شماره ركورد
34338
پديد آورنده
علي اثني عشري
عنوان
افزايش قابليت اطمينان آگاه از انرژي مصرفي در سامانه هاي سايبر-فيزيكي با استفاده از فناوري همزاد ديجيتال
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي كامپيوتر - گرايش معماري سيستم هاي كامپيوتري
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/06/26
استاد راهنما
جناب آقاي دكتر اميرمهدي حسيني منزّه
استاد مشاور
فاقد استاد مشاور
دانشكده
كامپيوتر
چكيده
بدونتورفتگي
امروزه، سامانههايِ سايبر(رايا)-فيزيكي، قلبِ تپنده و هسته اصليِ انقلابِ صنعتيِ 0.4 محسوب ميشوند. با اين حال، بسياري از اين سامانهها، نظير وسايل نقليه خودران، به دليل ماهيتِ بحراني-ايمنِ خود، نيازمندِ تضمينِ سطوحِ فوقالعاده بالايي از قابليت اطمينان هستند. راهكارهايِ سنتيِ تحملپذيريِ اشكال، كه عمدتاً بر افزونگيِ سختافزاري استوارند، با افزودنِ نسخههايِ پشتيبان از مؤلفههايِ فيزيكي، به دنبالِ پوشش يا تحملِ اشكالها هستند. با اين حال، اين سازوكارِ سنتي، به طورِ مستقيم به افزايشِ هزينههايِ سختافزاري، مصرفِ انرژي و حجمِ كلِ سامانه منجر ميشود. از سوي ديگر، اين رشد و پيشرفت روزافزون در سامانههاي رايا-فيزيكي و اعمال سازوكارهايِ تحملپذيرِ اشكالِ سنتي، منجر به افزايش چگالي توان، افزايش حرارت و درنتيجه كاهش قابليت اطمينان اين نوع سامانهها خواهد شد. براي غلبه بر اين چالش بنيادين، فناوري همزاد ديجيتال راهكاري راهگشا ارائه ميدهد. در قلبِ اين نگاهِ نوين، جايگزينيِ مدلهايِ نرمافزاريِ دقيق به جايِ عناصرِ فيزيكيِ پشتيبان قرار دارد؛ اين گذار به حالتِ ديجيتال، مهندسيِ طراحيِ سامانههايِ رايا-فيزيكيِ تحملپذيريِ اشكالِ سنتي را از يك رويكردِ ايستا و مبتني بر تماماً سختافزار، به يك راهبردِ پويا و دانشمحور تبديل ميكند كه در آن، قابليت اطمينان از طريق تحليلِ هوشمندانه دادهها و نه تكثيرِ فيزيكيِ مؤلفهها، حاصل ميشود. در همين راستا، اين پژوهش يك چارچوب دومرحلهاي جامع تحت عنوان PhyTwin را معرفي ميكند. در گامِ نخست، يك مؤلفه همزاد ديجيتال هوشمند بر پايه شبكههاي عصبي آگاه از فيزيك PINN توسعه يافته است كه با ادغام قوانين بنيادين فيزيك با قابليتهاي يادگيري عميق، امكان بازسازي دقيق سيگنال يك حسگر معيوب را فراهم ميآورد. نتايج ارزيابي در يك نمونه موردي خودروي خودران، برتري مطلق مدل آگاه از فيزيك را در مقايسه با يك شبكه عصبي استاندارد در تمامي سناريوهاي تزريق اشكال به اثبات رساند. در گام بعدي، يك سكوي نرمافزاري شبه بهينه با بهرهگيري از الگوريتم ژنتيك ارائه شده است. اين سكو فرآيند جايگزيني مؤلفههاي سختافزاري پشتيبان با همزادهاي ديجيتال را مديريت كرده و با حل مسئله بهينهسازي چندهدفه، به دنبال يافتن پيكربندي ايدهآلي است كه همزمان قابليت اطمينان را بهبود داده و مصرف انرژي را حداقل نمايد. نتايج نشان داد كه سكوي پيشنهادي در تمامي شرايط آزمون، نه تنها توانست قابليت اطمينان سامانه را نسبت به حالت پايه تماماً سختافزاري ارتقا بخشد، بلكه موفق شد مصرف انرژي را در بهترين حالت تا 50% و حتي در بدترين حالت به ميزان 21% كاهش دهد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/15
عنوان به انگليسي
Energy aware reliability improvement in cyber physical systems through digital twin technique
تاريخ بهره برداري
12/22/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
علي اثني عشري
چكيده به لاتين
Cyber-Physical Systems (CPSs) represent the core driving force of the Fourth Industrial Revolution. However, many of these systems, such as autonomous vehicles, are inherently safety-critical, requiring exceptionally high levels of system reliability and fault tolerance. Traditional fault-tolerance mechanisms, which predominantly rely on hardware redundancy, address faults by incorporating backup replicas of physical components. However, this conventional approach inevitably increases hardware cost, energy consumption, and system footprint. Furthermore, as CPSs evolve toward higher levels of complexity and integration, such hardware-centric redundancy mechanisms exacerbate power density and thermal stress, ultimately degrading system reliability.
To address these limitations, Digital Twin (DT) technology has emerged as a transformative paradigm. At its core, this paradigm replaces physical backup units with precise software-based models, thereby transitioning fault-tolerant CPS design from a static, hardware-dependent approach to a dynamic, knowledge-driven one, where reliability is ensured through intelligent data analytics rather than physical duplication.
This research introduces a comprehensive two-stage framework, termed PhyTwin, to realize this vision. In the first stage, an intelligent DT component is developed based on Physics-Informed Neural Networks (PINNs). By fusing fundamental physical laws with deep learning capabilities, the proposed model enables accurate reconstruction of faulty sensor signals. Experimental results obtained from an autonomous vehicle case study confirm the superior accuracy and robustness of the physics-informed model compared to a conventional neural network across all fault-injection scenarios.
In the second stage, a semi-optimal orchestration platform is introduced, employing a Genetic Algorithm (GA) to manage the replacement of hardware redundancies with digital twins. By formulating and solving a multi-objective optimization problem, the platform identifies the optimal configuration that simultaneously maximizes system reliability and minimizes energy consumption. evaluation results demonstrate that the proposed PhyTwin platform not only enhances system reliability over the fully hardware-based baseline but also reduces energy consumption by up to 50% in the best case and 21% in the worst case.
كليدواژه هاي فارسي
سامانه هاي رايا-فيزيكي , همزاد ديجيتال , بهبود قابليت اطمينان , كاهش مصرف انرژي , شبكه هاي عصبي آگاه از فيزيك
كليدواژه هاي لاتين
Cyber-Physical Systems (CPSs) , Digital Twin , Reliability Improvement , Energy Consumption Reduction , Physics-Informed Neural Networks (PINNs)
Author
Ali Asnaashari
SuperVisor
Dr. Amir Mahdi Hosseini Monazzah