Τι σημαίνει 1000-X ταχύτερη προσομοίωση για ψηφιακά δίδυμα

Πριν από περίπου μια δεκαετία, ερευνητές του MIT ανακάλυψαν μια τεχνική που επιταχύνει τη μοντελοποίηση της φυσικής κατά 1000x. Το δημιούργησαν μια νέα εταιρεία, που ονομάζεται Akselos, η οποία βοηθά τις επιχειρήσεις να συνδυάσουν την τεχνολογία σε διάφορα είδη ψηφιακά δίδυμα χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της ναυτιλίας, της διύλισης και της παραγωγής αιολικής ενέργειας.

Ένα ψηφιακό δίδυμο είναι μια εικονική αναπαράσταση ενός αντικειμένου ή συστήματος που εκτείνεται στον κύκλο ζωής του, ενημερώνεται από δεδομένα σε πραγματικό χρόνο και χρησιμοποιεί προσομοίωση, μηχανική μάθηση και συλλογισμό για να βοηθήσει στη λήψη αποφάσεων. Οι συνδεδεμένοι αισθητήρες στο φυσικό στοιχείο συλλέγουν δεδομένα που μπορούν να αντιστοιχιστούν στο εικονικό μοντέλο.

Η συγκεκριμένη καινοτομία βελτιώνει την απόδοση των αλγορίθμων ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (FEA) που στηρίζουν τους περισσότερους τύπους προσομοιώσεων φυσικής. Η εμπειρία του Akselos την τελευταία δεκαετία μπορεί να βοηθήσει τα στελέχη να διερευνήσουν τις επιπτώσεις του εκατομμυριοπλάσιες βελτιώσεις στην προσομοίωση φυσικής που επιδεικνύει τώρα η Nvidia χάρη στη βελτίωση του υλικού, της επεκτασιμότητας και των νέων αλγορίθμων.

Η VentureBeat επικοινώνησε με τον Διευθύνοντα Σύμβουλο της Akselos, Thomas Leurent, για να εξηγήσει τι μπορεί να σημαίνουν αυτές οι ευρύτερες βελτιώσεις για τον κλάδο συνολικά. Σε υψηλό επίπεδο, η ταχύτερη προσομοίωση καθιστά ευκολότερη τη σύγκριση των ανταλλαγών σχεδιασμού που οδηγούν σε πιο αποτελεσματικά προϊόντα, μειωμένο κόστος, βελτιωμένη απόδοση και καλύτερους αλγόριθμους τεχνητής νοημοσύνης. Τα πρακτικά οφέλη περιλαμβάνουν το κόψιμο του 1/3 του βάρους των ανεμογεννητριών και τη βελτίωση της ασφάλειας των πλοίων πετρελαίου.

Ο ρόλος της προσομοίωσης στον ψηφιακό μετασχηματισμό

Τα ψηφιακά δίδυμα μοιάζουν περισσότερο με μοτίβο σχεδίασης παρά με τεχνολογία. Οι επιχειρήσεις συναρμολογούν τα διάφορα κομμάτια σε μια λύση, όπως ακριβώς συμβαίνει με την κατασκευή ενός αγωγού δεδομένων. Διάφορα PLM, κατασκευαστικά λογισμικά και προμηθευτές ειδικοί για τον κλάδο δημιουργούν χαρτοφυλάκια για να υποστηρίξουν ένα ευρύτερο φάσμα δυνατοτήτων ψηφιακών διδύμων, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής προσομοίωσης. Ένας ταχύτερος μηχανισμός προσομοίωσης επιτρέπει στις εταιρείες να εξερευνήσουν νέους τρόπους για να εμπλουτίσουν την προσομοίωση στους ιδεασμούς, το σχεδιασμό, τις προμήθειες, τις φάσεις που σχεδιάζουν καλύτερα προϊόντα και τον ψηφιακό μετασχηματισμό.

Το Akselos είναι μια κορυφαία πλατφόρμα προσομοίωσης σχεδιασμένη να βελτιώνει την ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων, ένα κρίσιμο συστατικό πολλών τύπων σωματικής διέγερσης. Ο Akselos ανακάλυψε πώς να επιταχύνει τους βασικούς αλγόριθμους περίπου 1000 φορές πριν από περίπου μια δεκαετία. Όλοι οι άλλοι προμηθευτές PLC και CAD διερευνούν τρόπους για να κάνουν κάτι παρόμοιο.

