شبیه سازی 1000-X سریعتر برای دوقلوهای دیجیتال چه معنایی دارد

حدود یک دهه پیش، محققان MIT تکنیکی را کشف کردند که مدل‌سازی فیزیک را 1000 برابر سرعت می‌بخشد. آنها این را به یک شرکت جدید به نام Akselos تبدیل کردند که به شرکت ها کمک می کند تا فناوری را در انواع مختلف ببافند. دوقلوهای دیجیتال برای بهبود حمل و نقل، پالایش و تولید برق بادی استفاده می شود.

یک دوقلو دیجیتال نمایش مجازی یک شی یا سیستم است که چرخه عمر آن را در بر می گیرد، از داده های زمان واقعی به روز می شود و از شبیه سازی، یادگیری ماشینی و استدلال برای کمک به تصمیم گیری استفاده می کند. حسگرهای متصل در دارایی فیزیکی داده‌هایی را جمع‌آوری می‌کنند که می‌توان آن‌ها را روی مدل مجازی نگاشت.

نوآوری خاص، عملکرد الگوریتم های تحلیل المان محدود (FEA) را که زیربنای اکثر انواع شبیه سازی های فیزیک است، بهبود می بخشد. تجربه Akselos در دهه گذشته می تواند به مدیران کمک کند تا پیامدهای آن را کشف کنند پیشرفت های میلیونی در شبیه سازی فیزیک که Nvidia اکنون به لطف بهبود سخت افزار، مقیاس پذیری و الگوریتم های جدید نشان می دهد.

VentureBeat با توماس لورنت، مدیرعامل Akselos تماس گرفت تا توضیح دهد که این پیشرفت‌های گسترده‌تر چه معنایی برای صنعت به‌عنوان یک کل می‌تواند داشته باشد. در سطح بالا، شبیه‌سازی سریع‌تر، مقایسه معاوضه‌های طراحی منجر به محصولات کارآمدتر، کاهش هزینه، عملکرد بهبود یافته و الگوریتم‌های هوش مصنوعی بهتر را آسان‌تر می‌کند. مزایای عملی شامل کوتاه کردن یک سوم وزن برج های بادی و بهبود ایمنی کشتی های نفتی است.

نقش شبیه سازی در تحول دیجیتال

دوقلوهای دیجیتال بیشتر شبیه یک الگوی طراحی هستند تا یک فناوری. شرکت ها قطعات مختلف را در یک راه حل مونتاژ می کنند، درست مانند ساخت خط لوله داده. PLM های مختلف، نرم افزارهای ساخت و ساز و فروشندگان خاص صنعت در حال ساخت نمونه کارها برای پشتیبانی از طیف وسیع تری از قابلیت های دوقلوهای دیجیتال از جمله شبیه سازی فیزیکی هستند. یک موتور شبیه‌سازی سریع‌تر، شرکت‌ها را قادر می‌سازد تا راه‌های جدیدی را برای القای شبیه‌سازی در سراسر ایده‌پردازی، طراحی، تدارک، مراحل طراحی محصولات بهتر، و ایجاد تحول دیجیتال کشف کنند.

Akselos یک پلتفرم شبیه‌سازی برتر است که برای بهبود تجزیه و تحلیل اجزای محدود طراحی شده است، که جزء مهم بسیاری از انواع تحریک فیزیکی است. Akselos حدود یک دهه پیش چگونگی سرعت بخشیدن به الگوریتم های اصلی را در حدود 1000 برابر کشف کرد. همه فروشندگان دیگر PLC و CAD در حال بررسی راه هایی برای انجام کاری مشابه هستند.

