Descripcion y Objetivos

El mundo entero está sometido a los terribles efectos sanitarios, sociales y económicos de la pandemia de la COVID-19. Para evitar contagios debido a la novedad de la enfermedad, la rapidez de su expansión y que no existe vacuna aún, la principal medida de prevención que se ha dictado en todos los países ha sido el distanciamiento social y el confinamiento. Tanto en España como en otros países, la sanidad se ha visto colapsada en cierto grado. En ese contexto, un gran número de contagios y de víctimas mortales en España se han producido en residencias de ancianos. En ellas, ha resultado difícil evitar el contacto por el hecho de tener que compartir habitaciones, aseos, transitar por los mismos pasillos, etc. Además, no se han podido determinar los detalles exactos de los contagios.

Los sistemas ciber-físicos-sociales (Cyber-physical-social systems, CPSSs) representan un paradigma emergente que engloba los mundos cibernético, físico, y también social. Uno de los propósitos principales de este tipo de sistemas, complejos, heterogéneos, y ubicuos, es proporcionar servicios de alta calidad, proactivos, y personalizados para los seres humanos. Entre los dominios de aplicación más importantes de este tipo de sistemas destaca el del cuidado de la salud (e-health) [1].

Se considera que estos sistemas se conforman por un subsistema físico, compuesto por sensores, actuadores y otros objetos o dispositivos “inteligentes”, integrado o “empotrado” en el mundo real; un subsistema social que contemplaría también a los seres humanos, y un subsistema cibernético que constituiría una representación virtual de los dos subsistemas anteriores y los conectaría con el soporte de redes sociales y redes de sensores. Los sistemas CPSS llevan a cabo una monitorización con el objetivo de lograr gradualmente un control efectivo del subsistema físico y del entorno en el que éste se integra, y una operación segura, fiable y eficiente del subsistema físico y de todo el sistema en su conjunto [2].

La adopción de un sistema CPSS emerge como opción para dar solución a la problemática en las residencias de ancianos planteada. Un sistema CPSS podría ayudar a disminuir contagios monitorizando las actividades y el estado de salud de los residentes y controlando la respuesta del sistema y del entorno ante el estado de salud y la actividad, y analizando toda la información recopilada para determinar los detalles de los contagios producidos.

Existen diversos desafíos asociados a los sistemas CPSS debidos a su complejidad y heterogeneidad que dificultan su diseño y desarrollo de manera exitosa, entre los que destacan los relativos a la Ingeniería del Software (IS) y concretamente a la Arquitectura Software, aunque también habría deficiencias en las metodologías [3].

Así, el presente Trabajo de Fin de Máster (TFM) tiene como objetivo el diseño y la implementación de un sistema CPSS para dar solución de manera eficiente a la expansión de la COVID en las residencias de ancianos. Concretamente, los objetivos principales serían:

• Estudio del estado del arte de los sistemas CPSS desde el punto de vista de la IS (requisitos y,  más específicamente, arquitectura). 
• Definición y diseño de la arquitectura del sistema CPSS.  Esta arquitectura estará basada en la utilización del framework digital twins para facilitar la integración de los dispositivos a utilizar que monitoricen a los ancianos.
• Desarrollo de un prototipo de sistema CPSS que dé solución a la problemática planteada. Dicho prototipo explotará el mencionado framework digital twins. Además, se utilizará diferentes pulseras ya disponibles en el grupo de investigación como Emotiva y MsBand que ofrecen sensores de ritmo cardíaco así como acelerómetro. Estos permitirán generar las alarmas a ser detectadas por el sistema y comunicadas al resto de usuarios de la red social de la residencia. 
• Evaluación del prototipo de CPSS desarrollado. Se evaluarán diferentes escenarios de prueba con usuarios simulados para determinar el rendimiento del sistema utilizando las infraestructura de testing facilizada por Azure. Además se realizan diferentes pruebas de usabilidad.