Αλλά πώς ακριβώς μεταφράζεται μια 1000πλάσια επιτάχυνση στην προσομοίωση σε επιχειρηματική αξία, αφού η προσομοίωση δεν είναι παρά ένα μέρος μιας ευρύτερης επιχειρηματικής και τεχνικής διαδικασίας; Άλλες εταιρείες είναι πιθανό να επωφεληθούν από τις εμπειρίες του Akselos καθώς χτίζουν την υποδομή προσομοίωσής τους χρησιμοποιώντας κάποιο συνδυασμό ταχύτερου υλικού, καλύτερων αλγορίθμων ή και των δύο. Οι GPU είναι ήδη 1000 φορές πιο γρήγορες από ό,τι όταν ξεκίνησε αυτή η έρευνα, και όταν συνδυάζονται με έστω και οριακές βελτιώσεις αλγορίθμων, οι εταιρείες θα αναζητήσουν τρόπους δημιουργικής «σπατάλης» των κύκλων προσομοίωσης για να δουν κέρδη με άλλους τρόπους.

Οι πελάτες της Akselos έχουν ανακαλύψει διάφορους τρόπους για να μεταφράσουν ταχύτερες προσομοιώσεις σε επιχειρηματική αξία. Για παράδειγμα, η Shell Oil ανακάλυψε μια ταχύτερη διαδικασία σχεδιασμού για ένα εξειδικευμένο πετρελαιοφόρο πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων, το οποίο μείωσε τον αριθμό των αδύναμων σημείων ταυτόχρονα. Άλλοι πελάτες μείωσαν το υλικό σε μια ανεμογεννήτρια κατά 30%.

Άλλες εταιρείες είναι πιθανό να δουν παρόμοια είδη κερδών καθώς αναθεωρούν τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να εφαρμοστεί ταχύτερη προσομοίωση στη μηχανική και την εγκατάστασή τους για άλλα φυσικά πράγματα, όπως εργοστάσια, αυτοκίνητα, ιατρικές συσκευές και άλλα.

VentureBeat: Ποια είναι η γενική σας άποψη για μερικούς από τους τρόπους με τους οποίους οι βελτιώσεις στις τεχνικές μοντελοποίησης και προσομοίωσης θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη χρήση των ψηφιακών διδύμων;

Thomas Leurent: Τα ψηφιακά δίδυμα για βιομηχανικά περιουσιακά στοιχεία μπορούν να επωφεληθούν μόνο από τη χρήση των εργαλείων προσομοίωσης μηχανικής μηχανικής που χρησιμοποιήθηκαν για τον σχεδιασμό τους στην πρώτη θέση — και όλα αυτά βασίζονται στην ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA). Τα πιο αυστηρά πρότυπα για τις λειτουργίες βασίζονται επίσης στη FEA προκειμένου να λειτουργούν κρίσιμα περιουσιακά στοιχεία, όπως διυλιστήρια, πλοία, εξέδρες άντλησης πετρελαίου κ.λπ. Ως εκ τούτου, χρειαζόταν μια αναβάθμιση μία φορά σε μια γενιά για την ενίσχυση των βασικών αλγορίθμων, για να μπορέσει η FEA να υποστηρίζει περιπτώσεις χρήσης σχεδόν σε πραγματικό χρόνο, παραμετρικές και συνδεσιμότητας.

VentureBeat: Ποια είναι η μεγάλη υπόθεση με την ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων μειωμένης βάσης – τι είναι τόσο πιο γρήγορη από τις παραδοσιακές τεχνικές μοντελοποίησης;

Leurent: Ο FEA είναι στην πραγματικότητα ένας πολύ παλιός και αναποτελεσματικός αλγόριθμος. Χρησιμοποιεί πλέγματα (π.χ. εκατομμύρια τρίγωνα ή τετράεδρα) για να ορίσει τη γεωμετρία ενός τμήματος. Είναι εντάξει. Το πρόβλημα είναι ότι η FEA εκχωρεί βαθμούς ελευθερίας σε κάθε κόμβο στο πλέγμα, και αυτό είναι στην πραγματικότητα πλήρης υπερβολή. Η FEA καταλήγει να λύνει προβλήματα σε χώρους με εκατομμύρια διαστάσεις, κάτι που είναι πολύ ακριβό και δεν μπορεί να γίνει σε πραγματικό χρόνο.

