Aplicación de técnicas de aprendizaje automático a la gestión y optimización de cachés de teselas para la aceleración de servicios de mapas en las infraestructuras de datos espaciales

Abstract

La gran proliferación en el uso de servicios de mapas a través de la Web ha motivado la necesidad de disponer de servicios cada vez más escalables. Como respuesta a esta necesidad, los servicios de mapas basados en teselado se han perfilado como una alternativa escalable frente a los servicios de mapas tradicionales, permitiendo la actuación de mecanismos de caché o incluso la prestación del servicio mediante una colección de imágenes pregeneradas. Sin embargo, los requisitos de almacenamiento y tiempo de puesta en marcha de estos servicios resultan a menudo prohibitivos cuando la cartografía a servir cubre una zona geográfica extensa para un elevado número de escalas.

Por ello, habitualmente estos servicios se ofrecen recurriendo a cachés parciales que contienen tan solo un subconjunto de la cartografía. Para garantizar una Calidad de Servicio (QoS - Quality of Service) aceptable es necesaria la actuación de adecuadas políticas de mantenimiento y gestión de estas cachés de mapas: 1) Estrategias de población inicial ó seeding de la caché. 2) Algoritmos de carga dinámica ante las peticiones de los usuarios. 3) Políticas de reemplazo de caché.

Sin embargo, existe un reducido número de estas estrategias que sean específicas para los servicios de mapas. La mayor parte de estrategias aplicadas a estos servicios son extraídas de otros ámbitos, como los proxies Web tradicionales, las cuáles no tienen en cuenta la componente espacial de los objetos de mapa que gestionan. En la presente tesis se aborda este punto de mejora, diseñando nuevos algoritmos específicos para este dominio de aplicación que permitan optimizar el rendimiento de los servicios de mapas. Dado el elevado número de objetos gestionados por estas cachés y la heterogeneidad de los mismos en cuanto a capas, escalas de representación, etc., se ha hecho un esfuerzo para que las estrategias diseñadas sean automáticas o semi-automáticas, requiriendo la menor intervención humana posible.

Así, se han propuesto dos novedosas estrategias para la población inicial de una caché de mapas. Una de ellas utiliza un modelo descriptivo mediante los registros de peticiones pasadas del servicio. La otra se basa en un modelo predictivo para la identificación de fenómenos geográficos directores de las peticiones de los usuarios, parametrizado o bien mediante un análisis regresivo OLS (Ordinary Least Squares) o mediante un sistema inteligente con redes neuronales.

Asimismo, se han llevado a cabo importantes contribuciones en relación con las estrategias de reemplazo de estas cachés. Por una parte, se ha propuesto un sistema inteligente basado en redes neuronales, que estima la popularidad de acceso futuro en base a ciertas propiedades de los objetos que gestiona: actualidad de referencia, frecuencia de referencia, y el tamaño de la tesela referenciada. Por otra parte, se ha propuesto una estrategia, bautizada como Spatial-LFU, la cual es una variante de la estrategia Perfect-LFU, simplificada aprovechando la correlación espacial existente entre las peticiones.