Design and Implementation of a Microservices-Based Digital Twin Architecture

Abstract

Digitale tvillinger gjør det mulig for informert beslutningstaking basert på komplekse simuleringer og prediktiv analyse ved å forbinde de digitale og fysiske verdener. Digitale tvillinger trenger arkitekturer som opprettholder skalerbarhet og pålitelighet for å håndtere den økende kompleksiteten til sanntidsdatabehandlingssystemer. Denne studien undersøker grundig designet og implementeringen av en mikrotjenestebasert digital tvillingløsning. Den har som mål å øke det økende behovet for skalerbare og pålitelige arkitekturer i systemer som dette. Denne innsatsen er forankret i tre hovedmål for å oppnå det. Først skisserer den et robust arkitektonisk rammeverk for digitale tvillinger som er basert på mikrotjenester. Deretter undersøker oppgaven hvordan bruk av mikrotjenester-arkitektur og den digitale tvillingløsningens skalerbarhet og pålitelighet er relatert til hverandre. Å identifisere problemene og avveiningene som oppstår under utformingen, implementeringen og distribusjonen av den foreslåtte modellen er det tredje målet med denne studien. I arkitekturdesignet er syv hovedmikrotjenester definert, og fem av de viktigste implementeres og vurderes: datainnsamling, digital tvillingadministrasjon, simulering, kommando og kontroll og visualisering. En omfattende testcase brukes med en digital tvilling av en vindturbin for å validere det foreslåtte designet. Ved å bruke en rekke simuleringsmoduser gjenspeiler denne testen virkelige forhold og garanterer en grundig vurdering av systemet under forhold som gjelder for virkelige scenarier. Oppgaven gir nyttig informasjon om effektiviteten til den mikrotjenestebaserte arkitekturen som ble foreslått for å oppnå pålitelighet og skalerbarhet i digitale tvillingmodeller. Selv om den gir et solid praktisk grunnlag, undersøker den og understreker de tilhørende problemene og avveiningene grundig. I tillegg gir den et opplyst og balansert veivalg for fremtidige fremskritt på dette området.

By bridging the gap between the physical and digital worlds, digital twins stand out as a valuable asset for informed decision-making based on complex simulations and predictive analytics. As they navigate the increasing complexity of real-time data processing systems, digital twins necessitate the employment of architectures that uphold scalability and reliability. This thesis embarks on a comprehensive investigation of the design and implementation of a microservices-based digital twin solution and aims at enhancing the growing need for scalable and reliable architectures in such systems. In the pursuit of that, this thesis is anchored on three primary goals. It first proposes a solid microservices-based architectural framework for digital twins. The thesis then investigates the relationship between the use of microservices architecture and the scalability and reliability of the digital twin solution. The third goal of this study is to identify the challenges and trade-offs faced during the design, implementation, and deployment of the proposed model. Seven main microservices are defined in the architecture design among which five more critical ones (data acquisition, digital twin management, simulation, command and control, and visualization) are implemented and evaluated. To validate the suggested design, an extensive test case is conducted employing a digital twin of a wind turbine. This test mirrors real-world conditions by employing a variety of simulation modes, guaranteeing a thorough assessment of the system in conditions applicable to real-world scenarios. The thesis offers useful insights into the efficiency of the suggested microservices-based architecture in achieving scalability and reliability in digital twin models. While providing a sound practical foundation, it thoroughly examines and underscores the associated challenges and trade-offs, presenting a balanced and informed road map for future advancements in this field.