Η RB-FEA, η πρωτοποριακή τεχνολογία της Akselos, το καταλαβαίνει και ψάχνει τι Καθ. Α.Τ. Πατέρα στο MIT καλεί «η πολλαπλή από κάτω». Αυτός είναι ένας υποχώρος, πολύ μικρότερος από τον αρχικό χώρο FEA και εξακολουθεί να είναι αρκετά μεγάλος ώστε να εγγυάται ότι το πρόβλημα συμπεριφέρεται σε αυτόν τον υποχώρο.

Αυτό το ονομάζουμε χώρο RB, για μειωμένη βάση (ακόμη και αυτός ο υποχώρος RB είναι υπερβολικός, αλλά είναι 1,000 φορές μικρότερος υπερκείμενος από τον αρχικό χώρο FEA). Επιλύουμε το πρόβλημα στον υποχώρο RB, ο οποίος είναι 1,000 φορές πιο αποτελεσματικός και, στη συνέχεια, έχουμε όλα τα μαθηματικά να προβάλουμε πίσω στον χώρο FEA που έχουν συνηθίσει οι μηχανικοί και που αναγνωρίζουν τα πρότυπα. Για τους μηχανικούς αυτό είναι πραγματικά διαφανές — απλά λαμβάνετε τους υπολογισμούς RB-FEA να εκτελούνται με ταχύτητα αστραπής όταν ήταν αργοί με το FEA. Στην πράξη, όλα αυτά σημαίνουν ότι το FEA είναι κατάλληλο για την εκτέλεση προσομοιώσεων σε επίπεδο μηχανικού εξαρτήματος, αλλά χτυπά σε έναν τοίχο πέρα ​​από αυτό. Το RB-FEA μπορεί να εκτελέσει προσομοιώσεις πλήρους ακρίβειας σε επίπεδο συστήματος και μέχρι το επίπεδο μηχανικών εξαρτημάτων, χωρίς την ανάγκη υπομοντέλων. Αυτή είναι μια πολύ βελτιωμένη ροή εργασίας.

VentureBeat: Πού βλέπουν οι πάροχοι προσομοίωσης τη μεγαλύτερη νέα υιοθέτηση το 2021 τεχνολογίας προσομοίωσης για ψηφιακά δίδυμα, συγκεκριμένα σε ποιους κλάδους και σε ποιους τύπους προϊόντων και γιατί;

Leurent: Οι δύο βιομηχανίες που βλέπουμε να παράγουν τη μεγαλύτερη έλξη περιλαμβάνουν την υπεράκτια αιολική ενέργεια και το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Υπάρχει τεράστια ανάπτυξη στην υπεράκτια αιολική ενέργεια με πάνω από το 95% της δυναμικότητας να έχει ακόμη κατασκευαστεί για να επιτευχθούν οι στόχοι του IEA 2050. Υπάρχει σημαντική ζήτηση για τεχνολογία που μπορεί να αποβάλει τον κίνδυνο τόσο του σχεδιασμού όσο και των λειτουργιών υπεράκτιων αιολικών κατασκευών. Η ισχυρή μηχανική προσομοίωση χρησιμοποιώντας ψηφιακά δίδυμα επιτρέπει σε προγραμματιστές και χειριστές να αναλύσουν χιλιάδες σενάρια «τι θα γινόταν αν» σε ένα ασφαλές περιβάλλον.

