Lo que significa una simulación 1000-X más rápida para los gemelos digitales

Hace aproximadamente una década, los investigadores del MIT descubrieron una técnica que acelera el modelado de la física en 1000X. Hicieron girar esto en una nueva empresa, llamada Akselos, que ha estado ayudando a las empresas a tejer la tecnología en varios tipos de gemelos digitales utilizado para mejorar el transporte marítimo, la refinación y la generación de energía eólica.

Un gemelo digital es una representación virtual de un objeto o sistema que abarca su ciclo de vida, se actualiza a partir de datos en tiempo real y utiliza simulación, aprendizaje automático y razonamiento para ayudar en la toma de decisiones. Los sensores conectados en el activo físico recopilan datos que se pueden mapear en el modelo virtual.

La innovación específica mejora el rendimiento de los algoritmos de análisis de elementos finitos (FEA) que sustentan la mayoría de los tipos de simulaciones físicas. La experiencia de Akselos durante la última década puede ayudar a los ejecutivos a explorar las implicaciones de la mejoras de un millón de veces en simulación física que Nvidia ahora está demostrando gracias a la mejora en el hardware, la escalabilidad y los nuevos algoritmos.

VentureBeat se reunió con el CEO de Akselos, Thomas Leurent, para explicarle lo que estas mejoras más amplias podrían significar para la industria en su conjunto. A un alto nivel, una simulación más rápida facilita la comparación de las compensaciones de diseño que conducen a productos más eficientes, costos reducidos, rendimiento mejorado y mejores algoritmos de IA. Los beneficios prácticos han incluido la reducción de un tercio del peso de las torres eólicas y la mejora de la seguridad de los buques petroleros.

El papel de la simulación en la transformación digital

Los gemelos digitales se parecen más a un patrón de diseño que a una tecnología. Las empresas ensamblan las diversas piezas en una solución, al igual que con la construcción de una canalización de datos. Varios PLM, software de construcción y proveedores específicos de la industria están creando carteras para admitir una gama más amplia de capacidades de gemelos digitales, incluida la simulación física. Un motor de simulación más rápido permite a las empresas explorar nuevas formas de infundir la simulación en la ideación, el diseño, la adquisición, las fases, diseñar mejores productos e impulsar la transformación digital.

Akselos es la mejor plataforma de simulación diseñada para mejorar el análisis de elementos finitos, un componente crucial de muchos tipos de estimulación física. Akselos descubrió cómo acelerar los algoritmos centrales unas 1000 veces hace aproximadamente una década. Todos los demás proveedores de PLC y CAD están explorando formas de hacer algo similar.

Pero, ¿cómo se traduce exactamente una aceleración de 1000 veces en la simulación en valor comercial, dado que la simulación es solo una parte de un proceso comercial y técnico más grande? Es probable que otras empresas aprovechen las experiencias de Akselos a medida que construyen su infraestructura de simulación utilizando alguna combinación de hardware más rápido, mejores algoritmos o ambos. Las GPU ya son 1000 veces más rápidas de lo que eran cuando comenzó esta investigación, y cuando se combinan con mejoras marginales en los algoritmos, las empresas buscarán formas de "desperdiciar" creativamente los ciclos de simulación para ver ganancias de otras maneras.

Los clientes de Akselos han descubierto varias formas de traducir simulaciones más rápidas en valor empresarial. Por ejemplo, Shell Oil descubrió un proceso de diseño más rápido para un petrolero especializado de miles de millones de dólares, que al mismo tiempo redujo la cantidad de puntos débiles. Otros clientes redujeron el material en un aerogenerador en un 30%.

Es probable que otras empresas vean tipos de ganancias similares a medida que reconsideran la forma en que se puede aplicar una simulación más rápida a sus traspasos de ingeniería e implementación para otras cosas físicas como fábricas, automóviles, dispositivos médicos y más.

VentureBeat: ¿Cuál es su opinión general sobre algunas de las formas en que las mejoras en las técnicas de modelado y simulación podrían mejorar el uso de los gemelos digitales?

Tomás Leurent: Los gemelos digitales para activos industriales solo pueden beneficiarse del uso de las herramientas de simulación de ingeniería mecánica que se usaron para diseñarlos en primer lugar, y todas se basan en el análisis de elementos finitos (FEA). Los estándares más estrictos para las operaciones también se basan en FEA para operar activos críticos como refinerías, barcos, plataformas petroleras, etc. Pero FEA es demasiado lento para usarse para gemelos digitales en la fase operativa. Por lo tanto, se necesitaba una actualización única en una generación para impulsar los algoritmos centrales, para permitir que FEA admitiera casos de uso habilitados para conectividad, paramétricos y casi en tiempo real.

VentureBeat: ¿Cuál es el problema con el análisis de elementos finitos de base reducida? ¿Por qué es mucho más rápido que las técnicas de modelado tradicionales?

