Cosa significa una simulazione 1000 volte più veloce per i gemelli digitali

Circa dieci anni fa, i ricercatori del MIT hanno scoperto una tecnica che accelera la modellazione fisica di 1000 volte. Hanno trasformato tutto questo in una nuova società, chiamata Akselos, che ha aiutato le imprese a integrare la tecnologia in vari tipi di gemelli digitali utilizzato per migliorare il trasporto marittimo, la raffinazione e la produzione di energia eolica.

Un gemello digitale è una rappresentazione virtuale di un oggetto o sistema che abbraccia il suo ciclo di vita, viene aggiornato da dati in tempo reale e utilizza la simulazione, l'apprendimento automatico e il ragionamento per aiutare il processo decisionale. I sensori collegati all'asset fisico raccolgono dati che possono essere mappati sul modello virtuale.

L’innovazione specifica migliora le prestazioni degli algoritmi di analisi degli elementi finiti (FEA) che sono alla base della maggior parte dei tipi di simulazioni fisiche. L'esperienza di Akselos nell'ultimo decennio può aiutare i dirigenti a esplorare le implicazioni del miglioramenti milioni di volte nella simulazione fisica che Nvidia sta ora dimostrando grazie al miglioramento dell'hardware, della scalabilità e di nuovi algoritmi.

VentureBeat ha incontrato il CEO di Akselos Thomas Leurent per spiegare cosa potrebbero significare questi miglioramenti più ampi per il settore nel suo insieme. Ad alto livello, una simulazione più rapida semplifica il confronto dei compromessi di progettazione che portano a prodotti più efficienti, costi ridotti, prestazioni migliorate e algoritmi di intelligenza artificiale migliori. I vantaggi pratici includono la riduzione di un terzo del peso delle torri eoliche e il miglioramento della sicurezza delle navi petrolifere.

Il ruolo della simulazione nella trasformazione digitale

I gemelli digitali sono più simili a un modello di progettazione che a una tecnologia. Le aziende assemblano i vari componenti in una soluzione, proprio come quando costruiscono una pipeline di dati. Vari PLM, software per l’edilizia e fornitori specifici del settore stanno creando portafogli per supportare una gamma più ampia di funzionalità dei gemelli digitali, inclusa la simulazione fisica. Un motore di simulazione più veloce consente alle aziende di esplorare nuovi modi di integrare la simulazione nelle fasi di ideazione, progettazione, approvvigionamento, progettazione di prodotti migliori e promozione della trasformazione digitale.

Akselos è una piattaforma di simulazione all'avanguardia progettata per migliorare l'analisi degli elementi finiti, una componente cruciale di molti tipi di stimolazione fisica. Akselos ha scoperto come velocizzare gli algoritmi principali circa 1000 volte circa dieci anni fa. Tutti gli altri fornitori di PLC e CAD stanno esplorando modi per realizzare qualcosa di simile.

Ma come si traduce esattamente un’accelerazione di 1000 volte nella simulazione in valore aziendale, dal momento che la simulazione non è altro che una parte di un processo tecnico e aziendale più ampio? È probabile che altre aziende traggano vantaggio dalle esperienze di Akselos per costruire la propria infrastruttura di simulazione utilizzando una combinazione di hardware più veloce, algoritmi migliori o entrambi. Le GPU sono già 1000 volte più veloci di quanto lo fossero all’inizio di questa ricerca e, se combinate con miglioramenti anche marginali degli algoritmi, le aziende cercheranno modi per “sprecare” in modo creativo i cicli di simulazione per ottenere guadagni in altri modi.

I clienti Akselos hanno scoperto diversi modi per tradurre simulazioni più veloci in valore aziendale. Ad esempio, la Shell Oil ha scoperto un processo di progettazione più rapido per una petroliera specializzata multimiliardaria, che allo stesso tempo ha ridotto il numero dei punti deboli. Altri clienti hanno ridotto del 30% il materiale in una turbina eolica.

