محاكاة الهندسة تتقلص للعثور على إجابات في الوقت الحقيقي
تواجه محاكاة الفيزياء مشكلة – فالمهندسون الذين يحتاجون إلى نتائج هذه المحاكاة غالبًا ما لا يمتلكون الوقت للانتظار. وعند إضافة إعدادات العالم الحقيقي التي تتطلب حسابات مستقلة متعددة (على سبيل المثال، العناصر الحرارية والميكانيكية والكهرومغناطيسية المنفصلة في النظام)، قد يبدو أن الحسابات “متعددة الفيزياء” التي تكون واقعية وفي الوقت الحقيقي هي إما-أو.
سيستكشف المبرمجون والنمذجة في بورتلاند، ماساتشوستس هذا الأسبوع طرقًا جديدة للتعامل مع متعددة الفيزياء أثناء التنقل في بيئة برنامج المحاكاة COMSOL. على مدى ثلاثة أيام من الكلمات الرئيسية وورش العمل والعروض، سيفكر مستخدمو COMSOL في طرق جديدة لحل أزمة وقت المحاكاة.
يقول بيورن سودين، نائب الرئيس الأول لإدارة المنتجات في الشركة الأم الموجودة في ستوكهولم، والمعروفة أيضًا باسم COMSOL: “النماذج البديلة هي تقنية جديدة مثيرة حيث تأخذ نموذجك الكامل متعدد الفيزياء وتضغطه إلى تنسيق مضغوط يمكن تقييمه بسرعة باستخدام التعلم الآلي”.
التحدي أوسع من COMSOL فقط. وفقًا لمراجعة نشرت في وقت سابق من هذا العام في مجلة Procedia Computer Science، تواجه مجموعة من الصناعات اختناقات في المحاكاة حيث يقول المؤلفون: “يمكن أن يستغرق تنفيذ محاكاة عالية الدقة حتى أسابيع لكل تصميم”.
تشير النماذج البديلة، كما يلاحظ المؤلفون في Procedia، إلى تقليص المعادلات إلى نسخ مبسطة من بيئات المحاكاة الأكبر. بعبارة أخرى، تلتقط النماذج البديلة السلوكيات الأساسية للأنظمة المحددة التي يتم نمذجتها ولكن دون الكثير من الأعباء الحاسوبية. غالبًا ما تتضمن هذه العملية تقليم النموذج المعقد الأصلي في نقاط رئيسية، ثم تدريب تقريبات أسرع يمكنها التنبؤ بالنتائج لسيناريوهات جديدة.
يقول سودين عن نظام النمذجة البديلة في COMSOL: “يمكنك تقييم هذه النماذج على الفور”. “بينما إذا قمت بحل النموذج الكامل مع مدخلات غير معروفة، فقد يستغرق الأمر 15 دقيقة. والناس غير صبورين جدًا.”
وفقًا لسودين، تستخدم الشركات المصنعة للسيارات الأوروبية الآن نماذج COMSOL البديلة لمحاكاة حزم بطاريات السيارات الكهربائية بالكامل بسرعة، مما يمكّن القرارات في الوقت الحقيقي التي كان يجب على المديرين والمهندسين الانتظار لفترة أطول من ذلك. وفي الوقت نفسه، يضيف سودين، استخدم معهد سويسري نظام COMSOL البديل كتطبيق للمزارعين الهنود للتنبؤ بتلف الطعام في التخزين البارد. وجدت الدراسة أن المحاكاة البديلة مكنت المزارعين من تقليل تلف الطعام بنسبة 20 في المئة.
تتنبأ المحاكاة العددية الكاملة لـ COMSOL بأداء سطح هوائي (الكرة اليمنى)، بينما يصل نموذجها البديل المبسط (الكرة اليسرى) إلى نتائج مشابهة تقريبًا في وقت تشغيل أقل بكثير.
تحويل متعددة الفيزياء إلى تطبيق
يقول سودين إن COMSOL تنوي تحويل مستخدمي نظام المحاكاة إلى شيء أقرب إلى مطوري البرمجيات في حقهم.
يقول: “يمكنك تجميع هذه التطبيقات في ملفات تنفيذية مستقلة يمكنك توزيعها حول العالم دون أي نوع من دفع الترخيص”.
يقول إن نماذج الشركة البديلة قادرة على العمل كتطبيقات مستقلة، والتي يمكن أن تعمل على أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الهواتف الذكية.
يقول: “إذا كنت تريد إعطاء هذا لشخص ما في المصنع، فإن هذه النماذج البديلة مفيدة حقًا لأنها تتيح لك التقييم والحصول على النتائج على الفور”. تعمل النماذج بسرعة مقارنةً بالمحاكاة متعددة الفيزياء الكاملة لأن النسخة التطبيقية، على سبيل المثال، لأداء حراري لبطارية معينة وتركيبها الكيميائي تأتي محملة مسبقًا. المحاكاة سريعة، لأنها تحتوي بالفعل على معلمات محسوبة مسبقًا محددة للبيئة الفيزيائية التي سيتم محاكاتها – وفقط البيئة التي سيتم محاكاتها.
بالإضافة إلى الذكاء الاصطناعي الذي يسرع وقت الحوسبة لكل تشغيل، تعتمد COMSOL على حيل أخرى أيضًا. ما يسميه النماذجون “نماذج مرتبة مخفضة” (ROMs) تتضمن تحسينات مثل التعرف على الأنماط الرياضية وتقليص بعض المعادلات الأكثر تعقيدًا في الحساب. “تدخل الشبكات العصبية في اللعب هناك، ولكن أيضًا تقنيات أخرى، تقنيات النمذجة المرتبة التقليدية”، كما يقول.
على سبيل المثال، في مراجعة صناعية شاملة لعام 2024 لنماذج ROM، وصف باحثون من المدرسة الدولية للدراسات المتقدمة في ترييستي، إيطاليا، مجموعة من تقنيات ROM التي تعتمد على أكثر من مجرد الذكاء الاصطناعي أو الشبكات العصبية.
“تنقسم نماذج ROM إلى عائلتين كبيرتين: الطرق التدخلية، حيث يتم التلاعب مباشرة بالمعادلات الحاكمة، والطرق غير التدخلية، حيث يتم اعتبار بيانات المحاكاة فقط”، كتب الباحثون. تظهر الورقة أن مزيجًا من الشبكات العصبية وأدوات النمذجة الرياضية التقليدية يمكن أن يحقق تسريعًا حاسوبيًا يصل إلى 100,000 مرة أسرع من النماذج بدون ذكاء ROM مضاف.
