ماذا تعني المحاكاة الأسرع بـ 1000X للتوائم الرقمية

منذ حوالي عقد من الزمن، اكتشف باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقنية تعمل على تسريع عملية النمذجة الفيزيائية بمقدار 1000X. لقد قاموا بتحويل ذلك إلى شركة جديدة تسمى Akselos، والتي كانت تساعد الشركات على نسج التكنولوجيا في أنواع مختلفة من المنتجات. التوائم الرقمية تستخدم لتحسين الشحن والتكرير وتوليد طاقة الرياح.

التوأم الرقمي هو تمثيل افتراضي لكائن أو نظام يمتد على مدى دورة حياته، ويتم تحديثه من البيانات في الوقت الفعلي، ويستخدم المحاكاة والتعلم الآلي والتفكير للمساعدة في اتخاذ القرار. تقوم أجهزة الاستشعار المتصلة الموجودة على الأصول المادية بجمع البيانات التي يمكن تعيينها على النموذج الافتراضي.

يعمل الابتكار المحدد على تحسين أداء خوارزميات تحليل العناصر المحدودة (FEA) التي تدعم معظم أنواع عمليات المحاكاة الفيزيائية. يمكن لخبرة Akselo على مدى العقد الماضي أن تساعد المديرين التنفيذيين على استكشاف الآثار المترتبة على تحسينات مليون مرة في محاكاة الفيزياء التي تعرضها Nvidia الآن بفضل التحسين في الأجهزة وقابلية التوسع والخوارزميات الجديدة.

التقت شركة VentureBeat مع الرئيس التنفيذي لشركة Akselo Thomas Leurent لشرح ما قد تعنيه هذه التحسينات الأوسع للصناعة ككل. على مستوى عالٍ، تعمل المحاكاة الأسرع على تسهيل مقارنة مفاضلات التصميم التي تؤدي إلى منتجات أكثر كفاءة، وتكلفة أقل، وأداء محسّن، وخوارزميات ذكاء اصطناعي أفضل. وتضمنت الفوائد العملية خفض وزن أبراج الرياح بمقدار ثلث وتحسين سلامة السفن النفطية.

دور المحاكاة في التحول الرقمي

التوائم الرقمية تشبه نمط التصميم أكثر من كونها تقنية. تقوم الشركات بتجميع الأجزاء المختلفة في حل، تمامًا كما هو الحال في بناء خط أنابيب البيانات. يقوم العديد من مزودي خدمات إدارة دورة الحياة (PLM) وبرامج البناء والموردين المتخصصين في الصناعة ببناء حافظات لدعم مجموعة واسعة من قدرات التوائم الرقمية بما في ذلك المحاكاة المادية. يمكّن محرك المحاكاة الأسرع الشركات من استكشاف طرق جديدة لدمج المحاكاة عبر التفكير والتصميم والمشتريات ومراحل تصميم منتجات أفضل ودفع التحول الرقمي.

Akselos هي أفضل منصة محاكاة مصممة لتحسين تحليل العناصر المحدودة، وهو عنصر حاسم في العديد من أنواع التحفيز البدني. اكتشف أكسيلوس كيفية تسريع الخوارزميات الأساسية حوالي 1000 مرة منذ حوالي عقد من الزمن. يستكشف جميع بائعي PLC وCAD الآخرين طرقًا للقيام بشيء مماثل.

ولكن كيف يمكن بالضبط أن يترجم تسريع المحاكاة بمقدار 1000 ضعف إلى قيمة تجارية، حيث أن المحاكاة ليست سوى جزء واحد من عملية تجارية وتقنية أكبر؟ ومن المرجح أن تستفيد شركات أخرى من تجارب Akselos أثناء قيامها ببناء البنية التحتية للمحاكاة الخاصة بها باستخدام مزيج من الأجهزة الأسرع أو الخوارزميات الأفضل أو كليهما. أصبحت وحدات معالجة الرسوميات أسرع بالفعل بمقدار 1000 مرة عما كانت عليه عندما بدأ هذا البحث، وعندما يتم دمجها مع تحسينات هامشية للخوارزميات، ستبحث الشركات عن طرق "لتضييع" دورات المحاكاة بشكل إبداعي لتحقيق المكاسب بطرق أخرى.

