Designing and implementing digital twins with cloud and edge computing: challenges and opportunities

• Autor(a) principal: Knebel, Francisco Paiva
• Data de Publicação: 2024
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: eng
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRGS
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10183/276593
• topic: Gêmeos digitais; Internet das coisas; Computação em nuvem; Computação de Borda; MQTT; Apache Kafka; Cloud computing; Edge computing

Os gêmeos digitais são modelos interconectados de um sistema físico e um virtual que interagem em tempo real. O componente virtual é um software que espelha as ações da contraparte física, identifica problemas e os resolve de forma autônoma sem intervenção humana. O advento da Internet das Coisas e de dispositivos sensoriais acessíveis deu origem ao gêmeo digital contemporâneo, que requer a capacidade de controlar suas contrapartes físicas, necessitando de uma conexão confiável. Esta pesquisa investiga a relação entre sistemas de aquisição de dados e o processamento de eventos no contexto de gêmeos digitais utilizando computação em nuvem e de borda. O principal desafio desta pesquisa é criar métodos para aprimorar o desempenho de sistemas com uso intensivo de dados com entrada de dados crescente, respeitando as restrições de tempo, custo e complexidade. Este trabalho apresenta um estudo sobre gêmeos digitais viabilizado pela computação em nuvem e de borda, experimentando as necessidades de comunicação em tempo real de um sistema de gêmeos digitais implantado em um ambiente multicomponente em um cluster na nuvem e na borda. Este trabalho amplia o escopo para projetar sistemas de gêmeos digitais para operar em escala, realizando experimentos usando MQTT e Apache Kafka para identificar possíveis problemas para dispositivos de nuvem e de borda. Os experimentos empregaram uma configuração de rede usando um cluster Kubernetes, diferente mente das abordagens de simulação anteriores que utilizavam apenas máquinas virtuais, para obter resultados mais autênticos e precisos. Os experimentos revelaram possíveis problemas nas execuções dos cenários devido ao fato de os corretores exigirem mais re cursos do que os dispositivos de borda de baixa especificação poderiam oferecer e, ao mesmo tempo, discutindo os compromissos e as restrições do uso do Kafka para gêmeos digitais, principalmente em cenários de baixa especificação. A introdução de uma camada de computação adicional em um aplicativo com uso intenso de dados pode sobrecarregar o hardware disponível para o sistema de gêmeos digitais. A configuração do Kafka tam bém é uma tarefa complexa para gerenciar o particionamento de tópicos, a aquisição de dados e os fatores de replicação. É fundamental compreender os objetivos e as despesas para obter resultados positivos. O custo, que pode ser medido pela infraestrutura e pela complexidade operacional, deve ser gerenciado individualmente. A praticidade e as vantagens de empregar a computação em nuvem e de ponta para gêmeos digitais são assuntos acadêmicos importantes. Há também a necessidade de mais pesquisas e otimização para atender aos requisitos de tempo real e aos problemas de gerenciamento de dados desses sistemas, permitindo sua aplicação na computação de ponta.