώσει σε πραγματικό χρόνο ένα σχέδιο κατανομής των στοιχείων για την υλοποίηση του απαιτούμενου ελέγχου, καθώς και ικανές λειτουργίες για τη βέλτιστη διανομή του σήματος ελέγχου σε (εν δυνάμει υπαρκτούς) πολλαπλούς ενεργοποιητές σε κάθε ζώνη του κτιρίου.

Humanity is currently experiencing the Internet of Things (IoT) revolution, where by 2020 it is estimated that the number of connected and data exchanging devices may exceed 50 billion. These Internet-enabled devices augment the intelligence of systems within a domain of applications, by significantly improving the interaction through advanced sensing, analysis and actuation capabilities. A key challenge from a feedback control viewpoint is the ability to seamlessly integrate new IoT components or modify existing configurations in feedback control settings without having to halt the operation of the system and redesign the overall feedback control scheme. The control research community has recently recognised the challenge of designing flexible and adaptable control systems that will take advantage of the online evolution of numbers and types of devices in a large-scale system. The work in the framework of this Dissertation exploits technologies from the semantic web domain, for the design of a novel Semantically-enhanced IoT-enabled Intelligent Control Systems (SEMIoTICS) architecture. SEMIoTICS incorporates a supervisor module that integrates a declarative-logic knowledge graph to facilitate the semantic annotation of IoT components and logic-based deductive inference mechanisms for the subsequent continuous and online informed re-configuration of feedback control systems, adapting to the capabilities of available cyber-physical components. We demonstrate the applicability of SEMIoTICS through illustrative scenarios from the Smart Buildings domain. More specifically, we present how the supervisor is able to support the online (re-)configuration of feedback controllers for the space heating problem in multi-zone buildings. Following a change in the available sensing, analysis and/or actuation capabilities or even in the building envelope parameters, the semantically-enhanced supervisor initiates a process that retrieves stored knowledge about the building and the available control system cyber-physical components and uses it to configure online a distributed feedback control scheme. In addition, each controller is given the ability to optimally split and allocate the control signal to multiple actuators in a building zone.