Reference Architecture for Sustainable Manufacturing -as-a-Service driven by Digital Twin

Neto, Diogo Alves Machado

http://hdl.handle.net/10400.22/31247

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Authors

Neto, Diogo Alves Machado

Advisor(s)

Sousa, Cristóvão Dinis Polido de

Pereira, Carla Sofia Gonçalves

Abstract(s)

The industrial paradigm is shifting towards a data-driven Circular Economy, a transition hindered by a fragmented digital landscape of data silos. Regulatory drivers, such as the European Union’s Digital Product Passport, are transforming standardized and sovereign data sharing into a legal necessity, creating an urgent need for a cohesive solution. This thesis addresses the lack of a holistic architectural framework for industrial data sharing by proposing a reference architecture for the Internet of Digital Twins. Following a Design Science Research methodology, this work presents a Reference Architectural Model for Industry 4.0-compliant blueprint that cohesively integrates key standards for data modeling, sovereign data sharing infrastructure, and a decentralized cryptographic trust layer. The architecture’s viability is validated through a two-part experimental approach. First, a Proof of Concept demonstrates the technical feasibility of one of the architecture’s layers by automating the aggregation and standardization of data from both Operational Technology and Information Technology sources. Second, a scenario-based Proof of Value argues for the utility of the full architecture in enabling complex, sustainable manufacturing applications. The primary contribution of this work is, therefore, a validated and prescriptive blueprint for building the secure, interoperable, and trustworthy data ecosystems required for the data-driven circular economy.

O paradigma industrial encontra-se em transi¸c˜ao para uma Economia Circular orientada por dados, uma mudan¸ca dificultada por um panorama digital fragmentado e caracterizado por silos de dados. Fatores regulamentares, como o futuro Passporte Digital do Produto da Uni˜ao Europeia, est˜ao a transformar a partilha de dados soberana e normalizada numa necessidade legal, criando uma necessidade urgente de uma solu¸c˜ao coesa. Esta tese aborda a falta de uma arquitetura hol´ıstica para a partilha de dados industriais, propondo uma arquitetura de referˆencia para a Internet of Digital Twins. Seguindo a metodologia de Design Science Research, este trabalho apresenta um modelo pr´atico e prescritivo, compat´ıvel com o Reference Architectural Model for Industry 4.0, que integra de forma coesa os principais standards para modela¸c˜ao de dados, infraestrutura de partilha de dados soberana e uma camada de confian¸ca criptogr´afica e descentralizada. A viabilidade da arquitetura ´e validada atrav´es de uma abordagem experimental em duas partes. Primeiramente, uma Proof of Concept demonstra a viabilidade t´ecnica de uma das camadas da arquitetura, automatizando a agrega¸c˜ao e normaliza¸c˜ao de dados de fontes de Operational Technology e Information Technology. Em segundo lugar, uma Proof of Value baseada em cen´arios argumenta a favor da utilidade da arquitetura completa na viabiliza¸c˜ao de aplica¸c˜oes complexas de manufatura sustent´avel. A principal contribui¸c˜ao deste trabalho ´e, portanto, um modelo validado e prescritivo para a constru¸c˜ao dos ecossistemas de dados seguros, interoper´aveis e confi´aveis necess´arios para a economia circular orientada por dados.