تلفیق دوقلوی دیجیتال و شبکه عصبی فراگراف برای استقرار پایدار خدمات اینترنت اشیا در محاسبات لبه: رویکردی چندهدفه در راستای اکولوژی انسانی

نوع مقاله : مقاله مستخرج از رساله دکتری

نویسندگان
1 گروه مهندسی کامپیوتر، واحد یاسوج، دانشگاه آزاد اسلامی، یاسوج، ایران.
2 گروه مهندسی کامپیوتر، واحد یاسوج، دانشگاه آزاد اسلامی، یاسوج، ایران
چکیده
رشد شتابان اینترنت اشیا و افزایش حجم داده‌های تولیدشده در محیط‌های شهری، ضرورت پردازش نزدیک به منبع داده را اجتناب‌ناپذیر ساخته است. محاسبات لبه به‌عنوان راهکاری در تقاطع مهندسی نرم‌افزار و اکولوژی انسانی، با نزدیک‌سازی منابع محاسباتی به دستگاه‌های انتهایی، امکان کاهش تأخیر و مصرف انرژی را فراهم می‌آورد. بااین‌حال، استقرار کارآمد سرویس‌های اینترنت اشیا در محیط‌های لبه به‌دلیل بارهای کاری پویا، منابع ناهمگون و محدودیت‌های فزاینده پایداری، به یک چالش اساسی تبدیل شده است. این پژوهش با هدف طراحی و ارزیابی دو چارچوب نوین برای استقرار پایدار سرویس اینترنت اشیا در اکوسیستم‌های لبه-ابر-اینترنت‌اشیا انجام شد. چارچوب اول با نام EcoTwin-Deploy، یک معماری استقرار سرویس چندهدفی با کمک فناوری دوقلوی دیجیتال است که با موتور بهینه‌سازی AKG-NSGAIII یکپارچه شده است تا استقرار سرویس را به‌صورت پیش‌بینانه و پایدار امکان‌پذیر سازد. چارچوب دوم با نام HyperGraphDeploy، یک چارچوب بهینه‌سازی چندهدفی مبتنی بر شبکه عصبی فراگراف است که از ساختارهای فراگراف برای بازنمایی روابط پیچیده چند-به-چند استفاده می‌کند. ارزیابی تجربی جامع نشان می‌دهد که EcoTwin-Deploy در مقایسه با روش مبنا QIAVOA-SP به بهبود ۱۳/۶۴ درصدی در مصرف انرژی، ۱۶/۱۷ درصدی در تأخیر سرویس، ۱۹/۲۷ درصدی در توازن بار و ۲۰/۷۱ درصدی در زمان اجرا دست می‌یابد. آزمون آماری فریدمن با آماره ۹۷/۴۲ و مقدار p کمتر از ۰/۰۰۰۱ برتری آماری معنادار این چارچوب را با میانگین رتبه ۱/۳۸ در میان ۹ الگوریتم رقیب تأیید می‌کند. همچنین، HyperGraphDeploy در مقایسه با D-POA به بهبود ۱/۳۳ درصدی در اتصال‌پذیری، ۰/۹۱ درصدی در پوشش، ۲۰/۹۷ درصدی در زمان سازگاری، ۱۹/۰۴ درصدی در هزینه جابه‌جایی و ۳۳/۳ درصدی در نرخ نقض SLA دست می‌یابد. در سناریوی ۱۰۰۰ گره، این چارچوب زمان اجرا را ۱۸/۷ درصد و مصرف حافظه را ۲۶/۰ درصد کاهش می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که یکپارچه‌سازی هوش پیش‌بینانه و ساختاری با بهینه‌سازی چندهدفه می‌تواند کیفیت استقرار سرویس اینترنت اشیا را در اکوسیستم‌های پیچیده لبه-ابر-اینترنت‌اشیا بهبود بخشد و به پایداری زیست‌محیطی در محیط‌های شهری کمک کند. یافته‌های این پژوهش می‌تواند برای برنامه‌ریزان شهری، سازمان‌های محیط زیست و پژوهشگران حوزه اکولوژی انسانی مفید باشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Integrating Digital Twin and Hypergraph Neural Network for Sustainable IoT Service Placement in Edge Computing: A Multi-Objective Approach Toward Human Ecology

نویسندگان English

Tahereh Etehadnezhad 1
Razieh Malekhosseini 2
Karamollah Bagherifard 1
S. Hadi Yaghoubyan 1
1 Department of Computer Engineering, Yas., C., Islamic Azad University, Yasuj, Iran.
2 Department of Computer Engineering, Yas. C., Islamic Azad University, Yasuj, Iran.
چکیده English

This study aims to design and evaluate two novel frameworks for sustainable IoT service placement in edge-cloud-IoT ecosystems, both focusing on reducing energy consumption, carbon emissions, and environmental costs. This is an applied-developmental study with a quantitative approach. The first framework, named EcoTwin-Deploy, is a multi-objective service placement architecture assisted by Digital Twin technology, integrated with the AKG-NSGAIII optimization engine to enable proactive and sustainable service placement. By leveraging future condition prediction, this framework minimizes latency, energy consumption, deployment cost, and carbon emissions while maximizing reliability. The second framework, named HyperGraphDeploy, is a multi-objective optimization framework based on Hypergraph Neural Networks (HGNN) that employs hypergraph structures to represent complex many-to-many relationships among IoT devices, edge nodes, cloud resources, and service chains. By integrating structural representation learning with the HG-MaOEA evolutionary optimizer, this framework simultaneously optimizes seven objectives including latency, energy, cost, reliability, carbon footprint, load balancing, and migration overhead. Comprehensive experimental evaluation was conducted in MATLAB R2024a simulation environment, with all competing algorithms executed under identical system configurations, similar workload distributions, and equal network assumptions.Results showed that EcoTwin-Deploy achieved improvements of 13.64% in energy consumption, 16.17% in service latency, 19.27% in load balancing, 20.71% in execution time, and 28.30% in convergence time compared to the QIAVOA-SP baseline. The Friedman statistical test with a statistic of 97.42 and a p-value less than 0.0001 confirmed the statistically significant superiority of this framework with an average rank of 1.38 among 9 competing algorithms. Module removal study showed that the Digital Twin prediction module has the largest contribution to performance improvement, as its removal leads to an 11.86% increase in latency and a 13.75% increase in load balancing. Furthermore, HyperGraphDeploy achieved improvements of 1.33% in connectivity, 0.91% in coverage, 20.97% in adaptation time, 19.04% in movement cost, 10.2% in latency, and 33.3% in SLA violation rate compared to D-POA. In a 1000-node scenario, this framework reduced execution time by 18.7% and memory consumption by 26.0%. The Wilcoxon statistical test confirmed the statistically significant superiority of HyperGraphDeploy at a 95% confidence level. The results demonstrate that integrating predictive and structural intelligence with multi-objective optimization can improve IoT service placement quality in complex edge-cloud-IoT ecosystems and contribute to environmental sustainability in urban environments. From a human ecology perspective, these frameworks are not merely technical achievements but mediators in the human-environment relationship that can help reduce the ecological footprint of technology and promote urban health. The findings can be useful for urban planners, environmental organizations, and researchers in the field of human ecology.

کلیدواژه‌ها English

Service Placement
Edge Computing
Internet of Things
Digital Twin
Environmental Sustainability

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 20 مهر 1405