Μελέτη και ανάπτυξη ευφυών αλγορίθμων και συστημάτων για την εφαρμογή της διάχυτης τηλεπισκόπησης σε υποβοηθούμενα περιβάλλοντα διαβίωσης
Authors: Τσίρμπας Χαράλαμπος 
Published: September 2021

Σε ένα περιβάλλον διάχυτης τηλεπισκόπησης οι προσεγγίσεις καθώς και το όραμα διαφέρουν σημαντικά και σύμφωνα με τα διαφορετικά πεδία εφαρμογής. Ωστόσο, τρεις είναι οι βασικές προσεγγίσεις που διαφαίνονται στη βιβλιογραφία: της δικτύωσης, της τεχνολογίας των «πραγμάτων» και της σημασιολογίας της πληροφορίας. Η κατανόηση, η επεξεργασία και η συσχέτιση της διαθέσιμης πληροφορίας σε ένα περιβάλλον διάχυτης τηλεπισκόπησης αποτελεί πρόκληση για την επιστημονική κοινότητα. Παρόλο που το περιεχόμενο της εκάστοτε εφαρμογής της διάχυτης τηλεπισκόπησης σε υπηρεσίες ηλεκτρονικής υγείας μπορεί να ποικίλει, μία πτυχή παραμένει σταθερή, αυτή του αριθμού των πηγών πληροφορίας. Για παράδειγμα, οι εφαρμογές που συλλέγουν δεδομένα από έναν πεπερασμένο και περιορισμένο αριθμό φυσικών και εικονικών αισθητήρων, είναι σε θέση να συλλέγουν και να αναλύουν τα δεδομένα από το σύνολο των αισθητήρων. Σε αντίθεση με τη διάχυτη τηλεπισκόπηση, η οποία οραματίζεται ένα περιβάλλον που συνίσταται από ένα μεγάλο πλήθος αισθητήρων, η συλλογή και επεξεργασία όλων των δεδομένων είναι ανέφικτη. Γι' αυτό, θεωρείται ότι η κατανόηση, η συσχέτιση και η αξιολόγηση της διαθέσιμης πληροφορίας θα παίξουν καταλυτικό ρόλο. Οι εξελίξεις σε ερευνητικά πεδία, όπως οι τηλεπικοινωνίες και η μηχανική μάθηση, συμβάλλουν στην εδραίωση της διάχυτης τηλεπισκόπησης σε τομείς υγείας και πιο συγκεκριμένα σε δομές όπως τα Περιβάλλοντα Υποβοηθούμενης Διαβίωσης (ΠΥΔ). Με γνώμονα τα παραπάνω, η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά, προτείνει και αναπτύσσει ευφυείς αλγόριθμους και συστήματα με σκοπό να καταστήσει δυνατή την εφαρμογή της διάχυτης τηλεπισκόπησης σε εφαρμογές της ηλεκτρονικής υγείας και πιο συγκεκριμένα σε δομές υποβοηθούμενης διαβίωσης. Αρχικά, στο Κεφάλαιο 2 μελετάται η προσέγγιση της διάχυτης τηλεπισκόπησης με βάση τα πράγματα. Σε αυτό το πλαίσιο προτείνεται μια τοπολογία δικτύου συνδυάζοντας ώριμες τεχνολογίες, όπως το Radio-frequency identification (RFID) και το IPv6. Η τοπολογία αυτή εκμεταλλεύεται τα χαρακτηριστικά των τεχνολογιών σε επίπεδο δικτύωσης και χρησιμοποιεί έναν ενδιάμεσο κόμβο αντιστοίχισης για να λύσει προβλήματα, τόσο σε επίπεδο επικοινωνίας όσο και σε επίπεδο διαχείρισης της διαθέσιμης πληροφορίας. Τέλος, η τοπολογία αυτή αξιολογήθηκε σε ένα γενικότερο σενάριο υγειονομικής φροντίδας. Στη συνέχεια του Κεφαλαίου 2, προτείνεται και αξιολογείται ένα ευφυές σύστημα και ο σχετικός αλγόριθμος, για τον εσωτερικό εντοπισμό και την πλοήγηση ανθρώπου μέσα σε