لقد اكتشف عملاء Akselo عدة طرق لترجمة عمليات المحاكاة الأسرع إلى قيمة تجارية. على سبيل المثال، اكتشفت شركة شل للنفط عملية تصميم أسرع لناقلة نفط متخصصة تبلغ قيمتها مليارات الدولارات، مما أدى إلى تقليل عدد نقاط الضعف في نفس الوقت. وقام عملاء آخرون بتخفيض المواد المستخدمة في توربينات الرياح بنسبة 30%.

ومن المرجح أن تشهد شركات أخرى أنواعًا مماثلة من المكاسب عندما تعيد التفكير في الطريقة التي يمكن بها تطبيق المحاكاة الأسرع على عملياتها الهندسية وعمليات النشر لأشياء مادية أخرى مثل المصانع والسيارات والأجهزة الطبية والمزيد.

VentureBeat: ما هو رأيك العام في بعض الطرق التي يمكن أن تؤدي بها التحسينات في تقنيات النمذجة والمحاكاة إلى تحسين استخدام التوائم الرقمية؟

توماس لوران: لا يمكن للتوائم الرقمية للأصول الصناعية الاستفادة إلا من استخدام أدوات محاكاة الهندسة الميكانيكية التي تم استخدامها لتصميمها في المقام الأول - وكلها تعتمد على تحليل العناصر المحدودة (FEA). تعتمد معايير العمليات الأكثر صرامة أيضًا على FEA من أجل تشغيل الأصول الحيوية مثل المصافي والسفن ومنصات النفط وما إلى ذلك. لكن FEA بطيء جدًا بحيث لا يمكن استخدامه للتوائم الرقمية في المرحلة التشغيلية. لذلك، كانت هناك حاجة إلى ترقية مرة واحدة في الجيل لتعزيز الخوارزميات الأساسية، لتمكين FEA من دعم حالات الاستخدام في الوقت الفعلي تقريبًا، والمعلمية، وتمكين الاتصال.

VentureBeat: ما هي المشكلة الكبيرة في تحليل العناصر المحدودة ذو الأساس المنخفض - ما هو أسرع بكثير من تقنيات النمذجة التقليدية؟

لوران: FEA هي في الواقع خوارزمية قديمة جدًا وغير فعالة. ويستخدم شبكات (على سبيل المثال، ملايين المثلثات أو رباعيات الأسطح) لتحديد هندسة الجزء. هذا جيّد. المشكلة هي أن FEA تقوم بتعيين درجات من الحرية لكل عقدة في الشبكة، وهذا في الواقع مبالغة كاملة. ينتهي الأمر بـ FEA إلى حل المشكلات في المساحات بملايين الأبعاد، وهو أمر مكلف للغاية ولا يمكن القيام به في الوقت الفعلي.

تدرك تقنية RB-FEA، وهي تقنية Akselos الرائدة، ذلك وتبحث عن السبب البروفيسور أ.ت. باتيرا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يطلق عليه "المشعب السفلي". هذا فضاء فرعي، أصغر بكثير من فضاء FEA الأصلي، ولا يزال كبيرًا بما يكفي لضمان تصرف المشكلة في ذلك الفضاء الفرعي.

