Redes vehiculares aplicadas a la movilidad inteligente y sostenibilidad ambiental en entornos de ciudades inteligentes

Abstract

En los últimos años, la sociedad está experimentando una gran revolución tecnológica que, junto con la aparición de las tecnologías inalámbricas y dispositivos cada vez más pequeños, está suponiendo un gran impulso en la creación de nuevos servicios y aplicaciones para los ciudadanos. Dentro de esta revolución, las redes de comunicaciones han servido para interconectar personas y dispositivos consiguiendo forjar la Sociedad de Red actual. Hace pocos años apareció el término de Ciudad Inteligente (Smart City). Este concepto se fundamenta en la propuesta de soluciones innovadoras que doten a una ciudad de servicios destinados a facilitar la vida de sus habitantes y que favorezcan el desarrollo de ciudad como conjunto. En este ámbito, los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS), han supuesto un relevante auge en el desarrollo de nuevas propuestas tecnológicas aplicadas al mundo del transporte. Dentro de los ITS, surgió el concepto de redes vehiculares (Vehicular Ad-hoc NETworks - VANET). Este tipo de red inalámbrica es capaz de comunicar vehículos e infraestructura para proveer determinados servicios. Actualmente, dichas redes están en el punto de mira del desarrollo tecnológico debido al previsible número de aplicaciones y servicios que pueden aportar al mundo de la conducción y a la sociedad en general. Una herramienta fundamental para poder estudiar el comportamiento de las redes vehiculares es la simulación. Ante la problemática ofrecida por el alto coste de los dispositivos que implementan estándares dedicados a las redes VANET, como el IEEE 802.11p, y los riesgos de seguridad vial que supone un despliegue por ciudad de este tipo de red, la simulación se hace imprescindible para poder abordar la creación e implementación de nuevas soluciones. En ese sentido, esta tesis doctoral realiza una profunda revisión de las herramientas existentes utilizadas para la simulación de redes vehiculares, proponiendo un caso de estudio aplicado sobre el intercambio de vídeo en este tipo de entornos. Como resultado, se presenta la integración de tres simuladores para llevar a cabo el intercambio de vídeo, consiguiendo una tasa aceptable de información transmitida por los vehículos y evaluando la viabilidad de la propuesta. La movilidad es uno de los aspectos más destacados en el despliegue de las redes vehiculares. En este sentido, una de las principales contribuciones de esta tesis doctoral es la creación de un plan de movilidad inteligente basado en lógica difusa y en comunicaciones vehiculares que es capaz de determinar cuándo se produce un atasco en ciudad para que los vehículos tomen rutas alternativas. Los resultados de esta propuesta consiguieron alcanzar unas reducciones de emisiones contaminantes de hasta un 12,27%, obteniendo una mejora de la sostenibilidad ambiental en ciudad mediante la toma de rutas alternativas por parte de los vehículos para alcanzar su destino. Uno de los problemas que plantean los estudios simulados, es la obtención de resultados veraces. Debido a la propia simulación, se pueden obtener conclusiones erróneas que hacen necesario un despliegue real para confirmar que los datos obtenidos en la simulación son correctos y representativos. Atendiendo a la problemática del alto coste que conlleva este tipo de despliegues, uno de los objetivos planteados por la tesis doctoral, fue el de llevar a cabo un despliegue real mediante el uso de tecnologías accesibles para los ciudadanos. En este punto, se decidió desarrollar una aplicación que hace uso de Wi-Fi Direct (tecnología disponible en la mayoría de teléfonos inteligentes actuales), para la detección de posibles atascos o retenciones en ciudad y que fuera capaz de comunicarse con otros dispositivos. Las pruebas reales se llevaron a cabo con dos vehículos que incorporaban la aplicación. Los resultados de este tipo de evaluación fueron satisfactorios en cuanto a la posibilidad existente de realizar comunicaciones vehiculares usando tecnologías accesibles para la población, exponiendo un claro ejemplo de un sistema que puede ayudar a mejorar la movilidad en ciudad. Una vez llevado a cabo el estudio real, surgió la problemática asociada a la usabilidad de dispositivos embarcados en vehículos que ofrecen servicios de información dentro de las redes vehiculares. A tal efecto, en esta tesis doctoral se propone la evaluación de dos tipos de sistemas que proporcionan información al conductor. En primer lugar, se evaluaron sistemas con pantallas de tipo HDD (Head-Down Display), que son dispositivos con pantallas opacas (convencionales). Por otro lado, se estudió una posible solución a los inconvenientes planteados por este tipo de pantallas en la que es necesario apartar la vista de la carretera para prestarles atención. Por ese motivo, se decidió incorporar un dispositivo de tipo HUD (Head-Up Display) que contiene una pantalla transparente y puede ser ubicado en el campo visual de conducción para poder ver sobre él la información relativa al contexto en el que el vehículo se mueve. Los resultados obtenidos son alentadores, pudiendo comprobar la gran aceptación y usabilidad que esta clase de sistemas de visualización de información tiene entre los usuarios. Siguiendo la línea de la sostenibilidad ambiental, desde el grupo de investigación en el que se desarrolla esta tesis doctoral, se propusieron las redes de vehículos móviles como solución para la medición de la contaminación. Llegados a este punto, se desplegó un servicio de monitorización ambiental incorporado en transportes públicos (autobuses, recogida de residuos, etc.), que fueron capaces de medir la contaminación en ciudad. El principal problema que se planteó fue el cómo representar ese tipo de información a los ciudadanos para que fuera comprensible. Como consecuencia, se decidió llevar a cabo una prueba subjetiva sobre métodos para representar esta clase de información. Los resultados nos permitieron conocer cuáles eran las representaciones en materia de contaminación más adecuadas, así como los dispositivos sobre los que visualizarlas y los tipos de datos que más interesaban a los diferentes grupos de usuarios. Como vemos, la presente tesis doctoral, propone un estudio amplio de los entornos de redes vehiculares y