اما دقیقاً چگونه سرعت 1000 برابری در شبیه‌سازی به ارزش تجاری تبدیل می‌شود، زیرا شبیه‌سازی تنها بخشی از یک فرآیند تجاری و فنی بزرگ‌تر است؟ شرکت‌های دیگر احتمالاً از تجربیات Akselos در ساخت زیرساخت شبیه‌سازی خود با استفاده از ترکیبی از سخت‌افزار سریع‌تر، الگوریتم‌های بهتر یا هر دو استفاده خواهند کرد. پردازنده‌های گرافیکی در حال حاضر 1000 برابر سریع‌تر از زمان شروع این تحقیق هستند، و هنگامی که حتی با بهبود الگوریتم‌های حاشیه‌ای ترکیب شوند، شرکت‌ها به دنبال راه‌هایی برای «تلف کردن» خلاقانه چرخه‌های شبیه‌سازی برای مشاهده سود از راه‌های دیگر هستند.

مشتریان Akselos چندین راه برای تبدیل شبیه‌سازی‌های سریع‌تر به ارزش تجاری پیدا کرده‌اند. به عنوان مثال، نفت شل فرآیند طراحی سریع تری را برای یک نفتکش تخصصی چند میلیارد دلاری کشف کرد که در همان زمان تعداد نقاط ضعف را کاهش داد. سایر مشتریان مواد موجود در یک توربین بادی را 30 درصد کاهش دادند.

شرکت‌های دیگر احتمالاً شاهد سودهای مشابهی خواهند بود زیرا در مورد روشی که شبیه‌سازی سریع‌تر را می‌توان در مهندسی و استقرار انتقال برای سایر چیزهای فیزیکی مانند کارخانه‌ها، خودروها، دستگاه‌های پزشکی و موارد دیگر اعمال کرد، تجدید نظر می‌کنند.

VentureBeat: نظر کلی شما در مورد برخی از روش هایی که بهبود در تکنیک های مدل سازی و شبیه سازی می تواند استفاده از دوقلوهای دیجیتال را بهبود بخشد چیست؟

توماس لورنت: دوقلوهای دیجیتالی برای دارایی‌های صنعتی تنها می‌توانند از استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی مهندسی مکانیک که در وهله اول برای طراحی آن‌ها استفاده شده‌اند سود ببرند - و همه این ابزارها بر اساس تحلیل اجزای محدود (FEA) هستند. سخت‌گیرانه‌ترین استانداردها برای عملیات نیز به منظور بهره‌برداری از دارایی‌های حیاتی مانند پالایشگاه‌ها، کشتی‌ها، سکوهای نفتی و غیره به FEA متکی هستند. اما FEA برای استفاده از دوقلوهای دیجیتال در فاز عملیاتی بسیار کند است. بنابراین، برای تقویت الگوریتم‌های اصلی، به‌روزرسانی یک بار در یک نسل مورد نیاز بود تا FEA بتواند موارد استفاده تقریباً بلادرنگ، پارامتری و اتصال را پشتیبانی کند.

VentureBeat: مشکل اصلی تجزیه و تحلیل المان محدود مبتنی بر کاهش چیست - چه چیزی بسیار سریعتر از تکنیک های مدل سازی سنتی است؟

لورنت: FEA در واقع یک الگوریتم بسیار قدیمی و ناکارآمد است. از مش (مثلاً میلیون ها مثلث یا چهار وجهی) برای تعریف هندسه یک قطعه استفاده می کند. خوبه. مشکل این است که FEA درجه‌هایی از آزادی را به هر گره در مش اختصاص می‌دهد و این در واقع بیش از حد کامل است. FEA به حل مشکلات در فضاهایی با ابعاد میلیونی ختم می شود که بسیار گران است و نمی توان آن را در زمان واقعی انجام داد.

RB-FEA، فناوری پیشگام Akselos، این را می‌داند و به دنبال چیست پروفسور A.T. پاترا در MIT "منیفولد زیر" را فرا می خواند. این یک فضای فرعی است، بسیار کوچکتر از فضای اصلی FEA، و هنوز به اندازه کافی بزرگ است که تضمین کند که مشکل در آن زیرفضا رفتار می کند.

