Phygital Twin IoT：一种用于可扩展且安全的数字孪生物联网系统的硬件-软件分离架构

《IEEE Open Journal of the Computer Society》：Phygital Twin IoT: A Hardware-Software Decomposition Architecture for Scalable and Secure Digital Twin IoT Systems

　　

摘要：

本文介绍了Phygital Twin IoT（PT-IOT）这一新颖且创新的架构，它将数字孪生（Digital Twin，简称DT）与物理孪生（Physical Twin，简称PT）相结合，构建了一个灵活且可扩展的框架，用于对现实世界系统进行建模和管理。物理孪生通过虚拟对应物复制系统的硬件组件（特别是微控制器），并直接在硬件层面进行编程。这种设计确保了数字孪生独立于底层硬件，从而能够无缝适应技术升级或安全强化需求。该架构基于MQTT协议，通过E-Program这一软件协调器来促进物理组件与虚拟组件之间的通信。这种方法支持物理节点与虚拟节点之间的实时同步，非常适合大规模应用，如智慧城市、智能停车和智能建筑。值得注意的是，只有当硬件发生变化时才需要重新编程物理孪生，而数字孪生的完整性得以保持。该框架的另一个特点是可以在远程服务器上外部执行E-Program，从而实现持续运行和先进的决策过程。这一功能对于关键应用（包括应急管理和资源优化）尤为有利。分析表明，与直接微控制器接口相比，该架构的通信延迟可降低约15-20%，同时仍保持完全的功能等效性。该架构已通过CupCarbon平台进行验证，其可扩展性和实用性使其成为现代基于物联网系统的有力解决方案。分析结果显示，在可扩展性和能效方面，该架构优于传统的数字孪生架构。未来的研究将侧重于通过改进决策算法来优化该框架，并将其应用于实际场景...

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