User crowdsourced and crowdsensed data and artificial intelligence enhanced mobile apps for smart tourism and smart cities

Abstract

Smart Tourism is a concept found in international literature over the last two decades, with its popularity increasing over the last ten years. More specifically, the term of "Smart Tourism" first appeared in the literature in the late 90s. Still, it would take at least a decade for it to begin to attract significant academic interest. Since then, both researchers and practitioners from a multitude of disciplines have increasingly focused on the field of Smart Tourism, resulting in progressively more coordinated attempts to promote and develop it. But what does the term "Smart Tourism" indicate? In the relevant literature, "Smart Tourism" is defined as tourism that prioritizes innovation and exploits digital tools to increase efficiency and competitiveness, reduce environmental impact and lead to a tourist destination’s prosperity and social well-being. Despite the high level of interest in this topic, many of its main features remain unclear, in some cases poorly defined, while numerous techniques lack creativity and applicability. The objective of this dissertation is to explore the topic of "Smart Tourism" in depth to initially establish and subsequently promote the development of a culture related to this field. In addition, specialized solutions are provided, leveraging advanced technological approaches for Developing smart tourism applications. Furthermore, our thesis studies and outlines the future directions as well as the challenges that researchers in the field are called upon to solve. More specifically, this dissertation examines in greater depth the concept of "Smart Tourism," as defined in the existing literature, in conjunction with the many technical approaches currently available. After many years of research and study, we approach the technological areas on which researchers in this field concentrate, assessing each of them and emphasizing their correlation with "Smart Tourism" as well as existing research and applications that have been developed. We describe unique technological approaches and algorithms that have been developed and can lead to the establishment of "Smart Tourist Destinations" and the provision of "Smart Tourist Experiences." At the same time, we identify the numerous obstacles that have already arisen in each approach and highlight the areas that require special attention. Thus, we present a comprehensive overview of current research goals, concepts, and approaches in "Smart Tourism," establishing a rigorous foundation upon which future studies might be conducted. In addition, we examine the impact of two popular technologies, artificial intelligence and blockchain, on the field of "Smart Tourism." In this context, we examine, identify, and evaluate potential applications of these technologies in the aforementioned research field in conjunction with existing or anticipated challenges. Thus, we can organize the existing knowledge and identify the effects that these technologies have in the present, as well as in the future, with the fulfilment of certain conditions, perhaps also policies, constituting a prerequisite for the further development of “Smart Tourist Destinations" and “Smart Tourist Applications”. Concurrently, we propose the architecture of a context-aware mobile application that utilizes artificial intelligence and blockchain to develop a hybrid cyber smart tourist experience, with the aim of studying how the technologies discussed could be integrated to usher in a new era of smart tourism systems. Next, we examine how this technology might contribute to the tourism industry’s recovery and counteract the damage caused by the COVID-19 pandemic. Furthermore, we worked on the design and development of a series of applications and frameworks that contribute to the realization of a smart tourism experience by utilizing contemporary technological methods. Specifically, we concentrated on developing crowdsourcing applications and innovative user modelling approaches in the context of smart cities and smart tourism. Specifically, we investigate the potential role of smartphones in the development of smart cities and smart tourism. This thorough research led to the design and presentation of three unique frameworks that rely primarily on crowdsourcing and crowdsensing via mobile phones and might be deployed in the context of smart tourism and smart cities. Hence, we were able to propose smart tourism solutions and strategies that don’t call for expensive infrastructure, might raise the standard of living for locals, and deliver smart experiences to tourists. In addition, we investigate how smartphones and social media user behavior might lead to user modelling and personalisation in the context of smart tourism. We investigate novel approaches to developing a mobile smart tourism recommendation system by combining data from various social media channels with data that can be extracted from smartphones and used in a smart tourism application scenario, such as sensor and application data. Our goal is to establish which raw data may be obtained passively, without user engagement, from a number of sources. Likewise, we research numerous techniques for evaluating and merging diverse forms of data in order to construct successful user models for smart tourism. Thus, the objective is to build a framework that may be broadly used by a range of smart tourist systems.One of our primary contributions is the development of smart tourism applications and frameworks that employ Artificial Intelligence technologies. Specifically, by combining image labelling through deep learning algorithms in combination with collaborative filtering methods based on neural networks, we develop and propose two frameworks that can be utilized in smart tourism applications to provide personalized suggestions. We investigate the use of diverse types of data in Artificial Intelligence algorithms, the combination of different approaches, the methodology and tools used to construct our models, the evaluation of their performance, and the parameterisation that led to the extraction of optimal outcomes.Therefore, we strongly believe that our work makes an outstanding contribution to the in depth study, analysis, delineation and development of a field that is still in its infancy and has not been established to the degree it merits, namely "Smart Tourism". Subsequently, we present frameworks that can lead to the realization of a smart tourism experience, which can simultaneously attract the interest of researchers from different fields as similar approaches could be integrated into other fields beyond the industry under investigation. At the same time, the innovative approaches developed and presented pave the way for further study of machine learning applications in this field.