ما آن را فضای RB برای یک مبنای کاهش یافته می نامیم (حتی آن فضای فرعی RB بیش از حد است، اما 1,000 برابر کمتر از فضای اصلی FEA است). ما مشکل را در فضای فرعی RB حل می کنیم، که 1,000 برابر کارآمدتر است، و سپس تمام ریاضیات را برای بازگرداندن به فضای FEA که مهندسان به آن عادت کرده اند و استانداردها تشخیص می دهند، داریم. برای مهندسان که واقعاً شفاف است - شما فقط می توانید محاسبات RB-FEA را با سرعت رعد و برق در حالی که قبلاً با FEA کند بودند انجام دهید. در عمل، همه اینها به این معنی است که FEA برای اجرای شبیه‌سازی در سطح مکانیکی مناسب است، اما به دیواری فراتر از آن برخورد می‌کند. RB-FEA می تواند شبیه سازی های با دقت کامل را در سطح سیستم و تا سطح قطعات مکانیکی بدون نیاز به مدل های فرعی اجرا کند. این یک گردش کار بسیار بهبود یافته است.

VentureBeat: ارائه‌دهندگان شبیه‌سازی در سال 2021 بیشترین جذب فناوری شبیه‌سازی برای دوقلوهای دیجیتال را در کجا مشاهده می‌کنند، به‌خصوص در چه صنایع و چه نوع محصولاتی، و چرا؟

لورنت: دو صنعتی که ما شاهد بیشترین کشش هستیم عبارتند از باد دریایی و نفت و گاز. رشد عظیمی در باد فراساحلی وجود دارد که بیش از 95 درصد ظرفیت هنوز برای دستیابی به اهداف خالص صفر IEA 2050 ساخته نشده است. تقاضای قابل توجهی برای فناوری وجود دارد که می تواند هم طراحی و هم عملیات سازه های بادی فراساحلی را از بین ببرد. شبیه‌سازی مهندسی قدرتمند با استفاده از دوقلوهای دیجیتال به توسعه‌دهندگان و اپراتورها اجازه می‌دهد تا هزاران سناریو «چه می‌شد» را در یک محیط امن تجزیه و تحلیل کنند.

در طراحی، نشان داده‌ایم که می‌توانیم با بهینه‌سازی پیشرفته با شریکمان Lamprell، تا 30٪ صرفه‌جویی در سرمایه را در پایه ایجاد کنیم، و پتانسیل بیشتری وجود دارد. در عملیات، ما تنها ارائه‌دهنده فناوری هستیم که می‌توانیم سلامت سازه را تا سطح سانتی‌متر مربع تجزیه و تحلیل کنیم. این دوقلو دیجیتال عملیاتی یک پیشرفت مطلق برای اپراتورها است، زیرا اطلاعات قابل‌توجهی را در مورد اینکه هر چند وقت یک‌بار باید قسمت‌های ساختار را بازرسی کنند، ارائه می‌کند.

انتقال انرژی باعث می‌شود نفت و گاز بزرگ تصمیمات سرمایه‌گذاری اصلی را دوباره ارزیابی کنند و به دنبال یافتن راه‌هایی برای بهره‌برداری بیشتر از دارایی‌های موجود است. این مستلزم قرار دادن دوقلوهای دیجیتالی ساختاری در یک محیط عملیاتی است. مدل‌های بسیار دقیقی که شبیه‌سازی مهندسی پیشرفته به ارمغان می‌آورد، راهی ایمن و کارآمد برای درک رفتار دارایی/تجهیزات و افزایش عمر آن را ممکن می‌سازد.

VentureBeat: برخی از انواع موارد استفاده که مزایای قابل توجهی در مقایسه با روش‌های مدل‌سازی و شبیه‌سازی سنتی مشاهده کرده‌اید چیست؟

لورنت: ما آنچه را که قبلاً یک گردش کار شش ماهه برای تجزیه و تحلیل قایق های نفتکش شناور ذخیره سازی و تخلیه (FPSO) تولید شناور بود، به کمتر از 48 ساعت فشرده کردیم، در حالی که دقت را 10 برابر افزایش دادیم.

