Towards Automated and Optimal IIoT Design

封面

如何引用文章

全文:

详细

In today’s world, the Internet of Things has become an integral part of our lives. The increasing number of intelligent devices and their pervasiveness has made it challenging for developers and system architects to plan and implement systems of Internet of Things and Industrial Internet of Things effectively. The primary objective of this work is to automate the design process of Industrial Internet of Things systems while optimizing the quality of service parameters, battery life, and cost. To achieve this goal, a general four-layer fog-computing model based on mathematical sets, constraints, and objective functions is introduced. This model takes into consideration the various parameters that affect the performance of the system, such as network latency, bandwidth, and power consumption. The Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II is employed to find Pareto optimal solutions, while the Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution is used to identify compromise solutions on the Pareto front. The optimal solutions generated by this approach represent servers, communication links, and gateways whose information is stored in a database. These resources are chosen based on their ability to enhance the overall performance of the system. The proposed strategy follows a three-stage approach to minimize the dimensionality and reduce dependencies while exploring the search space. Additionally, the convergence of optimization algorithms is improved by using a biased initial population that exploits existing knowledge about how the solution should look. The algorithms used to generate this initial biased population are described in detail. To illustrate the effectiveness of this automated design strategy, an example of its application is presented.

作者简介

A. Ebraheem

HSE University

编辑信件的主要联系方式.
Email: aebrakhim@hse.ru
Tallinskaya St. 34

I. Ivanov

HSE University

Email: i.ivanov@hse.ru
Tallinskaya St. 34

参考

  1. Официальный сайт Microsoft Azure. URL: https://azure.microsoft.com/en-us/resources/cloud-computing-dictionary/what-is-the-cloud (дата обращения: 02.01.2023).
  2. Basir R., Qaisar S., Ali M., Aldwairi M., Ashraf M.I., Mahmood A., Gidlund M. Fog Computing Enabling Industrial Internet of Things: State-of-the-Art and Research Challenges. Sensors. 2019. vol. 19(21). no. 4807.
  3. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1982. 200 с.
  4. Цвиркун А.Д., Акинфиев В.К., Соловьев М.М. Моделирование развития крупномасштабных систем: (На примере топливно-энергетических отраслей и комплексов). М.: Экономика, 1983. 176 с.
  5. Акинфиев В.К., Цвиркун А.Д. Методы и инструментальные средства управления развитием компаний со сложной структурой активов. М.: ИПУ РАН, 2020. 307 с.
  6. Цвиркун А.Д., Акинфиев В.К., Филиппов В.А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1985. 173 с.
  7. Потрясаев С.А. Синтез технологий и комплексных планов управления информационными процессами в промышленном интернете: дис. д-р тех. наук. СПБ., 2020.
  8. Официальный сайт Международного общества автоматизации. URL: https://www.isa.org/intech-home/2019/march-april/features/rami-4-0-reference-architectural-model-for-industr (дата обращения: 13.09.2023).
  9. Официальный сайт промышленного IoT-консорциума. URL: https://www.iiconsortium.org/pdf/IIRA-v1.9.pdf (дата обращения: 12.09.2023).
  10. Официальный сайт инициативы в области промышленной цепочки создания стоимости. URL: https://docs.iv-i.org/doc_161208_Industrial_Value_Chain_Reference_Architecture.pdf (дата обращения: 14.09.2023).
  11. Srinidhi N.N., Kumar S.D., Venugopal K.R. Network optimizations in the Internet of Things: A review. Engineering Science and Technology, an International Journal. 2019. vol. 22. no. 1. pp. 1–21.
  12. Ceselli A., Premoli M., Secci S. Mobile Edge Cloud Network Design Optimization. IEEE/ACM Transactions on Networking. 2017. vol. 25. no. 3. pp. 1818–1831.