Ο Έξυπνος Τουρισμός αποτελεί μια έννοια που απαντάται στην διεθνή και εγχώρια βιβλιογραφία τις τελευταίες δύο δεκαετίες, με την δημοτικότητά της να ενισχύεται τα τελευταία δέκα χρόνια. Πιο συγκεκριμένα, η έννοια του «Έξυπνου Τουρισμού» συναντάται για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία στα τέλη της δεκαετίας του ΄90 αλλά θα χρειαστεί να παρέλθει τουλάχιστον μια δεκαετία ώστε να αρχίσει να προσελκύει αξιοσημείωτο ακαδημαϊκό ενδιαφέρον. Έκτοτε, τόσο ερευνητές όσο και επαγγελματίες από πληθώρα κλάδων εστιάζουν όλο και περισσότερο στον τομέα του Έξυπνου Τουρισμού, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται σταδιακά πιο συντονισμένες προσπάθειες για την προώθηση και την εξέλιξή του.Τι καταδεικνύει όμως ο όρος «Έξυπνος Τουρισμός»; Στη σχετική βιβλιογραφία, ως «Έξυπνος Τουρισμός» προσδιορίζεται ο τουρισμός που δίνει προτεραιότητα στην καινοτομία και εκμεταλλεύεται ψηφιακά εργαλεία για να αυξήσει την αποδοτικότητα, την ανταγωνιστικότητα, να μειώσει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και να οδηγήσει στην ευμάρεια και στην κοινωνική ευημερία ενός τουριστικού προορισμού. Παρά το ιδιαίτερο ενδιαφέρον στον τομέα αυτό, πολλά κύρια χαρακτηριστικά του παραμένουν ασαφή, σε κάποιες περιπτώσεις κακώς ορισμένα, ενώ διάφορες προσεγγίσεις στερούνται καινοτομίας και πρακτικής εφαρμογής.Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση του πεδίου του «Έξυπνου Τουρισμού» σε βάθος προκειμένου να εδραιωθεί αρχικά και προωθηθεί, εν συνεχεία, η ανάπτυξη μιας κουλτούρας που σχετίζεται με τον τομέα αυτό. Επιπλέον, παρέχονται εξειδικευμένες λύσεις αξιοποιώντας προηγμένες τεχνολογικές προσεγγίσεις για την ανάπτυξη εφαρμογών έξυπνου τουρισμού. Ακόμη, η διατριβή μας μελετά και σκιαγραφεί τις μελλοντικές κατευθύνσεις, καθώς και τις προκλήσεις που καλούνται οι ερευνητές στο κλάδο να επιλύσουν.Πιο αναλυτικά στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύεται η έννοια του «Έξυπνου Τουρισμού», όπως ορίζεται στην υφιστάμενη βιβλιογραφία σε συνδυασμό με τις διάφορες τεχνολογικές προσεγγίσεις που υφίστανται την παρούσα χρονική στιγμή. Πιο συγκεκριμένα, μετά από πολυετή έρευνα και μελέτη προσεγγίζουμε τους τεχνολογικούς τομείς στους οποίους εστιάζουν οι ερευνητές στο πεδίο αυτό, αναλύοντας καθέναν εξ’ αυτών, τονίζοντας τη συσχέτισή τους με τον «Έξυπνο Τουρισμό» καθώς και τις έρευνες και εφαρμογές που έχουν αναπτυχθεί. Παρουσιάζουμε καινοτόμες τεχνολογικές προσεγγίσεις και αλγόριθμους που έχουν προταθεί και μπορούν να οδηγήσουν στην παροχή της επονομαζόμενης «Έξυπνης Τουριστικής Εμπειρίας» και την δημιουργία «Έξυπνων