نحن نطلق على ذلك مساحة RB، على أساس مخفض (حتى تلك المساحة الفرعية RB تعتبر مبالغة، لكنها أقل مبالغة بمقدار 1,000 مرة من مساحة FEA الأصلية). لقد قمنا بحل المشكلة في الفضاء الفرعي RB، والذي يعد أكثر كفاءة بمقدار 1,000 مرة، وبعد ذلك لدينا كل الرياضيات لإسقاطها مرة أخرى في الفضاء FEA الذي اعتاد عليه المهندسون والذي تعترف به المعايير. بالنسبة للمهندسين، هذا أمر يتسم بالشفافية حقًا - كل ما عليك هو الحصول على حسابات RB-FEA تعمل بسرعة البرق عندما كانت بطيئة مع FEA. من الناحية العملية، كل هذا يعني أن FEA مناسب لإجراء عمليات المحاكاة على مستوى الأجزاء الميكانيكية، لكنه يصل إلى مستوى أبعد من ذلك. يمكن لـ RB-FEA إجراء عمليات محاكاة كاملة الدقة على مستوى النظام وصولاً إلى مستوى الجزء الميكانيكي، دون الحاجة إلى نماذج فرعية. وهذا سير عمل محسّن إلى حد كبير.

VentureBeat: أين يشهد مقدمو خدمات المحاكاة أكبر استيعاب جديد لتقنية المحاكاة للتوائم الرقمية في عام 2021، وتحديدًا في أي الصناعات وأنواع المنتجات، ولماذا؟

لوران: تشمل الصناعتان اللتان نرى أنهما يولدان أقوى قوة الرياح البحرية والنفط والغاز. هناك نمو هائل في طاقة الرياح البحرية، حيث لم يتم بعد بناء أكثر من 95% من طاقتها لتحقيق أهداف صافي الطاقة الصفرية الصادرة عن الوكالة الدولية للطاقة لعام 2050. هناك طلب كبير على التكنولوجيا التي يمكنها إزالة المخاطر من تصميم وعمليات هياكل الرياح البحرية. تتيح المحاكاة الهندسية القوية باستخدام التوائم الرقمية للمطورين والمشغلين تحليل الآلاف من سيناريوهات "ماذا لو" في بيئة آمنة.

في التصميم، أظهرنا أنه يمكننا توفير ما يصل إلى 30% من النفقات الرأسمالية على المؤسسة من خلال التحسين المتقدم مع شريكنا لامبريل، وهناك المزيد من الإمكانات. في العمليات، نحن المزود التكنولوجي الوحيد القادر على تحليل السلامة الهيكلية وصولاً إلى مستوى السنتيمتر المربع. يعد هذا التوأم الرقمي التشغيلي إنجازًا مطلقًا للمشغلين، لأنه يوفر معلومات قابلة للتنفيذ حول عدد المرات التي يجب عليهم فيها فحص أجزاء الهيكل.

إن تحول الطاقة يجعل شركات النفط والغاز الكبرى تعيد تقييم قرارات الاستثمار الرئيسية وتدفع نحو إيجاد طرق لتحقيق أقصى استفادة من الأصول الحالية. ويتطلب ذلك وضع توائم رقمية هيكلية في بيئة تشغيلية. توفر النماذج التفصيلية للغاية التي توفرها المحاكاة الهندسية المتقدمة طريقة آمنة وفعالة لفهم سلوك الأصول/المعدات وإطالة عمرها الافتراضي.

VentureBeat: ما هي بعض أنواع حالات الاستخدام التي شهدت فيها فوائد كبيرة مقارنة بأساليب النمذجة والمحاكاة التقليدية؟

لوران: لقد قمنا بضغط ما كان في السابق عبارة عن سير عمل مدته ستة أشهر لتحليل قوارب التخزين والتفريغ العائمة التابعة لشركة Shell، في أقل من 48 ساعة، مع زيادة الدقة بمقدار 10 أضعاف.

تشمل الأمثلة الأخرى لحالات الاستخدام التقييم الذاتي للأضرار الهيكلية أثناء الطيران بواسطة طائرة بدون طيار أو طائرة. ثم بالطبع الرياح البحرية. ستساعد هذه التكنولوجيا في تقليل تكلفة الرياح البحرية بشكل كبير. بمجرد إطلاق الرياح البحرية العائمة بشكل خاص، والتي تشكل أحد أكبر مصادر الطاقة المتجددة على وجه الأرض.