  13. Chimmanee K., Jantavongso S. Practical mobile network planning and optimization for Thai smart cities: Towards a more inclusive globalization. Research in Globalization. 2021. vol. 3. no. 100062.
  14. Gava M.A., Rocha H.R.O., Faber M.J., Segatto M.E.V., Wortche H., Silva J.A.L. Optimizing Resources and Increasing the Coverage of Internet-of-Things (IoT) Networks: An Approach Based on LoRaWAN. Sensors. 2023. vol. 23(3). no. 1239.
  15. Purnama A.A.F., Nashiruddin M.I. SigFox-based Internet of Things Network Planning for Advanced Metering Infrastructure Services in Urban Scenario. IEEE International Conference on Industry 4.0, Artificial Intelligence, and Communications Technology (IAICT). 2020. pp. 15–20.
  16. Nashiruddin M.I., Purnama A.A.F. NB-IOT network planning for advanced metering infrastructure in Surabaya, Sidoarjo, and gresik. 8th International Conference on Information and Communication Technology (ICoICT). 2020. pp. 1–6.
  17. Haider F., Zhang D., St-Hilaire M., Makaya C. On the Planning and Design Problem of Fog Computing Networks. IEEE Transactions on Cloud Computing. 2018. vol. 9. no. 2. pp. 724–736.
  18. Zhang D., Haider F., St-Hilaire M., Makay C. Model and algorithms for the planning of Fog Computing Networks. IEEE Internet of Things Journal. 2019. vol. 6. no. 2. pp. 3873–3884.
  19. Ebraheem A., Ivanov I.A. Internet of Things: Analysis of Parameters and Requirements. International Conference on Smart Applications, Communications and Networking (SmartNets). 2022. pp. 01–04.
  20. Kaur S., Mir R.N. Base station positioning in Wireless Sensor Networks. International Conference on Internet of Things and Applications (IOTA). 2016. pp. 116–120.
  21. Официальный сайт REMCOM. URL: https://www.remcom.com/wireless-insite-em-propagation-software (дата обращения: 04.07.2023).
  22. Официальный сайт Mathworks. URL: https://mathworks.com/help/comm/ref/rfprop.raytracing.html (дата обращения: 04.07.2023).
  23. Alqudah Y.A. On the performance of Cost 231 Walfisch Ikegami model in deployed 3.5 GHz network. The International Conference on Technological Advances in Electrical, Electronics and Computer Engineering (TAEECE). 2013. pp. 524–527.
  24. Correia L.M. A view of the COST 231-Bertoni-Ikegami model. 3rd European Conference on Antennas and Propagation. 2009. pp. 1681–1685.
  25. Zhang J., Gentile C., Garey W. On the Cross-Application of Calibrated Pathloss Models Using Area Features: Finding a way to determine similarity between areas. IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2019. vol. 62. no. 1. pp. 40–50.
  26. Официальный сайт Rackspace. URL: https://docs.rackspace.com/blog/different-types-of-oci-servers-in-the-cloud (дата обращения: 12.05.2023).
  27. Официальный сайт Google Сloud. URL: https://cloud.google.com/compute/docs/machine-resource (дата обращения: 12.05.2023).
  28. Официальный сайт Amazon Web Services. URL: https://aws.amazon.com/ec2/instance-types (дата обращения: 12.05.2023).
  29. Deb K., Pratap A., Agarwal S., Meyarivan T. A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II. IEEE Transactions on Evolutionary Computation. 2002. vol. 6. no. 2. pp. 182–197.
  30. Yusoff Y., Ngadiman M., Zain A. Overview of NSGA-II for optimizing machining process parameters. Procedia Engineering. 2011. vol. 15. pp. 3978–3983.
  31. Palaparthi A., Riede T., Titze I.R. Combining Multiobjective Optimization and Cluster Analysis to Study Vocal Fold Functional Morphology. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2014. vol. 61. no. 7. pp. 2199–2208.
  32. Blank J., Kalyanmoy D. Pymoo: Multi-objective optimization in python. IEEE Access. 2020. vol. 8. pp. 89497–89509.
  33. Halicka K. Technology Selection Using the TOPSIS Method. Foresight and STI Governance. 2020. vol. 14. no. 1. pp. 85–96.
  34. Sarraf A., Mohaghar A., Bazargani H. Developing TOPSIS method using statistical normalization for Selecting Knowledge Management Strategies. Journal of Industrial Engineering and Management. 2013. vol. 6. no. 4. pp. 860–875.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».