μία δομή ΠΥΔ. Το σύστημα βασίζεται στην τεχνολογία RFID και αναπτύσσει μια τεχνική με διασταυρούμενα μαθηματικά τρίγωνα, με σκοπό τον εντοπισμό (σταθερών και κινητών) εμποδίων και την πλοήγηση του χρήστη στον τελικό προορισμό, με έναν ασφαλή και φυσικό τρόπο. Για την αξιολόγηση της λύσης, υλοποιήθηκαν τόσο οι κατάλληλες RFID ετικέτες όσο και το αντίστοιχο πρωτότυπο, και δοκιμάστηκαν σε έναν αριθμό εθελοντών και σεναρίων. Στη συνέχεια της διατριβής, έχοντας μελετήσει τη βιβλιογραφία στο Κεφάλαιο 3 και αναγνωρίσει την ανάγκη για τη χρήση πληροφορίας επίγνωσης πλαισίου στη διάχυτη τηλεπισκόπηση, προτάθηκε, υλοποιήθηκε και αξιολογήθηκε στο Κεφάλαιο 4 μια αρχιτεκτονική ευφυούς συστήματος σε ένα ΠΥΔ. Επίσης, στα πλαίσια αυτής της αρχιτεκτονικής, προτάθηκε και μια επέκταση της Semantic Sensor Network Ontology με σκοπό την καλύτερη μοντελοποίηση της πληροφορίας πλαισίου που παράγεται από τον εκάστοτε αισθητήρα. Το σύστημα αξιολογήθηκε σε ένα υβριδικό σύστημα προσομοίωσης που μας επέτρεψε να δοκιμάσουμε σενάρια, έχοντας τόσο φυσικούς όσο και εικονικούς αισθητήρες. Σε ένα τέτοιο περιβάλλον το σύστημα μπόρεσε να καταστήσει δυνατή τη δυναμική διαχείριση, την κατανόηση και την επεξεργασία πληροφορίας από αισθητήρες, υλοποιώντας διάφορα επίπεδα δημιουργίας και διαχείρισης πληροφορίας πλαισίου. Το Κεφάλαιο 6 έχει σαν στόχο να μελετήσει το πώς η έννοια της ασαφούς λογικής μπορεί να εφαρμοστεί στις ροές δεδομένων, με σκοπό τη συσχέτιση των αισθητήρων σε ένα ΠΥΔ. Πιο συγκεκριμένα, προτείνεται και αξιολογείται ένα ευφυές σύστημα που υλοποιεί τους κατάλληλους αλγόριθμους εξόρυξης ασαφών συνόλων, μέτρα ομοιότητας και τεχνικές μάθησης. Το σύστημα αξιολογήθηκε σε ροές δεδομένων από ΠΥΔ, όπως αυτά περιγράφηκαν στο Κεφάλαιο 5, ενώ προτάθηκε και ένα νέο μέτρο αξιολόγησης, που αντικατοπτρίζει περισσότερο τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Στο 7ο -και τελευταίο- κεφάλαιο της διατριβής υλοποιήθηκε μια μεθοδολογία και ένας αλγόριθμος εξαγωγής προφίλ συσχέτισης των διαθέσιμων αισθητήρων, εκμεταλλευόμενοι την τεχνολογία επίγνωσης πλαισίου. Η τεχνική αυτή έχει σαν σκοπό να ορίσει τη σχέση μεταξύ των αναγκών/προτιμήσεων/δράσεων των χρηστών με τους διαθέσιμους αισθητήρες, προκειμένου να είμαστε σε θέση να εκμεταλλευόμαστε όσο το δυνατόν καλύτερα τις διαθέσιμες πληροφορίες και να διαχειριζόμαστε με αποτελεσματικό τρόπο το εγκατεστημένο δίκτυο αισθητήρων. Αυτό επιτυγχάνεται, εκτιμώντας το ποσοστό συμμετοχής των αισθητήρων για οποιαδήποτε δραστηριότητα υψηλού επιπέδου, με βάση τις προηγούμενες εκτελούμενες από το χρήστη δραστηριότητες χαμηλού επιπέδου. Τέλος, η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε και αξιολογήθηκε σε ένα ΠΥΔ.