Στον σχεδιασμό, δείξαμε ότι μπορούμε να επιτρέψουμε έως και 30% εξοικονόμηση κεφαλαίου στη βάση μέσω προηγμένης βελτιστοποίησης με τον συνεργάτη μας Lamprell, και υπάρχουν περισσότερες δυνατότητες. Στις επιχειρήσεις, είμαστε ο μόνος πάροχος τεχνολογίας που είναι σε θέση να αναλύσει τη δομική υγεία μέχρι το επίπεδο τετραγωνικών εκατοστών. Αυτό το λειτουργικό ψηφιακό δίδυμο είναι μια απόλυτη καινοτομία για τους χειριστές, καθώς παρέχει αξιόπιστες πληροφορίες σχετικά με το πόσο συχνά θα πρέπει να επιθεωρούν ποια μέρη της δομής.

Η ενεργειακή μετάβαση κάνει τα μεγάλα πετρέλαια και το φυσικό αέριο να επαναξιολογούν σημαντικές επενδυτικές αποφάσεις και ωθεί μια ώθηση προς την εξεύρεση τρόπων για να αξιοποιήσουμε περισσότερο τα υπάρχοντα περιουσιακά στοιχεία. Αυτό απαιτεί ποντάρισμα δομικών ψηφιακών δίδυμων σε ένα λειτουργικό περιβάλλον. Τα εξαιρετικά λεπτομερή μοντέλα που φέρνει η προηγμένη μηχανική προσομοίωση, επιτρέπουν έναν ασφαλή και αποτελεσματικό τρόπο κατανόησης της συμπεριφοράς περιουσιακών στοιχείων/εξοπλισμού και επέκτασης της διάρκειας ζωής του.

VentureBeat: Ποια είναι μερικά από τα είδη περιπτώσεων χρήσης όπου έχετε δει σημαντικά οφέλη σε σύγκριση με τις παραδοσιακές προσεγγίσεις μοντελοποίησης και προσομοίωσης;

Leurent: Συμπιέσαμε αυτό που ήταν μια εξάμηνη ροή εργασίας για την ανάλυση των πλωτών πλοίων αποθήκευσης και εκφόρτωσης δεξαμενόπλοιων παραγωγής (FPSO) της Shell, σε λιγότερο από 48 ώρες, ενώ αυξήσαμε την ακρίβεια κατά 10 φορές.

Άλλα παραδείγματα περιπτώσεων χρήσης περιλαμβάνουν την αυτοαξιολόγηση δομικών ζημιών κατά την πτήση από drone ή αεροσκάφος. Και μετά, φυσικά, υπεράκτιος άνεμος. Αυτή η τεχνολογία θα συμβάλει στη μείωση του κόστους των υπεράκτιων ανέμων. Ιδιαίτερα πλωτός υπεράκτιος άνεμος, ο οποίος αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες πηγές ανανεώσιμης ενέργειας στη Γη, μόλις ξεκλειδωθεί.

VentureBeat: Θα μπορούσατε να μας καθοδηγήσετε πώς εμφανίζονται στην πράξη αυτού του είδους τα οφέλη – για παράδειγμα, πώς μια πρόοδος απόδοσης μοντελοποίησης 1000X μεταφράζεται σε πρακτικά οφέλη, όπως η μείωση της ποσότητας υλικού σε μια πλατφόρμα ανεμογεννήτριας και το συνολικό κόστος της;

Leurent: Η RB-FEA έχει οδηγήσει σε μερικά από τα μεγαλύτερα (και πιο πολύπλοκα) περιουσιακά στοιχεία στον πλανήτη, όπως το πλωτό πλοίο παραγωγής, αποθήκευσης και εκφόρτωσης Bonga της Shell, με ψηφιακό δίδυμο που βασίζεται στη φυσική (υπολογίζοντας μεταβλητές όπως η κόπωση του κύτους , φόρτωση δεξαμενής, κύματα) και συμβατό με τα πρότυπα. Αυτό κέρδισε ένα βραβείο για το βραβείο καλύτερου χαρτιού στο Offshore Technology Conference 2021. Και η σειρά προϊόντων της Akselos υποστηρίζει την προστασία 7 δισεκατομμυρίων δολαρίων (ανά έτος) παραγωγής ισοδύναμου πετρελαίου.

