Distribuerat digital tvilling system : med MQTT, edge- och fog-beräkning och dockeriserade C++ noder

Sammanfattning

Digitala tvillingar är virtuella representationer av fysiska objekt som kontinuerligt uppdateras med sensordata. För att uppnå låg latens och hög tillgänglighet i IoT-system behöver tvillingen ofta köras nära det fysiska objektet. Detta arbete undersöker hur en digital tvilling dynamiskt kan migrera mellan edge-, fog- och molnmiljöer beroende på var användaren befinner sig. En prototyp utvecklades med fem Raspberry Pi-enheter (edge- och fog-noder) och en laptop som molnnod. Systemet använder MQTT för kommunikation och Docker Swarm för containerorkestrering. En timerstyrd tvillingtjänst triggar migration genom att ändra containerplaceringen via docker service update. Tre olika kommunikationsvägar utvärderades: via en renodlad fog-node (hem), via en fog-node som även agerade som Swarm-manager (arbete) samt direkt till molnet utan fog (mobil). Latensmätningar baserade på 1460 meddelanden visade att medellatensen låg kring 100 ms för samtliga vägar, men med betydande skillnader i stabilitet. Mobilvägen uppvisade högst variabilitet (standardavvikelse 118,9 ms) och extrema outliers. Fog-noden med dubbel roll (manager) hade nästan dubbelt så hög edge-to-fog-latens (48,7 ms) jämfört med den renodlade fog-noden(22,6 ms), medan den totala latensen från edge till moln låg runt 100 ms för samtliga kommunikationsvägar. Resultaten bekräftar fog-lagrets stabiliserande effekt och visar att kontrollplanet bör separeras från databearbetningen för att undvika prestandaförlust. Arbetet demonstrerar att Docker Swarm tillsammans med MQTT är en fungerande plattform för migrerbara digitala tvillingar och bidrar med kvantifierad kunskap om hur migration och resursdelning påverkar latens i distribuerade IoT-system.