Leurent: FEA es en realidad un algoritmo muy antiguo e ineficiente. Utiliza mallas (por ejemplo, millones de triángulos o tetraedros) para definir la geometría de una pieza. Está bien. El problema es que FEA asigna grados de libertad a cada nodo en la malla, y eso es en realidad una completa exageración. FEA termina resolviendo problemas en espacios con millones de dimensiones, lo cual es muy costoso y no se puede hacer en tiempo real.

RB-FEA, la tecnología pionera de Akselos, entiende eso y busca lo que Profesor AT Patera en el MIT llama 'el múltiple debajo'. Ese es un subespacio, mucho más pequeño que el espacio FEA original, y todavía lo suficientemente grande como para garantizar que el problema se comporte en ese subespacio.

Lo llamamos el espacio RB, para una base reducida (incluso ese subespacio RB es excesivo, pero es 1,000 veces menos excesivo que el espacio FEA original). Resolvemos el problema en el subespacio RB, que es 1,000 veces más eficiente, y luego tenemos todas las matemáticas para proyectar nuevamente en el espacio FEA al que están acostumbrados los ingenieros y que los estándares reconocen. Para los ingenieros, eso es realmente transparente: los cálculos de RB-FEA se ejecutan a la velocidad del rayo cuando solían ser lentos con FEA. En la práctica, todo esto significa que FEA es adecuado para ejecutar simulaciones a nivel de piezas mecánicas, pero choca con un muro más allá de eso. RB-FEA puede ejecutar simulaciones de precisión total a nivel del sistema y hasta el nivel de la pieza mecánica, sin necesidad de submodelos. Eso es un flujo de trabajo muy mejorado.

VentureBeat: ¿Dónde están viendo los proveedores de simulación la mayor aceptación nueva en 2021 de la tecnología de simulación para gemelos digitales, específicamente en qué industrias y qué tipos de productos, y por qué?

Leurent: Las dos industrias que vemos que generan la atracción más fuerte incluyen la energía eólica marina y el petróleo y el gas. Hay un enorme crecimiento en la energía eólica marina con más del 95% de la capacidad aún por construir para cumplir con los objetivos netos cero de la IEA 2050. Existe una demanda significativa de tecnología que pueda reducir el riesgo tanto del diseño como de las operaciones de las estructuras eólicas marinas. La potente simulación de ingeniería que utiliza gemelos digitales permite a los desarrolladores y operadores analizar miles de escenarios hipotéticos en un entorno seguro.

En el diseño, hemos demostrado que podemos permitir hasta un 30 % de ahorro de gastos de capital en los cimientos a través de la optimización avanzada con nuestro socio Lamprell, y hay más potencial. En operaciones, somos el único proveedor de tecnología que puede analizar la salud estructural hasta el nivel de centímetros cuadrados. Este gemelo digital operativo es un avance absoluto para los operadores, ya que proporciona inteligencia procesable sobre la frecuencia con la que deben inspeccionar qué partes de la estructura.

La transición energética está haciendo que las grandes empresas de petróleo y gas reevalúen las principales decisiones de inversión y está impulsando un impulso para encontrar formas de sacar más provecho de los activos existentes. Eso requiere apostar gemelos digitales estructurales en un entorno operativo. Los modelos altamente detallados que brinda la simulación de ingeniería avanzada permiten una forma segura y eficiente de comprender el comportamiento de los activos/equipos y extender su vida útil.

VentureBeat: ¿Cuáles son algunos de los tipos de casos de uso en los que ha visto beneficios significativos en comparación con los enfoques tradicionales de modelado y simulación?

Leurent: Hemos comprimido lo que solía ser un flujo de trabajo de seis meses para analizar los barcos cisterna flotantes de almacenamiento y descarga de producción (FPSO) de Shell, en menos de 48 horas, al tiempo que aumentamos la precisión en 10 veces.

Otros ejemplos de casos de uso incluyen la autoevaluación de daños estructurales en vuelo por parte de un dron o una aeronave. Y luego, por supuesto, la energía eólica marina. Esta tecnología ayudará a reducir enormemente el costo de la energía eólica marina. En particular, la energía eólica marina flotante, que constituye una de las mayores fuentes de energía renovable en la Tierra, una vez desbloqueada.

VentureBeat: ¿Podría explicarnos cómo se muestran estos tipos de beneficios en la práctica? Por ejemplo, ¿cómo se traduce un avance de rendimiento de modelado 1000X en beneficios prácticos, como reducir la cantidad de material en una plataforma de turbina eólica y su costo total?

Leurent: RB-FEA ha resultado en algunos de los activos más grandes (y más complejos) del planeta, como el buque flotante de producción, almacenamiento y descarga Bonga de Shell, que tiene un gemelo digital que se basa en la física (que tiene en cuenta variables como la fatiga del casco , carga de tanques, olas) y compatible con las normas. Esto le valió un premio al mejor artículo en la Conferencia de Tecnología Offshore 2021. Y la línea de productos de Akselos respalda la protección de $ 7 mil millones (por año) de producción de petróleo equivalente.

