A design framework for aggregation in a system of digital twins
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: The digital twin (DT) concept has become a popular means of capturing and utilising data related to physical systems and has been applied in many domains. The data provided within DTs allow for the integration of services and models to improve understanding and decision-making related to the physical system. Through aggregation, multiple DTs can be combined to represent larger, more complex system, while maintaining the separation of concerns.
The design framework presented in this dissertation aims to enable systematic, effective decisions when designing a system of DTs to represent a complex physical system. In particular, this framework adopts hierarchical aggregation as one of its primary enablers and it considers the use of a services network, such as a service-oriented architecture, as well. The design framework is intended to be broadly applicable, by remaining vendor-neutral, and it enables traceability of design choices. The approach starts with an analysis of physical system complexity to identify key needs related to managing complexity. A suitable requirements classification is then introduced to help translate the needs into requirements that the system of DTs should satisfy. Hierarchical aggregation is also introduced as a primary architectural approach to manage complexity. Hierarchical aggregation allows for the separation of concerns, computational load distribution, incremental development and modular software design. The design framework is arranged in six steps: 1) needs and constraints analysis, 2) physical system decomposition, 3) services allocation, 4) performance and quality considerations, 5) implementation considerations and 6) verification and validation. The dissertation then introduces a general reference architecture that combines a system of DTs (which follows hierarchical aggregation principles) with a services network to allow for reliable and adaptable service provisioning. The design framework is then discussed in the context of the general reference architecture. The design steps of the design framework are then moulded into six design patterns, which simplify the design process by focussing of key quality attributes. The quality attributes considered for the respective design patterns are performance efficiency, reliability, maintainability, compatibility, portability and security. The use of the design framework and design patterns are then demonstrated and validated through three case studies, two high-level case studies and one detailed case study. The high-level case studies consider a water distribution system and a smart city, respectively. The detailed case study considers a heliostat field. The dissertation concludes that the design framework, as well as the design patterns, enable a systematic approach to designing a system of DTs. The design framework can also be applied to numerous and varying domains, such as the case studies considered.
AFRIKAANS OPSOMMENG: Die digitale tweeling-konsep het 'n gewilde manier geword om data wat met fisiese stelsels verband hou, vas te lê en te gebruik en die konsep word in talle gevalle toegepas. Die data wat binne ‘n digitale tweeling verskaf word, bied die geleentheid vir die integrasie van dienste en modelle om begrip en besluitneming, met betrekking tot die fisiese stelsel, te verbeter. Deur verskeie digitale tweelinge saam te voeg kan groter, meer komplekse stelsel voorgestel word, terwyl die skeiding van belange gehandhaaf word. Die ontwerpsraamwerk wat in hierdie proefskrif voorgestel word, beoog om sistematiese, effektiewe besluite moontlik te maak wanneer 'n stelsel van digitale tweelinge ontwerp moet word om 'n komplekse fisiese sisteem voor te stel. Hierdie raamwerk maak gebruik van hiërargiese samevoeging en dit oorweeg die gebruik van 'n dienstenetwerk, soos 'n diensgeoriënteerde argitektuur. Die ontwerpsraamwerk is bedoel om breed toepaslik te wees, deur verskaffer-neutraal te bly, en dit maak naspeurbaarheid van ontwerpkeuses moontlik. Die benadering begin met 'n ontleding van fisiese stelselkompleksiteit om sleutelbehoeftes te identifiseer wat verband hou met die bestuur van kompleksiteit. 'n Geskikte vereistesklassifikasie word dan ingevoer om die sleutelbehoeftes te omskep in vereistes waaraan die stelsel van digitale tweelinge behoort te voldoen. Hiërargiese samevoeging word ook ingevoer as 'n primêre argitektoniese benadering om kompleksiteit te bestuur. Hiërargiese samevoeging maak voorsiening vir die skeiding van belange, berekeningsladingsverspreiding, inkrementele ontwikkeling en modulêre sagteware-ontwerp. Die ontwerpsraamwerk is georden in ses stappe: 1) behoeftes- en beperkingsontleding, 2) fisiese stelselverdeling, 3) dienstetoewysing, 4) prestasie- en kwaliteitsoorwegings, 5) implementeringsoorwegings en 6) verifikasie en validering. Die proefskrif stel dan 'n algemene verwysingsargitektuur voor wat 'n stelsel van digitale tweelinge (wat hiërargiese samevoegingsbeginsels volg) kombineer met 'n dienstenetwerk om voorsiening te maak vir betroubare en aanpasbare diensverskaffing. Die ontwerpsraamwerk word dan in die konteks van die algemene verwysingsargitektuur bespreek. Die ontwerpstappe van die ontwerpsraamwerk word dan in ses ontwerppatrone gevorm, wat die ontwerpsproses vereenvoudig deur te fokus op sleutelkwaliteiteienskappe. Die kwaliteitseienskappe wat vir die onderskeie ontwerppatrone oorweeg word, is prestasiedoeltreffendheid, betroubaarheid, instandhoubaarheid, verenigbaarheid, oordraagbaarheid en sekuriteit. Die gebruik van die ontwerpsraamwerk en ontwerppatrone word dan deur drie gevallestudies, twee hoëvlak gevallestudies en een in diepte gevallestudie, gedemonstreer en gevalideer. Die hoëvlak gevallestudies oorweeg onderskeidelik 'n waterverspreidingstelsel en 'n slim stad. Die gedetailleerde gevallestudie beskou 'n heliostaatveld. Die proefskrif kom tot die gevolgtrekking dat die ontwerpsraamwerk, sowel as die ontwerppatrone, 'n sistematiese benadering tot die ontwerp van 'n stelsel van digitale tweelinge moontlik maak. Die ontwerpsraamwerk kan ook op talle en variërende gevalle toegepas word, soos die gevallestudies wat oorweeg is.