Τουριστικών Προορισμών». Παράλληλα, προσδιορίζουμε τις πολυάριθμες προκλήσεις που έχουν ήδη προκύψει στην εκάστοτε προσέγγιση, τονίζοντας τα σημεία που χρήζουν ιδιαίτερη προσοχή. Με τον τρόπο αυτό, παρέχουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα των τρεχουσών ερευνητικών κατευθύνσεων, εννοιών και μεθοδολογιών στον «Έξυπνο Τουρισμό», καταφέρνοντας να θέσουμε ένα αυστηρό πλαίσιο, στο οποίο θα καταστεί εφικτό να στηριχτούν μελλοντικές μελέτες. Επιπλέον, ερευνούμε ενδελεχώς τον αντίκτυπο στον τομέα του «Έξυπνου Τουρισμού» δύο ιδιαίτερα δημοφιλών τεχνολογιών, της Τεχνητής Νοημοσύνης και του Blockchain. Σε αυτό το πλαίσιο, διερευνούμε, εντοπίζουμε και αναλύουμε πιθανές εφαρμογές των τεχνολογιών αυτών στο προαναφερθέν ερευνητικό πεδίο, σε συνδυασμό με τις προκλήσεις που ήδη υπάρχουν ή εκτιμούμε ότι θα προκύψουν. Καταφέρνουμε έτσι να οργανώσουμε την υπάρχουσα γνώση καθώς και να εντοπίσουμε την επίδραση που έχουν οι τεχνολογίες αυτές την τρέχουσα χρονική περίοδο, αλλά και μελλοντικά θεωρώντας ως προαπαιτούμενο την κάλυψη ορισμένων προϋποθέσεων, ίσως και πολιτικών, οι οποίες θα δημιουργούσαν εύφορο έδαφος για την περαιτέρω ανάπτυξη «Έξυπνων Τουριστικών Προορισμών» και «Έξυπνων Τουριστικών Εφαρμογών». Στη συνέχεια, προτείνουμε την αρχιτεκτονική μιας εφαρμογής για κινητές συσκευές που αξιοποιεί το λεγόμενο “context-awareness”,τεχνητή νοημοσύνη και τεχνολογίες blockchain ώστε να ώστε να γίνει εφικτή μια υβριδική διαδικτυακή έξυπνη τουριστική εμπειρία Ακολούθως, εξετάζουμε πως η τεχνολογία μπορεί να οδηγήσει στην επαναφορά του τουρισμού και να εξαλείψει το πλήγμα που υπέστη η τουριστική βιομηχανία λόγω της πανδημίας του COVID-19.Στη συνέχεια, εργαστήκαμε για τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη μιας σειράς εφαρμογών και πλαισίων λογισμικού (frameworks) που συμβάλουν στην επίτευξη μιας έξυπνης τουριστική εμπειρίας αξιοποιώντας σύγχρονες τεχνολογικές προσεγγίσεις. Πιο συγκεκριμένα, επικεντρωθήκαμε στην ανάπτυξη εφαρμογών που αξιοποιούν την crowdsourcing τεχνική και σε καινοτόμες προσεγγίσεις μοντελοποίησης χρηστών στο πλαίσιο των έξυπνων πόλεων και του έξυπνου τουρισμού. Συγκεκριμένα, διερευνήσαμε τον πιθανό ρόλο των κινητών συσκευών στην ανάπτυξη των έξυπνων πόλεων και του έξυπνου τουρισμού. Η έρευνά μας οδήγησε στον σχεδιασμό και την παρουσίαση τριών frameworks που βασίζονται κυρίως στο crowdsourcing και το crowdsensing μέσω κινητών τηλεφώνων και θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν στο πλαίσιο του έξυπνου τουρισμού και των έξυπνων πόλεων. Ως εκ τούτου, μπορέσαμε να προτείνουμε έξυπνες τουριστικές λύσεις και στρατηγικές που δεν απαιτούν κοστοβόρες υλικοτεχνικές υποδομές, ενδέχεται να βελτιώσουν το βιοτικό επίπεδο για τους ντόπιους και να προσφέρουν μια έξυπνη τουριστική εμπειρία στους τουρίστες.