نمونه های دیگر از موارد استفاده شامل ارزیابی خود ارزیابی آسیب ساختاری در پرواز توسط پهپاد یا هواپیما است. و البته باد دریایی. این فناوری به کاهش چشمگیر هزینه باد دریایی کمک می کند. به خصوص باد دریایی شناور، که یکی از بزرگترین منابع انرژی تجدیدپذیر روی زمین را تشکیل می دهد، پس از باز شدن قفل.

VentureBeat: آیا می‌توانید نحوه نشان دادن این نوع مزایا را در عمل به ما توضیح دهید - برای مثال، چگونه پیشرفت عملکرد مدل‌سازی 1000X به مزایای عملی تبدیل می‌شود، مانند کاهش مقدار مواد در یک پلت فرم توربین بادی و هزینه کلی آن؟

لورنت: RB-FEA منجر به برخی از بزرگترین (و پیچیده‌ترین) دارایی‌های روی کره زمین شده است، مانند کشتی شناور Bonga، تولید، ذخیره‌سازی و تخلیه شل، که دارای یک دوقلو دیجیتال است که بر اساس فیزیک (به حساب آوردن متغیرهایی مانند خستگی بدنه است). ، بارگیری مخزن، امواج) و سازگار با استانداردها. این جایزه جایزه بهترین کاغذ را در کنفرانس فناوری فراساحل 2021 به دست آورد. و خط تولید Akselos از حفاظت از 7 میلیارد دلار (در سال) تولید معادل نفت پشتیبانی می کند.

یک دوقلو دیجیتال با RB-FEA 30٪ کاهش هزینه بازرسی در یک FPSO، اما مهمتر از آن، در مکان مناسب یک دارایی بزرگ نگاه کنید و برای جلوگیری از مشکلات بزرگ، نقص ها را زود تشخیص دهید. در Bonga FPSO، مزیت افزایش دقت باعث شده است که 15,000 مکان خستگی درجه یک به 230 نقطه خستگی واقعی در بحرانی ترین مکان ها کاهش یابد. این برای اپراتور ارزش بسیار زیادی دارد، زیرا آنها اکنون اطلاعات قابل اجرا برای هدایت فعالیت های بازرسی و تعمیر و نگهداری در جایی که بیشترین اهمیت را دارد، دارند.

مزایای بادهای فراساحلی اگر نگوییم بیشتر، پتانسیل برابری دارند. به عنوان مثال، در بخش طراحی، ما با Lamprell کار کرده ایم تا میزان فولاد در فونداسیون های بادی دریایی را تا 30 درصد کاهش دهیم. این نه تنها مزایای مستقیمی از طریق هزینه مواد کمتر دارد، بلکه با در نظر گرفتن میزان جوشکاری مورد نیاز برای چیدن فونداسیون و همچنین حمل و نقل، اثرات ضربه‌ای بسیار مهمی نیز دارد.

هنگامی که یک طرح بهینه شده در داخل عملیات و به طور اساسی برای مزارع بادی زنده می شود، تاثیر آن یک سرعت 1000 برابری است. این بدان معناست که یک اپراتور می تواند تصمیمات آگاهانه ای را در مورد زمان اجرای تعمیر و نگهداری و نحوه تنظیم پنجره عملیاتی توربین برای جلوگیری از خرابی فونداسیون در صورتی که فرصت نگهداری بعدی مدتی دور باشد، اتخاذ کند.

مزایا بیشتر برای بادهای دریایی شناور است، جایی که فونداسیون و توربین بارگذاری دینامیکی بیشتری دارند. این نوع سودها برای کاهش هزینه همسطح انرژی (LCOE)، مقیاس حرکت در باد شناور، حیاتی خواهند بود. برای رسیدن جهان به نقشه راه آژانس بین المللی انرژی، این نوع دستاوردها یک ضرورت مطلق است.