de su inclusión dentro de un entorno de Smart City, enfatizando la temática sobre la movilidad inteligente y la sostenibilidad ambiental, sin olvidar la tecnología necesaria para la implantación real de nuevas soluciones enfocadas siempre a la mejora del transporte en ciudad y la mejora de la calidad de vida de los ciudadanos. Palabras Clave: Redes Vehiculares, Movilidad Inteligente, Sostenibilidad Ambiental, Smart City. RESUMEN (en Inglés) In recent years, the society is experiencing a great technological revolution which, together with the emergence of wireless technologies and smaller devices, is leading to a great impulse in the creation of new services and applications for citizens. Within this revolution, communications networks have served to interconnect people and devices by forging the current Network Society. A few years ago, the term Smart City appeared. This concept is based on the proposal of new solutions that provide a city with services designed to improve the lives of citizens and favor the development of a city as a whole. In this area, the Intelligent Transport Systems (ITS) have led to an important rise in the development of new technological proposals applied to the world of transport. Within the ITS, the concept of vehicular networks arose (Vehicular Ad-hoc NETworks - VANET). This type of wireless network is capable of communicating vehicles and infrastructure to provide certain services. At present, such networks are in the sights of technological developments due to the expected number of applications and services that can contribute to the world of driving and society in general. Simulation is a fundamental tool in the study of the behavior of vehicular networks. In view of the high cost of devices that implement dedicated standards for VANET networks, such as IEEE 802.11p, and the road safety risks involved in the deployment of this type of network, simulation becomes essential for the creation and implementation of new solutions. In this sense, this PhD Thesis performs a thorough review of the existing tools used for the simulation of vehicular networks, proposing a case study applied on the exchange of video in this type of environments. As a result, the integration of three simulators to carry out the video exchange is presented, obtaining an acceptable rate of information transmitted by the vehicles and evaluating the feasibility of the proposal. The mobility is one of the most important aspects in the deployment of vehicular networks. In this sense, one of the main contributions of this PhD Thesis is the creation of a smart mobility plan based on fuzzy logic and vehicular communications which is able to determine when a traffic jam occurs in the city, allowing vehicles to adopt alternative routes. The results of this proposal achieve a reduction of pollutant emissions of up to 12.27%, leading to an improvement of environmental sustainability in the city through the adoption by vehicles of alternative routes in order to reach their destination. One of the problems posed by simulated studies is the achievement of truthful results. Due to the simulation, erroneous conclusions can be drawn which require a real deployment to confirm that the data obtained in the simulation are correct and representative. Considering the high cost of this type of deployment, one of the objectives of the PhD Thesis was to carry out a real deployment through the use of technologies accessible to citizens. At this point, it was decided to develop an application that uses Wi-Fi Direct (technology available in the majority of current smartphones), to detect possible traffic jams or retentions in the city and capable of communicating with other devices. The actual tests were carried out with two vehicles that incorporated the application. The results of this type of evaluation were satisfactory in terms of the existing possibility of carrying out vehicular communications using technologies accessible to the general public, giving a clear example of a system that can help improve mobility in the city. Once the actual study was carried out, the problem arose about the usability of devices on vehicles that provide information services in the vehicular networks. For this purpose, this PhD Thesis proposes the evaluation of two types of systems that provide information to the driver. First, systems with HDD (Head-Down Display) type screens, which are devices with opaque (conventional) screens, were evaluated. A possible solution to the problem posed by this type of screens was also studied, as it is necessary to look away from the road in order to see the screen. For this reason, it was decided to incorporate a HUD (Head-Up Display) device that contains a transparent screen and can be located in the visual field of driving in order to be able to view information about the context in which the vehicle is moving. The results obtained are encouraging and verify the great acceptance and usability that this sort of systems of information visualization has among users. In the line of environmental sustainability, it was proposed by the research group in which this thesis is developed that the networks of mobile vehicles could be a possible solution for the measurement of environmental pollution. Accordingly, an environmental monitoring service was installed in public transport (buses, waste collection vehicles, etc.), capable of measuring environmental pollution in the city. The main problem that we faced was how to represent this kind of information to make it understandable for the general public. For this reason, it was decided to carry out a subjective test on methods to represent information of this type. The results revealed the most appropriate representations of pollution, as well as the devices on which to visualize them and the types of data of most interest to the different groups of users. As we can see, this PhD Thesis proposes an extensive study on vehicle network environments and their inclusion in a Smart City environment, emphasizing the theme of smart mobility and environmental sustainability, without forgetting the technology necessary for the real implementation of new solutions, with the focus firmly on both improving transport in the city and the quality of life of citizens. Keywords: Vehicular Networks, Smart Mobility, Environmental Sustainability, Smart City.