Ένα ψηφιακό δίδυμο με RB-FEA 30% μείωση του κόστους επιθεώρησης σε ένα FPSO, αλλά το πιο σημαντικό, κοιτάξτε στη σωστή θέση σε ένα τεράστιο περιουσιακό στοιχείο και εντοπίστε ελαττώματα έγκαιρα για να αποφύγετε μεγάλα προβλήματα. Στο Bonga FPSO, το πλεονέκτημα της αυξημένης ακρίβειας οδήγησε σε 15,000 κορυφαίες τοποθεσίες κόπωσης να μειωθούν σε 230 πραγματικά σημεία κόπωσης στις πιο κρίσιμες τοποθεσίες. Αυτό είναι τεράστιας αξίας για τον χειριστή, καθώς διαθέτει πλέον αξιόπιστες πληροφορίες για να οδηγεί τις δραστηριότητες επιθεώρησης και συντήρησης εκεί όπου έχει μεγαλύτερη σημασία.

Τα οφέλη από την υπεράκτια αιολική ενέργεια έχουν ίσες, αν όχι περισσότερες, δυνατότητες. Για παράδειγμα, από την πλευρά του σχεδιασμού, έχουμε εργαστεί με τη Lamprell για να μειώσουμε την ποσότητα χάλυβα σε υπεράκτια αιολικά θεμέλια έως και 30%. Αυτό όχι μόνο έχει άμεσα οφέλη μέσω του χαμηλότερου κόστους υλικών, αλλά υπάρχουν επίσης πολύ σημαντικά αρνητικά αποτελέσματα όταν λαμβάνετε υπόψη την ποσότητα συγκόλλησης που απαιτείται για τη συναρμολόγηση της βάσης καθώς και τη μεταφορά.

Όταν ένας βελτιστοποιημένος σχεδιασμός ζωντανεύει εντός των λειτουργιών, και κυρίως για τα αιολικά πάρκα, ο αντίκτυπος είναι 1000x επιτάχυνση. Σημαίνει ότι ένας χειριστής μπορεί να λάβει τεκμηριωμένες αποφάσεις σχετικά με το πότε θα εκτελέσει συντήρηση και πώς να προσαρμόσει το παράθυρο λειτουργίας του στροβίλου για να αποφευχθεί η αστοχία θεμελίωσης εάν η επόμενη ευκαιρία συντήρησης είναι λίγο μακριά.

Τα οφέλη ενισχύονται περαιτέρω για τον πλωτό υπεράκτιο άνεμο, όπου το θεμέλιο και ο στρόβιλος έχουν πιο δυναμική φόρτιση. Αυτοί οι τύποι κερδών θα είναι κρίσιμοι για τη μείωση του ισοπεδωμένου κόστους ενέργειας (LCOE), της κινητήριας κλίμακας στον πλωτό άνεμο. Για να ανταποκριθεί ο κόσμος στον οδικό χάρτη του ΔΟΕ, αυτού του είδους τα κέρδη είναι απόλυτη αναγκαιότητα.

VentureBeat: Πώς αναμένετε ότι η χρήση και οι δυνατότητες καλύτερων τεχνικών προσομοίωσης όπως η RB-FEA και οι σχετικές προσεγγίσεις θα εξελιχθούν στο εγγύς μέλλον, ιδίως όσον αφορά τη βελτίωση των ροών εργασίας που σχετίζονται με τις ψηφιακές δίδυμες;

Leurent: Η κατανόηση σε πραγματικό χρόνο της δομικής ακεραιότητας ενός περιουσιακού στοιχείου αλλάζει το παιχνίδι για:

• Βέλτιστες λειτουργίες
• Παράταση ζωής περιουσιακών στοιχείων
• Σχεδιασμός σε λειτουργία (σχεδιασμός της επόμενης γενιάς στοιχείων ενεργητικού με βάση τα δεδομένα που παράγονται από το ψηφιακό δίδυμο)

Σήμερα, τα ψηφιακά δίδυμα Akselos χρησιμοποιούνται σε περιουσιακά στοιχεία αξίας δισεκατομμυρίων δολαρίων, παγκοσμίως. Αυτό διασχίζει πολύπλοκα (και στις περισσότερες περιπτώσεις γήρανση), κληρονομημένα περιουσιακά στοιχεία πετρελαίου και φυσικού αερίου σε πρωτότυπα επίδειξης αιχμής στον πλωτό άνεμο.