È probabile che altre aziende vedranno guadagni simili mentre ripensano il modo in cui una simulazione più rapida può essere applicata ai loro trasferimenti di progettazione e implementazione per altre cose fisiche come fabbriche, automobili, dispositivi medici e altro ancora.

VentureBeat: Qual è la tua opinione generale su alcuni dei modi in cui i miglioramenti nelle tecniche di modellazione e simulazione potrebbero migliorare l'uso dei gemelli digitali?

Tommaso Laurent: I gemelli digitali per gli asset industriali possono solo trarre vantaggio dall’utilizzo degli strumenti di simulazione di ingegneria meccanica utilizzati inizialmente per progettarli, e questi sono tutti basati sull’analisi degli elementi finiti (FEA). Anche gli standard più rigorosi per le operazioni si basano sulla FEA per gestire asset critici come raffinerie, navi, piattaforme petrolifere, ecc. Ma la FEA è troppo lenta per essere utilizzata per i gemelli digitali nella fase operativa. Pertanto, era necessario un aggiornamento una volta in una generazione per potenziare gli algoritmi principali, per consentire a FEA di supportare casi d'uso quasi in tempo reale, parametrici e abilitati alla connettività.

VentureBeat: Qual è il problema con l'analisi degli elementi finiti a base ridotta: perché è molto più veloce rispetto alle tecniche di modellazione tradizionali?

Laurent: FEA è in realtà un algoritmo molto vecchio e inefficiente. Utilizza mesh (ad esempio milioni di triangoli o tetraedri) per definire la geometria di una parte. Va bene. Il problema è che la FEA assegna gradi di libertà a ciascun nodo della mesh, e questo è in realtà completamente eccessivo. La FEA finisce per risolvere problemi in spazi con milioni di dimensioni, il che è molto costoso e non può essere fatto in tempo reale.

RB-FEA, la tecnologia pionieristica di Akselos, lo capisce e cerca cosa Prof AT Patera al MIT chiama "la varietà sottostante". Si tratta di un sottospazio, molto più piccolo dello spazio FEA originale, e comunque abbastanza grande da garantire che il problema si comporti in quel sottospazio.

Lo chiamiamo spazio RB, su base ridotta (anche quel sottospazio RB è eccessivo, ma è 1,000 volte meno eccessivo dello spazio FEA originale). Risolviamo il problema nel sottospazio RB, che è 1,000 volte più efficiente, e poi abbiamo tutti i calcoli per proiettarli nuovamente nello spazio FEA a cui gli ingegneri sono abituati e che gli standard riconoscono. Per gli ingegneri questo è davvero trasparente: i calcoli RB-FEA vengono eseguiti alla velocità della luce quando erano lenti con FEA. In pratica, tutto ciò significa che la FEA è adatta per eseguire simulazioni a livello di parte meccanica, ma si scontra con un muro oltre questo. RB-FEA può eseguire simulazioni di massima precisione a livello di sistema e fino al livello di parte meccanica, senza la necessità di sottomodelli. Si tratta di un flusso di lavoro notevolmente migliorato.

VentureBeat: Dove i fornitori di simulazione vedono la più grande nuova adozione nel 2021 della tecnologia di simulazione per i gemelli digitali, in particolare in quali settori e quali tipi di prodotti, e perché?

Laurent: I due settori che secondo noi generano la spinta più forte includono l’eolico offshore e il petrolio e gas. C’è un’enorme crescita nell’eolico offshore con oltre il 95% della capacità ancora da costruire per raggiungere gli obiettivi net-zero dell’AIE 2050. Esiste una significativa domanda di tecnologia in grado di ridurre i rischi sia nella progettazione che nel funzionamento delle strutture eoliche offshore. La potente simulazione ingegneristica che utilizza i gemelli digitali consente a sviluppatori e operatori di analizzare migliaia di scenari "what-if" in un ambiente sicuro.

