El estado actual y la previsible evolución de las tecnologías de la información y la comunicación se caracteriza por una inundación de dispositivos, muchos de ellos móviles, con altas capacidades de procesamiento, almacenamiento y comunicación en red, junto con una explosión de servicios proporcionados remotamente según diversos paradigmas de computación en la nube. Esta realidad impulsa el desarrollo de nuevas aplicaciones, muchas de ellas centradas en la ejecución de procesos analíticos y extracción de conocimiento a partir de la gran masa de datos producida, entre otras razones, por tal multiplicidad de dispositivos y servicios. Las nuevas aplicaciones presentan importantes retos tales como la necesidad de satisfacer ciertos parámetros de calidad de servicio, la ejecución de una parte de su procesamiento en tiempo real, la disponibilidad permanente de los servicios, el mantenimiento de la privacidad o el ahorro energético, entre otros. El objetivo general de este trabajo consiste en avanzar en la investigación y el desarrollo de modelos y arquitecturas distribuidas capaces de extraer ventaja de esta gran multiplicidad de recursos locales y remotos para favorecer la construcción de aplicaciones que aporten valor a la sociedad digital. La actividad investigadora se enmarca en el ámbito de tres importantes tendencias convergentes que marcan la actualidad y el futuro de las tecnologías de la información y la comunicación: Internet of things (IoT), computación en la nube (cloud computing) y big data. Dentro de este amplio abanico, el trabajo se centra particularmente en los llamados sistemas ciberfísicos, en los que se enfatiza el análisis y control de procesos físicos frente a la interconexión de dispositivos en la Internet global. Desde el punto de vista metodológico, el trabajo se encuadra en el área de la informática experimental. La actividad parte de la observación y detección de oportunidades de mejora en aplicaciones concretas. A partir de dicha observación se realiza una caracterización que engloba a todo un conjunto de posibles servicios. A continuación se diseñan modelos, arquitecturas y métodos que aportan soluciones a los problemas planteados. Finalmente, se lleva a cabo un proceso de validación experimental y posterior revisión mediante la puesta en marcha de prototipos y simulaciones. La principal contribución de la investigación es la concepción y desarrollo de modelos y arquitecturas basándose en dos pilares fundamentales que constituyen la hipótesis de trabajo: (1) la monitorización de la carga de los dispositivos locales y servicios en la nube, y (2) el cálculo o estimación del impacto de los procesos de los sistemas ciberfísicos en los recursos de computación disponibles en la red. Las soluciones propuestas permiten acrecentar los recursos disponibles de una forma flexible, poniendo en marcha estrategias que sopesen las variables relevantes tales como condiciones cambiantes de conectividad, el coste de los modelos de utilidad o el consumo de energía, pero manteniendo las restricciones con las que deben ejecutarse los procesos de la aplicación, tales como requerimientos de tiempo real, disponibilidad permanente o coste.