Tesis:
Contribución al desarrollo de arquitecturas y soluciones para la implementación de gemelos digitales basados en datos abiertos
- Autor: CONDE DÍAZ, Javier
- Título: Contribución al desarrollo de arquitecturas y soluciones para la implementación de gemelos digitales basados en datos abiertos
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA DE SISTEMAS TELEMATICOS
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/74176/
- Director/a 1º: ALONSO GONZÁLEZ, Álvaro
- Director/a 2º: HUECAS FERNÁNDEZ-TORIBIO, Gabriel
- Resumen: El concepto de Gemelo Digital, entendido como representación virtual de un equivalente físico, surgió en los primeros años del siglo XXI. Sin embargo, no ha cobrado especial interés hasta la última década debido a las limitaciones tecnológicas. El auge del Internet de las Cosas, la Computación en la Nube, el Big Data, la Inteligencia Artificial, y la Realidad Extendida, han proporcionado las herramientas necesarias para implementar los Gemelos Digitales en casos de uso reales. Como consecuencia, en la actualidad se consideran una tecnología habilitadora de la transformación digital y se ha extendido a todos los ámbitos de la sociedad.
Aunque su utilidad ha quedado demostrada por multitud de casos de uso, todavía existen una serie de limitaciones que son necesarias abordar. En concreto, requisitos de actualización en tiempo real, el procesamiento de grandes cantidades de datos, el modelado de la información, la homogeneización de las fuentes de datos, la seguridad de la información, o la comunicación con sistemas externos, son algunos de los retos mencionados en la literatura. Existen trabajos que abordan estos retos, pero se tratan de soluciones específicas para el caso de uso concreto para el que fue concebido el Gemelo Digital.
Esta tesis propone el diseño, implementación, y validación de arquitecturas para el desarrollo de Gemelos Digitales, agnósticas al caso de uso y que permitan resolver las barreras mencionadas en la literatura. Para ello, diseño una arquitectura en capas basada en la ingesta de fuentes de datos, gestión de la información, procesamiento, y consumo de los resultados por parte del Gemelo Digital. Adicionalmente, propongo el ecosistema de componentes FIWARE, el formato Next Generation Service Interface-Linked Data (NGSI-LD), y los FIWARE Smart Data Models como tecnología habilitadora para implementar la arquitectura propuesta. Acompaño la solución con un caso de uso teórico que permite mostrar de forma sencilla como llevar a la practica un Gemelo Digital con los componentes mencionados. Adicionalmente, valido la propuesta en un escenario real a través de la implementación de un Gemelo Digital para gestionar las operaciones de turnaround de el aeropuerto de Aberdeen, Escocia.
La arquitectura original no resuelve la barrera de la colaboración entre Gemelos Digitales y la comunicación con sistemas externos. Por ello, extiendo la solución y propongo los Datos Abiertos como mecanismo de intercambio de información entre Gemelos Digitales. Analizo las barreras presentes en la publicación y el consumo de Datos Abiertos y como estos se pueden integrar en el ecosistema de los Gemelos Digitales en general, y en la arquitectura propuesta en particular. Extiendo la arquitectura basada en componentes FIWARE, utilizando el Sistema de Gestión de Datos Abiertos CKAN como plataforma de código libre para la publicación de los Datos Abiertos. Completo el caso de uso teórico incorporando los Datos Abiertos como mecanismo de colaboración entre Gemelos Digitales. Por último, valido la propuesta en un escenario real sobre el servicio de bicicletas de Santander, y extraigo las conclusiones obtenidas a cerca del uso de Datos Abiertos para la colaboración de Gemelos Digitales.
Esta tesis contribuye al campo de los Gemelos Digitales y Datos Abiertos a través del diseño e implementación de arquitecturas basadas en componentes de código libre, agnósticas al caso de uso, y capaces de superar las barreras mencionadas en la literatura sobre el desarrollo de Gemelos Digitales.
ABSTRACT
The concept of Digital Twin, understood as a virtual representation of a physical equivalent, emerged in the early years of the XXI century. However, it has not gained particular interest until the last decade due to technological limitations. The rise of the Internet of Things, Cloud Computing, Big Data, Artificial Intelligence, and Extended Reality has provided the necessary tools to implement Digital Twins in real use cases. As a result, they are now considered an enabling technology for digital transformation and have spread to all areas of society.
Although their value has been demonstrated by numerous use cases, there are still a set of limitations that need to be addressed. Specifically, real-time updating requirements, processing of large amounts of data, data modeling, homogenization of data sources, information security, or communication with external systems, are some of the challenges mentioned in the literature. There are works that address these challenges, but they are specific solutions for the particular use case the Digital Twin was conceived for.
This thesis proposes the design, implementation, and validation of architectures for the development of Digital Twins, agnostic to the use case and able to solve the barriers mentioned in the literature. To accomplish these goals, I propose a layered architecture based on the ingestion of data sources, data management, data processing, and data consumption of the results by the Digital Twin. Additionally, I propose the FIWARE Generic Enablers, the Next Generation Service Interface-Linked Data (NGSI-LD) format, and the FIWARE Smart Data Models as an enabling technology to implement the proposed architecture. I accompanied the solution with a theoretical use case that shows, in a simple way, how to implement a Digital Twin with the mentioned components. Additionally, I validate the proposal in a real scenario through the implementation of a Digital Twin to manage the turnaround operations of the Aberdeen Airport, Scotland.
The original architecture does not solve the barrier of collaboration between Digital Twins and communication with external systems. Therefore, I extend the solution and propose Open Data as a mechanism for information exchange between Digital Twins. I analyze the barriers present in the publication and consumption of Open Data and how they can be integrated into the Digital Twin ecosystem in general, and in the proposed architecture in particular. I extend the FIWARE component-based architecture, using the CKAN Open Data Management System as an open-source platform for the publication of Open Data. I complete the original theoretical use case by adding Open Data as a collaboration mechanism between Digital Twins. Finally, I validate the proposal in a real scenario on the Santander bicycle service, and I draw conclusions about the use of Open Data for the collaboration of Digital Twins.
This thesis contributes to the field of Digital Twins and Open Data through the design and implementation of architectures based on open-source components, agnostic to the use case, and capable of overcoming the barriers mentioned in the literature on the development of Digital Twins.