Εργαζόμαστε για να κάνουμε το λογισμικό όλο και πιο σε πραγματικό χρόνο, σε ορισμένες περιπτώσεις, τα ψηφιακά δίδυμα που βασίζονται στη φυσική μας ερμηνεύουν νέα δεδομένα κάθε δευτερόλεπτο. Αυτή η ταχύτητα επιτρέπει επίσης το συνδυασμό AI/ML με προσομοιώσεις βασισμένες στη φυσική, μια αλλαγή παιχνιδιού με τεράστιες δυνατότητες. Αυτό μας κέρδισε το βραβείο καλύτερου χαρτιού AIAA 2020 για πολυεπιστημονική βελτιστοποίηση σχεδιασμού. Εδώ το RB-FEA παρέχει ένα πολύ πιο πλούσιο, φθηνότερο και ακριβέστερο σύνολο δεδομένων.

Η ομάδα εργάζεται επίσης για να καταγράψει όλο και περισσότερη φυσική (πολυφυσική και μη γραμμική για παράδειγμα). Και εργαζόμαστε πάνω σε πολύ ισχυρά χαρακτηριστικά του RB-FEA για βέλτιστο σχεδιασμό, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας ανασχεδιασμού ενός ολόκληρου συστήματος ανεμογεννητριών με βάση αναβαθμίσεις υλικών ή νέες σχεδιαστικές ιδέες εντός εβδομάδων.

VentureBeat: Ποιες είναι οι κύριες προτάσεις σας για άλλες εταιρείες που μπορεί να διερευνούν τρόπους για να επωφεληθούν από βελτιώσεις προσομοίωσης χάρη στις τάσεις του κλάδου γενικά; 

Leurent: Πιθανώς το πιο σημαντικό πράγμα είναι να πιέσετε τη φαντασία του τι είναι δυνατό. Σε έναν όλο και περισσότερο αισθητηριοποιημένο και ρομποτικό κόσμο, η τεχνολογία προσομοίωσης γίνεται όλο και πιο ισχυρό εργαλείο για τη δημιουργία ανταγωνιστικού πλεονεκτήματος. Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να αρχίσουμε να λειτουργούμε και να βελτιστοποιούμε τα αιολικά πάρκα ανά τουρμπίνα. Δεδομένα από drones επιθεώρησης και αισθητήρες στους στρόβιλους θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη διενέργεια αξιολογήσεων υγείας κάθε τουρμπίνας και να επιτρέψουν στους χειριστές να λαμβάνουν τεκμηριωμένες αποφάσεις σχετικά με το πόσο σκληρά θα πρέπει να λειτουργούν κάθε τουρμπίνα ανάλογα με την τιμή ισχύος (δεν έχει νόημα να λειτουργεί μια τουρμπίνα σε υψηλή ταχύτητα, αν αυτό κοστίζει περισσότερη «κατανάλωση ζωής» από τα έσοδα που παράγει).

Στο κατάντη πετρελαίου και φυσικού αερίου, κάνουμε ανάλυση σχεδόν σε πραγματικό χρόνο για να βοηθήσουμε τους πελάτες μας να μειώσουν το χρόνο τους από την κρίσιμη διαδρομή και να αυξήσουν τον χρόνο λειτουργίας, και χωρίς την τεχνολογία προσομοίωσης, αυτό δεν θα ήταν δυνατό.

Σε τελική ανάλυση, εάν είστε κάτοχος περιουσιακών στοιχείων, νομίζω ότι θα είναι σημαντικό να εξετάσετε πώς μπορούν να συνδυαστούν διαφορετικές πηγές δεδομένων και εργαλεία με τεχνολογία προσομοίωσης να οδηγήσει σε καλύτερα επιχειρηματικά αποτελέσματα. Αυτό δεν ήταν στο μυαλό τους επειδή η ισχύς της προσομοίωσης δεν ήταν αρκετά ισχυρή για χρήση σε λειτουργικές ρυθμίσεις σχεδόν σε πραγματικό χρόνο, αλλά αυτό έχει πλέον αλλάξει δραματικά.

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