AFRIKAANS OPSOMMENG: Die digitale tweeling-konsep het 'n gewilde manier geword om data wat met fisiese stelsels verband hou, vas te lê en te gebruik en die konsep word in talle gevalle toegepas. Die data wat binne ‘n digitale tweeling verskaf word, bied die geleentheid vir die integrasie van dienste en modelle om begrip en besluitneming, met betrekking tot die fisiese stelsel, te verbeter. Deur verskeie digitale tweelinge saam te voeg kan groter, meer komplekse stelsel voorgestel word, terwyl die skeiding van belange gehandhaaf word. Die ontwerpsraamwerk wat in hierdie proefskrif voorgestel word, beoog om sistematiese, effektiewe besluite moontlik te maak wanneer 'n stelsel van digitale tweelinge ontwerp moet word om 'n komplekse fisiese sisteem voor te stel. Hierdie raamwerk maak gebruik van hiërargiese samevoeging en dit oorweeg die gebruik van 'n dienstenetwerk, soos 'n diensgeoriënteerde argitektuur. Die ontwerpsraamwerk is bedoel om breed toepaslik te wees, deur verskaffer-neutraal te bly, en dit maak naspeurbaarheid van ontwerpkeuses moontlik. Die benadering begin met 'n ontleding van fisiese stelselkompleksiteit om sleutelbehoeftes te identifiseer wat verband hou met die bestuur van kompleksiteit. 'n Geskikte vereistesklassifikasie word dan ingevoer om die sleutelbehoeftes te omskep in vereistes waaraan die stelsel van digitale tweelinge behoort te voldoen. Hiërargiese samevoeging word ook ingevoer as 'n primêre argitektoniese benadering om kompleksiteit te bestuur. Hiërargiese samevoeging maak voorsiening vir die skeiding van belange, berekeningsladingsverspreiding, inkrementele ontwikkeling en modulêre sagteware-ontwerp. Die ontwerpsraamwerk is georden in ses stappe: 1) behoeftes- en beperkingsontleding, 2) fisiese stelselverdeling, 3) dienstetoewysing, 4) prestasie- en kwaliteitsoorwegings, 5) implementeringsoorwegings en 6) verifikasie en validering. Die proefskrif stel dan 'n algemene verwysingsargitektuur voor wat 'n stelsel van digitale tweelinge (wat hiërargiese samevoegingsbeginsels volg) kombineer met 'n dienstenetwerk om voorsiening te maak vir betroubare en aanpasbare diensverskaffing. Die ontwerpsraamwerk word dan in die konteks van die algemene verwysingsargitektuur bespreek. Die ontwerpstappe van die ontwerpsraamwerk word dan in ses ontwerppatrone gevorm, wat die ontwerpsproses vereenvoudig deur te fokus op sleutelkwaliteiteienskappe. Die kwaliteitseienskappe wat vir die onderskeie ontwerppatrone oorweeg word, is prestasiedoeltreffendheid, betroubaarheid, instandhoubaarheid, verenigbaarheid, oordraagbaarheid en sekuriteit. Die gebruik van die ontwerpsraamwerk en ontwerppatrone word dan deur drie gevallestudies, twee hoëvlak gevallestudies en een in diepte gevallestudie, gedemonstreer en gevalideer. Die hoëvlak gevallestudies oorweeg onderskeidelik 'n waterverspreidingstelsel en 'n slim stad. Die gedetailleerde gevallestudie beskou 'n heliostaatveld. Die proefskrif kom tot die gevolgtrekking dat die ontwerpsraamwerk, sowel as die ontwerppatrone, 'n sistematiese benadering tot die ontwerp van 'n stelsel van digitale tweelinge moontlik maak. Die ontwerpsraamwerk kan ook op talle en variërende gevalle toegepas word, soos die gevallestudies wat oorweeg is.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Digital twins (Computer simulation), Design framework, Aggregation, Service-oriented architecture (Computer science), UCTD