Uma Arquitetura Modular de Middleware para Comunicação Eficiente em Sistemas de Gêmeos Digitais
Resumo:
Os Gêmeos Digitais têm se destacado como um conceito revolucionário para apoiar a Indústria 4.0, ao promover a integração entre sistemas físicos e virtuais. As aplicações dos DTs podem ser encontrados em diversos como saúde e cidades inteligentes. Contudo, apesar do crescimento de sua adoção em aplicações industriais, sua implementação ainda apresenta desafios relacionados à interoperabilidade, ao acoplamento entre componentes e à dependência de protocolos específicos de comunicação. Esta tese apresenta a proposta, implementação e avaliação experimental de uma arquitetura de middleware modular e agnóstica a protocolos para sistemas de Gêmeos Digitais. A arquitetura foi concebida para desacoplar os mecanismos de comunicação da lógica de negócio dos DTs. A arquitetura proposta foi implementada utilizando linguagem de alto nível (Python) e avaliada por meio de um estudo de caso baseado no Simulador de Treinamento de Imersão dos submarinos da Classe Tupi. Os resultados obtidos demonstraram que a proposta do middleware, baseado na camada de transporte, apresentaram menores latências médias quando comparadas às demais abordagens disponíveis na literatura, em todos os cenários avaliados. Adicionalmente, a arquitetura demonstrou flexibilidade ao permitir a separação entre lógica de negócio, mecanismos de transporte e protocolos utilizados na comunicação com o sistema físico, o que favoreceu a integração e evolução de novos protocolos de comunicação sem a necessidade de modificações significativas na estrutura arquitetural.
Abstract:
Digital Twins (DTs) have emerged as a revolutionary concept to support Industry 4.0 by promoting the integration between physical and virtual systems. Applications of DTs can be found in several domains, such as healthcare and smart cities. However, despite their growing adoption in industrial environments, their implementation still faces challenges related to interoperability, component coupling, and dependency on specific communication protocols. This thesis presents the proposal, implementation, and experimental evaluation of a modular and protocol-agnostic middleware architecture for Digital Twin systems. The architecture was designed to decouple communication mechanisms from the business logic of DT. The proposed architecture was implemented using a high-level programming language (Python) and evaluated through a case study based on the Immersion Training Simulator of the Tupi-class submarines. The obtained results demonstrated that the proposed transport-layer-based middleware achieved lower average latency when compared to other approaches available in the literature across all evaluated scenarios. Additionally, the architecture demonstrated flexibility by enabling the separation between business logic, transport mechanisms, and protocols used for communication with the physical system, which facilitated the integration and evolution of new communication protocols without requiring significant modifications to the proposed architectural structure.
Banca examinadora:
Prof. Raphael Carlos Santos Machado, UFF – Presidente
Prof. José Viterbo Filho, UFF
Profa. Flávia Coimbra Delicato, UFF
Prof. Daniel Sadoc Menasche, UFRJ
Prof. Luiz Gustavo Cardoso Maria, Firjan SENAI
Prof. Felipe Rebelo Lopes, Firjan SENAI