Nella progettazione, abbiamo dimostrato che possiamo consentire risparmi di capitale fino al 30% sulla fondazione attraverso l'ottimizzazione avanzata con il nostro partner Lamprell, e che c'è più potenziale. Nelle operazioni, siamo l'unico fornitore di tecnologia in grado di analizzare la salute strutturale fino al livello del cm quadrato. Questo gemello digitale operativo rappresenta una svolta assoluta per gli operatori, poiché fornisce informazioni utili sulla frequenza con cui dovrebbero ispezionare quali parti della struttura.

La transizione energetica sta spingendo le grandi major del settore petrolifero e del gas a rivalutare le principali decisioni di investimento e sta spingendo verso la ricerca di modi per ottenere di più dalle risorse esistenti. Ciò richiede il picchettamento di gemelli digitali strutturali in un ambiente operativo. I modelli altamente dettagliati offerti dalla simulazione ingegneristica avanzata consentono un modo sicuro ed efficiente per comprendere il comportamento di asset/attrezzature e prolungarne la vita.

VentureBeat: Quali sono alcuni dei tipi di casi d'uso in cui hai riscontrato vantaggi significativi rispetto agli approcci tradizionali di modellazione e simulazione?

Laurent: Abbiamo compresso quello che era un flusso di lavoro di sei mesi per analizzare le navi cisterna FPSO (floating production storage and offloading) di Shell, in meno di 48 ore, aumentando al tempo stesso la precisione di 10 volte.

Altri esempi di casi d’uso includono l’autovalutazione dei danni strutturali durante il volo da parte di un drone o di un aereo. E poi ovviamente l’eolico offshore. Questa tecnologia contribuirà a ridurre enormemente il costo dell’energia eolica offshore. In particolare l’eolico offshore galleggiante, che costituisce una delle più grandi fonti di energia rinnovabile sulla Terra, una volta sbloccato.

VentureBeat: Potresti spiegarci come questi tipi di vantaggi si manifestano nella pratica? Ad esempio, come si traduce un miglioramento di 1000 volte nelle prestazioni di modellazione in vantaggi pratici, come la riduzione della quantità di materiale in una piattaforma di turbina eolica e del suo costo complessivo?

Laurent: RB-FEA ha fatto sì che alcune delle risorse più grandi (e complesse) del pianeta, come la nave galleggiante di produzione, stoccaggio e scarico Bonga di Shell, abbiano un gemello digitale basato sulla fisica (che tiene conto di variabili come l'affaticamento dello scafo , carico cisterna, onde) e compatibile con le norme. Ciò ha ottenuto un premio per il miglior premio cartaceo alla Offshore Technology Conference 2021. E la linea di prodotti Akselos supporta la protezione di 7 miliardi di dollari (all'anno) di produzione equivalente al petrolio.

Un gemello digitale con RB-FEA Riduzione del 30% dei costi di ispezione su un FPSO ma, cosa ancora più importante, possibilità di guardare nel posto giusto su una risorsa enorme e rilevare tempestivamente i difetti per evitare grossi problemi. Sul Bonga FPSO il vantaggio di una maggiore precisione ha portato a ridurre 15,000 punti di fatica di alto livello a 230 punti caldi di fatica reali nelle posizioni più critiche. Ciò è di enorme valore per l'operatore, poiché ora dispone di informazioni fruibili per condurre le attività di ispezione e manutenzione dove conta di più.

I vantaggi dell’energia eolica offshore hanno lo stesso potenziale, se non di più. Ad esempio, dal punto di vista della progettazione, abbiamo collaborato con Lamprell per ridurre fino al 30% la quantità di acciaio nelle fondazioni degli impianti eolici offshore. Ciò non solo comporta vantaggi diretti grazie al minor costo dei materiali, ma ha anche effetti a catena molto significativi se si considera la quantità di saldature necessarie per mettere insieme le fondamenta e il trasporto.

Quando un progetto ottimizzato prende vita all’interno delle operazioni, e soprattutto per i parchi eolici, l’impatto è un’accelerazione di 1000 volte. Ciò significa che un operatore può prendere decisioni informate su quando eseguire la manutenzione e su come regolare la finestra operativa della turbina per evitare cedimenti delle fondazioni se la prossima opportunità di manutenzione è lontana.