VentureBeat: هل يمكنك إطلاعنا على كيفية ظهور هذه الأنواع من الفوائد في الممارسة العملية - على سبيل المثال، كيف يمكن ترجمة التقدم في أداء النمذجة بمقدار 1000X إلى فوائد عملية، مثل تقليل كمية المواد في منصة توربينات الرياح وتكلفتها الإجمالية؟

لوران: نتج عن RB-FEA بعض الأصول الأكبر (والأكثر تعقيدًا) على هذا الكوكب، مثل سفينة بونجا العائمة للإنتاج والتخزين والتفريغ التابعة لشركة شل، والتي تتمتع بتوأم رقمي يعتمد على الفيزياء (مع مراعاة المتغيرات مثل إجهاد الهيكل وتحميل الخزانات والأمواج) ومتوافقة مع المعايير. حصل هذا على جائزة أفضل ورقة بحثية في مؤتمر التكنولوجيا البحرية 2021. ويدعم خط إنتاج Akselos حماية 7 مليارات دولار (سنويًا) من إنتاج معادل النفط.

توأم رقمي مع تخفيض RB-FEA بنسبة 30% في تكلفة الفحص على FPSO، ولكن الأهم من ذلك هو البحث في المكان المناسب عن الأصول الضخمة واكتشاف العيوب مبكرًا لتجنب المشكلات الكبيرة. في Bonga FPSO، أدت ميزة الدقة المتزايدة إلى تقليل 15,000 موقع إرهاق من الدرجة الأولى إلى 230 نقطة إجهاد حقيقية في المواقع الأكثر أهمية. وهذا يمثل قيمة هائلة للمشغل، حيث أصبح لديه الآن معلومات قابلة للتنفيذ لتوجيه أنشطة الفحص والصيانة حيثما تكون أكثر أهمية.

إن فوائد الرياح البحرية لها إمكانات متساوية، إن لم تكن أكثر. على سبيل المثال، من ناحية التصميم، عملنا مع شركة Lamprell لتقليل كمية الفولاذ في أسس الرياح البحرية بنسبة تصل إلى 30%. وهذا ليس له فوائد مباشرة من خلال انخفاض تكلفة المواد فحسب، بل هناك أيضًا تأثيرات غير مباشرة كبيرة جدًا عندما تفكر في كمية اللحام اللازمة لوضع الأساس معًا بالإضافة إلى النقل.

عندما يتم تفعيل التصميم الأمثل داخل العمليات، وبشكل حاسم بالنسبة لمزارع الرياح، يكون التأثير هو زيادة السرعة بمقدار 1000 مرة. وهذا يعني أنه يمكن للمشغل اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن موعد تنفيذ الصيانة، وكيفية ضبط نافذة التشغيل للتوربين لتجنب فشل الأساس إذا كانت فرصة الصيانة التالية بعيدة بعض الوقت.

تتضاعف الفوائد بشكل أكبر بالنسبة للرياح البحرية العائمة، حيث تتمتع الأساس والتوربينات بتحميل أكثر ديناميكية. وستكون هذه الأنواع من المكاسب حاسمة في خفض التكلفة المستوية للطاقة (LCOE)، وهي مقياس القيادة في الرياح العائمة. ولكي يتمكن العالم من تلبية خريطة الطريق التي وضعتها وكالة الطاقة الدولية، فإن هذا النوع من المكاسب يشكل ضرورة مطلقة.