Un gemelo digital con RB-FEA 30 % de reducción en el costo de inspección en un FPSO, pero lo que es más importante, mire en el lugar correcto en un gran activo y detecte defectos temprano para evitar problemas mayores. En el Bonga FPSO, el beneficio de una mayor precisión ha llevado a que 15,000 230 ubicaciones de fatiga de primer nivel se reduzcan a XNUMX puntos críticos de fatiga real en las ubicaciones más críticas. Eso es de enorme valor para el operador, ya que ahora tienen información procesable para impulsar las actividades de inspección y mantenimiento donde más importa.

Los beneficios de la energía eólica marina tienen el mismo potencial, si no más. Por ejemplo, en lo que respecta al diseño, hemos trabajado con Lamprell para reducir la cantidad de acero en las cimentaciones eólicas marinas hasta en un 30 %. Esto no solo tiene beneficios directos a través de un menor costo de material, sino que también tiene efectos colaterales muy significativos cuando se considera la cantidad de soldadura necesaria para unir los cimientos y el transporte.

Cuando un diseño optimizado cobra vida dentro de las operaciones, y de manera crucial para los parques eólicos, el impacto es una aceleración de 1000x. Significa que un operador puede tomar decisiones informadas sobre cuándo ejecutar el mantenimiento y cómo ajustar la ventana operativa de la turbina para evitar fallas en los cimientos si la próxima oportunidad de mantenimiento está lejos.

Los beneficios se agravan aún más para la energía eólica marina flotante, donde la base y la turbina tienen una carga más dinámica. Esos tipos de ganancias serán fundamentales para reducir el costo nivelado de energía (LCOE), la escala de conducción en el viento flotante. Para que el mundo cumpla con la hoja de ruta de la IEA, ese tipo de ganancias son una necesidad absoluta.

VentureBeat: ¿Cómo espera que evolucionen en el futuro cercano el uso y las capacidades de mejores técnicas de simulación como RB-FEA y enfoques relacionados, particularmente en lo que respecta a la mejora de los flujos de trabajo relacionados con gemelos digitales?

Leurent: Comprender en tiempo real la integridad estructural de un activo cambia las reglas del juego para:

• Operaciones óptimas
• Extensión de la vida de los activos
• Diseño en operación (diseño de la próxima generación de activos basados ​​en los datos generados por el gemelo digital)

Hoy, los gemelos digitales Akselos se implementan en activos por valor de miles de millones de dólares en todo el mundo. Esto cruza activos heredados de petróleo y gas complejos (y en la mayoría de los casos envejecidos) hasta prototipos de demostración de vanguardia en el viento flotante.

Estamos trabajando para hacer que el software sea cada vez más en tiempo real; en algunos casos, nuestros gemelos digitales basados ​​en la física interpretan nuevos datos cada segundo. Esa velocidad también permite combinar AI/ML con simulaciones basadas en la física, un cambio de juego con un gran potencial. Eso es lo que nos valió el premio AIAA al mejor artículo de 2020 por la optimización del diseño multidisciplinario. Aquí, RB-FEA brinda un conjunto de datos mucho más rico, económico y preciso.

El equipo también está trabajando para capturar más y más física (multifísica y no lineal, por ejemplo). Y estamos trabajando en funciones muy potentes de RB-FEA para un diseño óptimo, incluida la posibilidad de rediseñar un sistema de turbina eólica completo en función de actualizaciones de materiales o nuevas ideas de diseño en cuestión de semanas.

VentureBeat: ¿Cuáles son sus principales conclusiones para otras empresas que pueden estar explorando formas de aprovechar las mejoras de la simulación gracias a las tendencias de la industria en general? 

Leurent: Probablemente lo más importante es impulsar la imaginación de lo que es posible. En un mundo cada vez más sensorizado y robotizado, la tecnología de simulación se está convirtiendo en una herramienta cada vez más poderosa para generar una ventaja competitiva. Por ejemplo, podríamos comenzar a operar y optimizar los parques eólicos turbina por turbina. Los datos de los drones de inspección y los sensores en las turbinas podrían ayudar a realizar evaluaciones de salud de cada turbina y permitir a los operadores tomar decisiones informadas sobre la fuerza con la que deben hacer funcionar cada turbina según el precio de la energía (no tiene sentido hacer funcionar una turbina a alta velocidad si eso cuesta más 'consumo de vida' que los ingresos que genera).

En el sector downstream de petróleo y gas, estamos realizando análisis casi en tiempo real para ayudar a nuestros clientes a reducir el tiempo de la ruta crítica y aumentar el tiempo de actividad, y sin la tecnología de simulación, esto no sería posible.

En última instancia, si usted es propietario de un activo, creo que será clave considerar cómo se pueden combinar diferentes fuentes de datos y herramientas con tecnología de simulación para impulsar mejores resultados comerciales. Esto no ha estado en su mente porque el poder de simulación no era lo suficientemente poderoso para usar en entornos operativos casi en tiempo real, pero eso ahora ha cambiado drásticamente.

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