I vantaggi sono ulteriormente aggravati per l’eolico offshore galleggiante, dove la fondazione e la turbina hanno un carico più dinamico. Questi tipi di guadagni saranno fondamentali per ridurre il costo livellato dell’energia (LCOE), la scala trainante nel vento fluttuante. Affinché il mondo possa rispettare la tabella di marcia dell’AIE, questo tipo di risultati sono assolutamente necessari.

VentureBeat: Come prevedete che si evolveranno nel prossimo futuro l'uso e le capacità di migliori tecniche di simulazione come RB-FEA e gli approcci correlati, in particolare per quanto riguarda il miglioramento dei flussi di lavoro legati ai gemelli digitali?

Laurent: Comprendere in tempo reale l’integrità strutturale di un bene è un punto di svolta per:

• Operazioni ottimali
• Allungamento della vita dei beni
• Progettazione in-operativa (progettazione della prossima generazione di risorse sulla base dei dati generati dal gemello digitale)

Oggi, i gemelli digitali Akselos sono distribuiti su asset che valgono miliardi di dollari, a livello globale. Ciò va dalle complesse (e nella maggior parte dei casi obsolete) risorse petrolifere e del gas legacy a prototipi dimostrativi all’avanguardia nel vento fluttuante.

Stiamo lavorando per rendere il software sempre più in tempo reale: in alcuni casi, i nostri gemelli digitali basati sulla fisica interpretano nuovi dati ogni secondo. Questa velocità consente inoltre di combinare AI/ML con simulazioni basate sulla fisica, un punto di svolta con un vasto potenziale. Questo è ciò che ci è valso il premio AIAA Best Paper Award 2020 per l'ottimizzazione della progettazione multidisciplinare. Qui RB-FEA fornisce un set di dati molto più ricco, più economico e più accurato.

Il team sta anche lavorando per catturare sempre più fenomeni fisici (multifisici e non lineari per esempio). E stiamo lavorando su funzionalità molto potenti di RB-FEA per una progettazione ottimale, inclusa la possibilità di riprogettare un intero sistema di turbine eoliche sulla base di aggiornamenti dei materiali o nuove idee di progettazione in poche settimane.

VentureBeat: Quali sono i tuoi suggerimenti principali per altre aziende che potrebbero esplorare modi per trarre vantaggio dai miglioramenti della simulazione grazie alle tendenze del settore in generale? 

Laurent: Probabilmente la cosa più importante è spingere l’immaginazione verso ciò che è possibile. In un mondo sempre più sensorizzato e robotizzato, la tecnologia di simulazione sta diventando uno strumento sempre più potente per generare vantaggio competitivo. Ad esempio, potremmo iniziare a gestire e ottimizzare i parchi eolici turbina per turbina. I dati provenienti dai droni di ispezione e dai sensori sulle turbine potrebbero aiutare a valutare lo stato di salute di ciascuna turbina e consentire agli operatori di prendere decisioni informate sull’intensità con cui dovrebbero far funzionare ciascuna turbina a seconda del prezzo dell’energia (non ha senso far funzionare una turbina ad alta velocità se ciò costa più "consumo di vita" rispetto alle entrate che genera).

Nel settore downstream del petrolio e del gas, stiamo effettuando analisi quasi in tempo reale per aiutare i nostri clienti a ridurre i tempi del percorso critico e ad aumentare i tempi di attività, e senza la tecnologia di simulazione ciò non sarebbe possibile.

In definitiva, se sei un proprietario di beni, penso che sarà fondamentale considerare come combinare diverse fonti di dati e strumenti tecnologia di simulazione per ottenere risultati aziendali migliori. Questo non era nella loro mente perché la potenza della simulazione non era abbastanza potente per essere utilizzata in contesti operativi quasi in tempo reale, ma ora la situazione è cambiata radicalmente.

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