VentureBeat: چگونه انتظار دارید که استفاده و قابلیت‌های تکنیک‌های شبیه‌سازی بهتر مانند RB-FEA و رویکردهای مرتبط در آینده نزدیک تکامل یابد، به ویژه در رابطه با بهبود گردش‌های کاری مرتبط با دوقلوهای دیجیتال؟

لورنت: درک در زمان واقعی یکپارچگی ساختاری یک دارایی یک تغییر بازی برای موارد زیر است:

• عملیات بهینه
• تمدید عمر دارایی ها
• طراحی در حین عملیات (طراحی نسل بعدی دارایی ها بر اساس داده های تولید شده از دوقلو دیجیتال)

امروزه، دوقلوهای دیجیتال Akselos در دارایی هایی به ارزش میلیاردها دلار در سطح جهان مستقر هستند. این دارایی های پیچیده (و در بیشتر موارد کهنه) قدیمی نفت و گاز را به نمونه های اولیه نمایشگر پیشرفته در باد شناور تقاطع می دهد.

ما در حال کار بر روی ساختن نرم‌افزار به‌طور واقعی‌تر هستیم، در برخی موارد، دوقلوهای دیجیتال مبتنی بر فیزیک ما هر ثانیه داده‌های جدید را تفسیر می‌کنند. این سرعت همچنین ترکیب AI/ML را با شبیه‌سازی‌های مبتنی بر فیزیک، یک تغییر دهنده بازی با پتانسیل گسترده، امکان‌پذیر می‌سازد. این همان چیزی است که جایزه بهترین کاغذ AIAA 2020 را برای بهینه سازی طراحی چند رشته ای برای ما به ارمغان آورد. در اینجا RB-FEA مجموعه داده بسیار غنی‌تر، ارزان‌تر و دقیق‌تری ارائه می‌دهد.

این تیم همچنین در حال کار بر روی گرفتن فیزیک بیشتر و بیشتر (مثلاً چند فیزیک و غیرخطی) است. و ما در حال کار بر روی ویژگی‌های بسیار قدرتمند RB-FEA برای طراحی بهینه هستیم، از جمله امکان مهندسی مجدد کل سیستم توربین بادی بر اساس ارتقاء مواد یا ایده‌های طراحی جدید در عرض چند هفته.

VentureBeat: راهکارهای اصلی شما برای سایر شرکت‌هایی که ممکن است به لطف روندهای صنعت به طور کلی در حال بررسی راه‌هایی برای استفاده از پیشرفت‌های شبیه‌سازی باشند، چیست؟ 

لورنت: احتمالاً تنها مهمترین چیز این است که تخیل را در مورد آنچه ممکن است تحت فشار قرار دهید. در دنیایی که به طور فزاینده ای حسگر و روباتیک شده است، فناوری شبیه سازی در حال تبدیل شدن به یک ابزار قدرتمند برای ایجاد مزیت رقابتی است. برای مثال، می‌توانیم شروع به راه‌اندازی و بهینه‌سازی مزارع بادی بر اساس توربین به توربین کنیم. داده‌های پهپادها و حسگرهای بازرسی روی توربین‌ها می‌تواند به ارزیابی سلامت هر توربین کمک کند و اپراتورها را قادر می‌سازد تا تصمیم‌گیری آگاهانه در مورد میزان سختی کار هر توربین بسته به قیمت برق بگیرند (اگر هزینه آن هزینه بر باشد، کارکردن توربین با سرعت بالا فایده ندارد. "مصرف زندگی" بیشتر از درآمدی که ایجاد می کند).

در نفت و گاز پایین دست، ما در حال انجام تجزیه و تحلیل تقریباً بلادرنگ هستیم تا به مشتریان خود کمک کنیم تا زمان خود را از مسیر بحرانی حذف کنند و زمان کار را افزایش دهند، و بدون فناوری شبیه‌سازی، این امکان وجود نخواهد داشت.

در نهایت، اگر شما صاحب دارایی هستید، فکر می‌کنم مهم است که نحوه ترکیب منابع و ابزارهای مختلف داده با فن آوری شبیه سازی برای رسیدن به نتایج بهتر کسب و کار این در ذهن آنها نبوده است زیرا قدرت شبیه سازی برای استفاده در تنظیمات عملیاتی تقریباً زمان واقعی به اندازه کافی قدرتمند نبود، اما اکنون به طور چشمگیری تغییر کرده است.

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