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Tipo: Tese
Título: A microservices-based software architecture for building flexible smart city platforms
Autor(es): Pereira, Danne Makleyston Gomes
Orientador: Brayner, Ângelo Roncalli Alencar
Palavras-chave em português: Cidade inteligente;Arquitetura de software;Microserviços;Plataforma de cidades inteligentes
Palavras-chave em inglês: Smart city;Software architecture;Microservices;Smart city platform
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
Data do documento: 2025
Citação: PEREIRA, Danne Makleyston Gomes. A microservices-based software architecture for building flexible smart city platforms. 2025. 176 f. Tese (Doutorado em Ciência da Computação) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: Uma cidade inteligente integra dados de diversos subdomínios para oferecer serviços inteligentes, melhorando a gestão dos recursos urbanos e a vida diária dos cidadãos. Tecnologias como TIC, IoT, big data e IA possibilitam esse gerenciamento de dados, apoiado por plataformas de software. No entanto, além dos desafios usuais das plataformas de software, o desenvolvimento de uma plataforma para cidade inteligente enfrenta questões como heterogeneidade de recursos, flexibilidade, eficiência da IA, processamento rápido de dados e baixa latência. Este trabalho propõe uma plataforma orientada a microsserviços e centrada em dados, com uma arquitetura em três camadas (edge, fog, cloud), para lidar com essas questões. Essa abordagem melhora a flexibilidade, escalabilidade e o gerenciamento da latência, garantindo uma solução eficiente e responsiva para cidades inteligentes. As principais contribuições deste trabalho incluem: identificar funcionalidades essenciais para plataformas de cidades inteligentes, analisar soluções existentes, especificar uma arquitetura de referência, implementar um protótipo e conduzir avaliações de desempenho. Inicialmente, realizamos uma Revisão Sistemática da Literatura (RSL) para compreender o estado da arte, identificando as tecnologias habilitadoras atuais, os requisitos essenciais das plataformas de software e questões abertas relevantes. Com base nisso, apresentamos o UFCity, uma arquitetura de software projetada para atender a essas demandas. Analisamos um protótipo baseado no UFCity tanto qualitativa (cenários de caso de uso) quanto quantitativamente (Desenho Experimental 33). Nos cenários de caso de uso, observamos uma redução no número de trocas de mensagens e no uso de largura de banda da rede devido ao processamento distribuído de dados pelas camadas da solução. Além disso, os mecanismos semânticos e o middleware IoT lidaram de forma eficiente com a heterogeneidade dos recursos. Nesses cenários, identificamos diversos requisitos funcionais listados neste trabalho. Na análise quantitativa, constatamos um desempenho consistente de throughput nos nós de computação fog, mesmo em situações de sobrecarga de mensagens. Desta forma, este trabalho demonstra que o UFCity atende aos requisitos essenciais de uma plataforma para cidade inteligente e apresenta alto desempenho de execução, estabelecendo-se como uma solução vantajosa em comparação às propostas na literatura.
Abstract: A smart city integrates data from various subdomains to offer intelligent services, improving city resource management and citizens’ daily lives. Technologies such as ICT, IoT, big data, and AI enable this data management, which is supported by software platforms. However, in addition to the usual challenges of software platforms, developing a smart city platform faces issues such as resource heterogeneity, flexibility, AI efficiency, fast data processing, and low latency. This work proposes a microservice-oriented, data-centric platform with a three-layer architecture (edge, fog, cloud) to address these issues. This approach improves flexibility, scalability, and latency management, ensuring a responsive and efficient solution for smart cities. Semantic annotation mechanisms in the fog layer resolve data heterogeneity, enabling data exchanges using semantic values. This work’s main contributions include identifying essential functionalities for smart city platforms, analyzing existing solutions, specifying a reference architecture, implementing a prototype, and conducting performance evaluations. Initially, we conducted a Systematic Literature Review (SLR) to understand the state of the art, identifying the current enabling technologies, essential software platform requirements, and relevant open issues. Based on this, we introduce UFCity, a software architecture designed to meet such demands. We analyzed a UFCity-based prototype both qualitatively (use case scenarios) and quantitatively (Experimental Design 33). In the use case scenarios, we observed a reduction in the number of message exchanges and network bandwidth usage due to distributed data processing across solution layers. Furthermore, semantic mechanisms and IoT middleware efficiently handled resource heterogeneity. In these use case scenarios, we identified several functional requirements listed in this work. In quantitative analysis, we found consistent throughput in fog computing nodes even with message overload. Thus, this work demonstrates that UFCity meets the essential requirements of a smart city platform and exhibits high execution performance, establishing itself as an advantageous olution compared to those proposed in the literature.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84292
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0002-8260-5382
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/2002489019346835
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/3895469714548887
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DCOMP - Teses defendidas na UFC

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