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Content Placement Strategies for Smart Products

Miche, Markus :
Content Placement Strategies for Smart Products.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Content Placement Strategies for Smart Products
Language: English
Abstract:

Driven by advances in technology as well as standardisation efforts, the adoption of smart things gathers pace in various industries. Smart things range from simple objects being equipped with smart labels to comprehensive objects with embedded storage, computing, and networking capabilities. They aim at improving product operation and usage as well as at enabling functionality beyond their original purpose of use. Think of connected cars that seek for enhancing traffic safety and efficiency as well as for enabling telematic services, or industrial assets that sense and monitor their condition in order to improve maintenance operations. This thesis addresses smart products, a specific class of smart things that targets simplicity of product use by means of multi-modal and personalised product-to-user interaction. For this purpose, smart products are equipped with knowledge and knowledge-related functionality. Amongst others, this includes domain and problem-solving knowledge that is used to enable active user guidance.

Given their resource limitation and potential intermittent connectivity, smart products are typically not able to locally store all content required and created across their life cycle neither can they connect to remote systems at all times for storing and / or retrieving information. Yet, in order to achieve simplicity of product use, it is essential that product-to-user interaction is not distorted by long user-perceived delays for retrieving required information or by falling back to simple interaction means, because of content being not accessible. Hence, there is a need for intelligent mechanisms that make content available when required and accessible with low latency.

This thesis studies how procedural problem-solving knowledge associated with smart products can be utilised by content placement strategies, i.e., content replication and replacement strategies, to enhance content access. According to the results of the EU-funded research project SmartProducts, the thesis assumes procedural problem-solving knowledge to be modelled in the form of workflows that reflect sequences of activities and feature annotation of activity-related content needs. Also, it assumes complex-structured workflows that consist of multiple alternative branches with the actual branch(es) to be followed being determined dynamically.

On this basis, the thesis contributes three workflow-based replication strategies, namely Most Probable Path (MPP), Path Assessment (PA), and Cooperative Path Assessment (CPA). These strategies utilise workflow structures to predict and pre-replicate (i.e., replicate in advance) workflow-related content needs in order to enhance query efficiency of content requests during workflow execution. While MPP, PA, and CPA pursue the same objective, they vary in the way of balancing enhancement of query efficiency with the potential risk of false pre-replication as well as in their incorporated sphere of knowledge.

In order to address uncertainty in execution of branched workflows and the resulting risk of falsely pre-replicated content, the workflow-based replication strategies apply the proposed concept of transient replicas. Transient replicas are assigned gradually increasing Time To Live (TTL) intervals. While they may be persisted in case the number of requests exceeds a pre-defined threshold, they are removed in case they are not accessed within their active TTL. This avoids pre-replication wastage in the long term and limits the number of replicas to be maintained.

Moreover, the replication strategy Content Class (CC) is proposed. Instead of relying on observed or predicted access patterns, this approach enables smart product applications to classify their intended content use and provides content-class-specific best effort policies to improve content organisation.

Given the typical benefits of integrated content replication and replacement strategies, this thesis proposes the two replacement strategies MFR for Transient Replicas (MFRTR) and Enhanced Content Replacement (ECR) that complement the workflow-based replication strategies and CC, respectively. MFRTR extends the well-known replacement policy MFR [KRT06, KRT07] by taking into account transient replicas with lazy removal properties. Thus, transient replicas are only removed if additional storage capacity is needed for serving pending storage operations. This results in efficient utilisation of available storage capacity without increasing replacement overhead. ECR extends MFRTR by leveraging content classification for determining replacement candidates. Instead of purely relying on access frequency and recency, this approach aims at preserving location properties of content according to its classification.