 

Metodología y Competencias

La metodología a aplicar en este TFM será la metodología de investigación conocida como Design Science Research (DSR) [4]. DSR es adoptada para abordar un tipo de problema generalizado mediante la invención de un nuevo artefacto y la evaluación de su utilidad para resolver problemas del tipo estudiado [5]. DSR ofrece una vista de 3 ciclos para controlar el proceso iterativo de diseño de forma balanceada [4]. En este trabajo, se aplicará de la siguiente manera:

• Ciclo de relevancia: está reflejado principalmente por el estudio de los antecedentes o estado del arte e influenciará también al ciclo completo de diseño (incluyendo la evaluación).
• Ciclo de diseño: está asociado al proceso de construcción del artefacto de diseño y al proceso de evaluación del artefacto.
• Ciclo de rigor: aborda las teorías científicas y métodos en los que se basa el trabajo de investigación y se contemplará en la definición de la metodología, que se tendrá que adaptar al tipo de sistemas y a la problemática en cuestión, y, además, en las conclusiones obtenidas y en la presentación de los resultados.

 

Las competencias abordadas por este TFM son las siguientes:

• Generales

• Capacidad para proyectar, calcular y diseñar productos, procesos e instalaciones en todos los ámbitos de la Ingeniería Informática
• Capacidad para la dirección de obras e instalaciones de sistemas informáticos, cumpliendo la normativa vigente y asegurando la calidad del servicio.
• Capacidad para la aplicación de los conocimientos adquiridos y de resolver problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios y mulitidisciplinares, siendo capaces de integrar estos conocimientos.

• Específicas

• Capacidad para modelar, diseñar, definir la arquitectura, implantar, gestionar, operar, administrar y mantener aplicaciones, redes, sistemas, servicios y contenidos informáticos.
• Capacidad para analizar las necesidades de información que se plantean en un entorno y llevar a cabo en todas sus etapas el proceso de construcción de un sistema de información.
• Capacidad de diseñar y desarrollar sistemas, aplicaciones y servicios informáticos en sistemas empotrados y ubicuos.
• Capacidad para aplicar métodos matemáticos, estadísticos y de inteligencia artificial para modelar, diseñar y desarrollar aplicaciones, servicios, sistemas inteligentes y sistemas basados en el conocimiento.
• Capacidad para diseñar y evaluar sistemas operativos y servidores, y aplicaciones y sistemas basados en computación distribuida.

 

Medios a utilizar

En este TFM se utilizarán medidos tanto software como hardware. Entre los hardware se encuentran el equipo de tipo PC (sobremesa o portátil) y algún wearable como la Empatica E4 o similar. Entre los medidos software estarían el entorno de desarrollo (Visual Studio o similar) y otro software de soporte al desarrollo como software de control de versiones, librerías y SDKs necesarias para el desarrollo del prototipo, un procesador de textos, y un gestor de referencias bibliográficas.

 

Bibliografía

Services," in IEEE Communications Magazine, vol. 55, no. 11, pp. 80-85, Nov. 2017, doi: 10.1109/MCOM.2017.1700360.

[2] Gang Xiong,  Fenghua Zhu,  Xiwei Liu,  Xisong Dong,  Wuling Huang,  Songhang Chen and  Kai Zhao, "Cyber-physical-social System in Intelligent Transportation," IEEE/CAA J. of Autom. Sinica, vol. 2, no. 3, pp. 320-333, 2015.

[3] Jing Zeng, Laurence T. Yang, Man Lin, Huansheng Ning, Jianhua Ma. 2020. A survey: Cyber-physical-social systems and their system-level design methodology. Future Generation Computer Systems, Volume 105, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.future.2016.06.034.

[4] Hevner, Alan R. (2007) "A Three Cycle View of Design Science Research," Scandinavian Journal of Information Systems: Vol. 19 : Iss. 2 , Article 4.

[5] Venable, John; Pries-Heje, Jan; Baskerville, Richard. A Comprehensive Framework for Evaluation in Design Science Research. Design Science Research in Information Systems. Advances in Theory and Practice. 2012.