Digital twins management with blockchain technology : a case study for a new protocol implementation

Digital twin technology is a relatively new concept that has gained significant attention and traction in recent years. A digital twin is a virtual replica of a physical object, process, or system, bidirectionally connected to the physical counterpart, called physical twin. The fundamental principle of a perfect digital twin is that any information that would be available inspecting the physical twin is also available through the digital twin diagnosis and prognosis capability. A system difficult or impossible to be physically inspected, such as a vehicle in a space mission, can be inspected through its digital twin and input given to change the digital twin state will be reflected on the physical twin. Digital twins are powerful instruments but security problems linked to the data integrity of the digital models have to be taken into account. A malicious tampering of a digital twin may cause completely inaccurate and misleading predictions of its physical counterpart state, leading to serious security problems and potential mission failure. Blockchain is a new technology that can be used to solve this security issue. Blockchain is a type of distributed ledger technology in which a common ledger, structured as a chain of blocks, is shared among network participants. Participants form a network of interconnected machines that runs state-replication software to ensure the state saved in each machine is the same. Data stored in a (decentralized) blockchain are tampering resistant since participants can compare their ledgers and detect if a ledger version is fake or not. A blockchain framework will be proposed for the management of the life-cycle of digital twins taking as an example a digital twin realized by the author from a conceptual case study of a composite plate with embedded sensors subjected to tensile load. A basic digital twin based on a neural network has been realized for the structural health monitoring of the plate, considered potentially damaged by accidental damages. The resulting model will be stored in a custom blockchain which implements a protocol developed by the author that allows the distributed training of neural-network-based digital twins over authorized blockchain nodes with automatic update of the digital twin state stored in the blockchain.

La tecnologia digital twin è un concetto relativamente nuovo che ha ottenuto molta attenzione negli ultimi anni. Un gemello digitale è una replica virtuale di un oggetto, processo o sistema, connesso bidirezionalmente alla controparte fisica, chiamata gemello fisico. Il princio fondamentale alla base di un digital twin perfetto è che qualsiasi informazione ottenibile ispezionando il gemello fisico è anche disponibile tramite l'ispezione del gemello digitale e le sue capacità di diagnostica e prognostica. Un sistema difficile o impossibile da ispezionare fisicamente, come ad esempio un veicolo in una missione spaziale, può essere ispezionabile tramite il suo gemello digitale; qualsiasi input dato per modificare lo stato del digital twin si rifletterà sul gemello fisico. I digital twin sono strumenti molto potenti, ma vanno tenuti in considerazione problemi di sicurezza sull'integrità dei dati di questi modelli. Una manomissione del digital twin potrebbe comportare predizioni completamente inaccurate o fuorvianti sulla controparte fisica che potrebbero portare a importanti problemi di sicurezza o catastrofico fallimento della missione. La tecnologia Blockchain è un nuovo tipo di tecnologia che può essere usata per risolvere questi problemi di sicurezza. Blockchain è un tipo di Distributed Ledger Technology in cui un registro comune, strutturato in una catena di blocchi, viene condiviso tra i partecipanti alla rete. I partecipanti formano una rete di macchine interconnesse che utilizzano un software di replicazione dello stato in modo che lo stato di ogni macchina sia uguale. I dati salvati in una blockchain (decentralizzata) sono resistenti alla manomissione perchè i partecipanti alla rete possono verificare l'integrità dei dati comparando i loro registri e dedurre se un registro è stato manomesso. Un'applicazione blockchain viene proposta per la gestione del ciclo di vita dei digital twin. Viene preso come esempio un digital twin realizzato dall'autore basato su un caso studio di una piastra in composito, potenzialmente danneggiata, della quale si ricava un digital twin basato su rete neurale per il monitoraggio strutturale. Il modello risultante viene gestito da una blockchain che implementa un protocollo sviluppato dall'autore per il training distribuito di gemelli digitali basati su reti naurali con aggiornamento automatico delle modifiche nello stato della blockchain.