VentureBeat: كيف تتوقع أن يتطور استخدام وقدرات تقنيات المحاكاة الأفضل مثل RB-FEA والأساليب ذات الصلة في المستقبل القريب، لا سيما فيما يتعلق بتحسين سير العمل الرقمي المرتبط بالتوأم؟

لوران: إن فهم السلامة الهيكلية للأصل في الوقت الفعلي يعد بمثابة تغيير في قواعد اللعبة بالنسبة إلى:

• العمليات الأمثل
• إطالة عمر الأصول
• التصميم أثناء التشغيل (تصميم الجيل التالي من الأصول استنادًا إلى البيانات الناتجة عن التوأم الرقمي)

واليوم، يتم نشر توائم Akselo الرقمية على أصول تبلغ قيمتها مليارات الدولارات على مستوى العالم. وهذا يعبر أصول النفط والغاز القديمة المعقدة (وفي معظم الحالات القديمة) إلى النماذج الأولية المتطورة في الرياح العائمة.

نحن نعمل على جعل البرنامج أكثر واقعية، وفي بعض الحالات، يقوم توأمنا الرقمي المعتمد على الفيزياء بتفسير البيانات الجديدة في كل ثانية. تتيح هذه السرعة أيضًا الجمع بين الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي وعمليات المحاكاة القائمة على الفيزياء، وهو ما سيغير قواعد اللعبة ويحمل إمكانات هائلة. وهذا ما أكسبنا جائزة AIAA لأفضل ورقة لعام 2020 لتحسين التصميم متعدد التخصصات. هنا يوفر RB-FEA مجموعة بيانات أكثر ثراءً وأرخص وأكثر دقة.

يعمل الفريق أيضًا على التقاط المزيد والمزيد من الفيزياء (الفيزياء المتعددة والفيزياء غير الخطية على سبيل المثال). ونحن نعمل على ميزات قوية جدًا لـ RB-FEA للتصميم الأمثل، بما في ذلك إمكانية إعادة هندسة نظام توربينات الرياح بالكامل بناءً على ترقيات المواد، أو أفكار التصميم الجديدة في غضون أسابيع.

VentureBeat: ما هي أهم النصائح التي يمكنك تقديمها للشركات الأخرى التي قد تستكشف طرقًا للاستفادة من تحسينات المحاكاة بفضل اتجاهات الصناعة بشكل عام؟ 

لوران: ربما يكون الشيء الأكثر أهمية هو دفع خيال ما هو ممكن. في عالم متزايد الاستشعار والروبوتات، أصبحت تكنولوجيا المحاكاة أداة قوية بشكل متزايد لتوليد ميزة تنافسية. على سبيل المثال، يمكننا البدء في تشغيل وتحسين مزارع الرياح على أساس كل توربين على حدة. يمكن أن تساعد البيانات المستمدة من طائرات الفحص بدون طيار وأجهزة الاستشعار الموجودة على التوربينات في إجراء تقييمات صحية لكل توربين وتمكين المشغلين من اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن مدى صعوبة تشغيل كل توربين اعتمادًا على سعر الطاقة (لا فائدة من تشغيل توربين بسرعة عالية إذا كان ذلك يكلف "استهلاك الحياة" أكثر من الإيرادات التي تدرها).

في مجال الصناعات التحويلية للنفط والغاز، نقوم بإجراء تحليل في الوقت الفعلي تقريبًا لمساعدة عملائنا على توفير الوقت من المسار الحرج وزيادة وقت التشغيل، وبدون تقنية المحاكاة، لن يكون هذا ممكنًا.

في النهاية، إذا كنت مالكًا للأصول، فأعتقد أنه سيكون من الضروري التفكير في كيفية دمج مصادر البيانات والأدوات المختلفة معها تكنولوجيا المحاكاة لتحقيق نتائج أعمال أفضل. لم يكن هذا في ذهنهم لأن قوة المحاكاة لم تكن قوية بما يكفي لاستخدامها في إعدادات التشغيل في الوقت الفعلي تقريبًا، ولكن هذا تغير الآن بشكل كبير.

المصدر: https://venturebeat.com/2022/01/05/what-1000-x-faster-simulation-means-for-digital-twins/