The value of the proposed content placement strategies is assessed with a simulation-based evaluation study that adopts the application scenario smart aircraft manufacturing developed jointly with EADS Innovation Works. This study reveals that the proposed strategies improve overall and workflow-related query efficiency by up to 28% and 62%, respectively, compared to related work. As to the knowledge of the author, the proposed content placement strategies are the first that leverage procedural problem-solving knowledge associated with smart products and enable application-affected content organisation while taking into account the challenges of smart products.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Technologischer Fortschritt und Standardisierungsaktivitäten sind die treibenden Kräfte einer stetigen Verbreitung sogenannter smarter Dinge. Das Spektrum smarter Dinge reicht von Objekten mit RFID-Transpondern bis hin zu komplexen Objekten mit integriertem Speicher sowie Rechen- und Kommunikationsfähigkeiten. Smarte Dinge ermöglichen sowohl neue Funktionalitäten und Anwendungen als auch Verbesserungen existierender Prozesse. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit smarten Produkten, einer speziellen Klasse smarter Dinge die auf eine vereinfachte Produktnutzung mittels multimodaler und personalisierter Interaktionsstrategien abzielt. Dieses Verhalten wird durch modelliertes Wissen ermöglicht, welches mit smarten Produkten assoziiert ist und während des Produktlebenszyklus erlernt wird. Smarte Produkte besitzen eingeschränkte Ressourcen und sehen sich typischerweise mit regelmässigen Verbindungsunterbrechungen konfrontiert. Folglich ist davon auszugehen, dass sie weder in der Lage sind alle benötigen Informationen lokal zu speichern, noch zu jeder Zeit eine Verbindung mit entfernten Systemen zwecks Erhalt / Ablage von Daten aufzubauen. Der Zugriff auf Informationen ist jedoch zentral für das Erreichen der Zielsetzung smarter Produkte. Dies zeigt die Notwendigkeit intelligenter Mechanismen, welche die Verfügbarkeit benötigter Informationen und einen effizienten Zugriff bestmöglich sicherstellen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, auf welche Weise prozedurales Wissen smarter Produkte für eine Optimierung der Datenorganisation in verteilten Systemen genutzt werden kann. Gemäss der Ergebnisse des EU-geförderten Forschungsprojekts SmartProducts nimmt die vorliegende Arbeit eine Modellierung prozeduralen Wissens in Form von Workflows an. Workflows stellen potentiell komplex verzweigte Sequenzen von Aktivitäten dar, welche mit den zur Prozessierung benötigen Daten annotiert sind. Auf dieser Grundlage trägt die Arbeit drei Workflow-basierte Replikationsstrategien bei: Most Probable Path (MPP), Path Assessment (PA) und Cooperative Path Assessment (CPA). Die Strategien nutzen Workflowstrukturen um den zukünftigen Datenbedarf vorherzusagen und diese Daten pro-aktiv zu replizieren. Dies hat eine Verbesserung der Verfügbarkeit und Zugriffsgeschwindigkeit jener Daten zur Folge und ermöglicht eine effizientere Ausführung von Workflows. MPP, PA und CPA verfolgen identische Ziele, unterscheiden sich jedoch in der Balancierung der Verbesserung des Datenzugriffs und des potentiellen Risikos fehlerhafter Bedarfsprognosen. Um das Risiko der Replikation nicht-benötigter Daten zu reduzieren, wenden die Workflow-basierten Replikationsstrategien das entwickelte Konzept transienter Replikate an. Transiente Replikate zeichnen sich durch eine beschränkte, mit jedem Zugriff steigende Lebenszeit aus. Bei einer ausreichenden Anzahl von Zugriffen werden transiente Replikate in persistente (dauerhaft gespeicherte) Replikate überführt. Das Ausbleiben eines Zugriffs innerhalb der geltenden Lebenszeit hat hingegen das Löschen des transienten Replikats zur Folge. Dies reduziert die Anzahl zu verwaltender Replikate und adressiert die Unsicherheit der pro-aktiven Replikation. Des Weiteren ist die Replikationsstrategie Content Class (CC) vorgeschlagen. Im Gegensatz zu den Workflow-basierten Replikationsstrategien basiert CC nicht auf beobachteten und vorhergesagten Zugriffsmustern, sondern ermöglicht eine Klassifikation der geplanten Datennutzung durch Applikationen smarter Produkte. CC nutzt diese Klassifikation und stellt dedizierte Strategien zur Verfügung, welche die Organisation der Daten entsprechend der Datenklassifizierung bestmöglichst anpassen. Die vorliegende Arbeit folgt der in der Forschungsgemeinde gängigen Auffassung, dass es gewinnbringend ist, Datenreplikations- und Datenaustauschstrategien integriert zu betrachten. Dementsprechend trägt die Arbeit zwei Datenaustauschstrategien bei: MFR for Transient Replicas (MFRTR) und Enhanced Content Replacement (ECR). MFRTR komplementiert die Workflow-basierten Replikationsstrategien. Der Ansatz erweitert die bekannte Strategie MFR [KRT06, KRT07] um die Behandlung transienter Replikate. Beim Ausbleiben von Zugriffen auf transiente Replikate werden diese durch MFRTR nicht sofort gelöscht, sondern erst bei Auftreten von Anfragen deren Bedienung der Freisetzung zusätzlicher Speicherkapazität bedarf. Dies resultiert in einer effizienten Nutzung verfügbarer Speicherressourcen ohne die Aufwände des Datenaustauschs zu erhöhen. ECR erweitert MFRTR um die Nutzung von Datenklassifizierungen im Rahmen der Identifikation auszutauschender Daten. Auf diese Weise zielt ECR auf den Erhalt der Datenpositionierung entsprechend der Datenklassifizierung ab und vervollständigt die Strategie CC. Der Mehrwert der genannten Strategien wurde anhand eines Simulationsmodells des Szenarios Smart Aircraft Manufacturing, welches gemeinsam mit EADS Innovation Works entwickelt wurde, evaluiert. Verglichen mit existierenden Replikationsstrategien zeigt die Studie eine Verbesserung der Datenzugriffsgeschwindigkeit um bis zu 28%. Reduziert auf Workflow-basierte Datenzugriffe steigt die Verbesserung auf bis zu 62%. Nach dem Wissen des Autors der vorliegenden Arbeit sind die vorgeschlagenen Strategien der erste Ansatz prozedurales Wissen smarter Produkte sowie Applikations-getriebene Datenklassifizierungen für eine Optimierung der Datenorganisation in verteilten Systemen smarter Produkte einzusetzen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Telecooperation
Date Deposited: 06 May 2015 09:50
Last Modified: 06 May 2015 09:50
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44799
Referees: Mühlhäuser, Prof. Dr. Max and Krüger, Prof. Dr. Antonio
Refereed: 15 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4479
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