Επιπλέον, διερευνήσαμε πώς η συμπεριφορά των χρηστών που σχετίζεται με τα κινητά τους τηλεφωνά όσο και αυτή στα μέσα κοινωνικής δικτύωσης μπορεί να οδηγήσει στη μοντελοποίηση χρηστών και σε εξατομικευμένες προτάσεις στο πλαίσιο του έξυπνου τουρισμού. Ως εκ τούτου, μελετήσαμε νέες προσεγγίσεις για την ανάπτυξη ενός συστήματος συστάσεων έξυπνου τουρισμού για φορητές συσκευές, συνδυάζοντας δεδομένα από διάφορα μέσα κοινωνικής δικτύωσης με αυτά που μπορούν να εξαχθούν από ένα κινητό τηλέφωνο, όπως δεδομένα αισθητήρων και εφαρμογών. Στόχος μας είναι να καθορίσουμε ποια ακατέργαστα δεδομένα μπορούν να ληφθούν παθητικά, χωρίς να εμπλακεί ενεργά ο χρήστης, από διάφορες πηγές. Ο στόχος μας είναι να οικοδομήσουμε ένα framework που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ευρέως από πλήθος έξυπνων τουριστικών συστημάτων. Μια από τις κυριότερες συνεισφορές μας είναι η ανάπτυξη εφαρμογών και frameworks έξυπνου τουρισμού που αξιοποιούν τεχνολογίες Τεχνητής Νοημοσύνης. Πιο συγκεκριμένα, αξιοποιώντας «image labeling» μέσω αλγορίθμων «βαθιάς μάθησης» σε συνδυασμό με μεθόδους συνεργατικής μάθησης βασισμένες σε νευρωνικά δίκτυα, αναπτύσσουμε και προτείνουμε δύο framework που μπορούν να αξιοποιηθούν σε εφαρμογές έξυπνου τουρισμού για την επίτευξη εξατομικευμένων συστάσεων. Μελετάμε την αξιοποίηση δεδομένων διαφορετικής φύσεως σε αλγορίθμους Τεχνητής Νοημοσύνης, τον συνδυασμό διαφορετικών προσεγγίσεων, περιγράφουμε τις μεθοδολογίες και τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία των μοντέλων μας, την αξιολόγηση της απόδοσής τους, και τελικά την παραμετροποίηση που οδήγησε στην εξαγωγή των βέλτιστων αποτελεσμάτων. Ως εκ τούτου, πιστεύουμε ακράδαντα ότι η εργασία μας συνεισφέρει εξαιρετικά στην εκ βαθέως μελέτη, ανάλυση, οριοθέτηση και εξέλιξη ενός πεδίου που βρίσκεται ακόμα στις απαρχές του και δεν έχει εδραιωθεί στον βαθμό που του αρμόζει, αυτό του «Έξυπνου Τουρισμού». Εν συνεχεία, παρουσιάζουμε framework που δύναται να οδηγήσουν στην επίτευξη μιας έξυπνης τουριστικής εμπειρίας, τα οποία μπορούν να προσελκύσουν παράλληλα το ενδιαφέρον ερευνητών διαφορετικών τομέων καθώς παρόμοιες προσεγγίσεις θα μπορούσαν να ενσωματωθούν και σε άλλους τομείς, πέρα από τον υπό μελέτη κλάδο. Παράλληλα, οι καινοτόμες προσεγγίσεις που αναπτύχθηκαν και παρουσιάζονται ανοίγουν το δρόμο για περαιτέρω μελέτη των εφαρμογών μηχανικής μάθησης στο πεδίο αυτό.