О проекте

Разработка открытой библиотеки проведения поэтапного математического моделирования и оптимизации параметров систем при создании цифровых двойников изделий (ссылка на сайт)

Цель проекта

Обеспечить предприятия, инжиниринговые компании, научно-исследовательские институты и ВУЗы доступным инструментом для формирования комплексных математических моделей цифровых двойников изделий за счет создания открытой платформы для решения инженерных задач, связанных с подбором и поиском оптимальных параметров на базе сквозного мультидисциплинарного моделирования с использованием различных параметризированных математических моделей и САЕ продуктов.

Преимущества проекта

Закладываемая архитектура обеспечивает возможности параллельного и распределенного выполнения задач внутри этапа сценария, комбинирования легких и ресурсоемких моделей, использование локальных подпространств имен обеспечит возможность:

• переиспользования математических моделей
• разработки сложных комплексных моделей (в том числе многопользовательском режиме), задел для:
  • вложенных циклов оптимизации
  • применения вложенных моделей
  • формирования локальных баз для прогнозирования параметров отдельных моделей

Перечень направлений прикладного использования проекта

Открытая библиотека позволяет решать инженерные задачи, связанные с подбором и поиском оптимальных параметров на базе сквозного многодисциплинарного моделирования с использованием различных параметризированных математических моделей и CAE продуктов и может быть использована для:

• проведения исследовательских работ по созданию многодисциплинарных математических моделей при создании цифровых двойников изделий
• поиска параметров, вариантов и комбинаций для формирования обликов изделий и процессов оптимальных по широкому спектру параметров и ограничений
• изучения подходов к разработке многодисциплинарных математических моделей при создании цифровых двойников изделий при выполнении магистерских и аспирантских проектов в ВУЗах
• применения в качестве интегрируемого решения в корпоративные системы и другие продукты

Архитектура открытой библиотеки

Основные компоненты открытой библиотеки сквозного многодисциплинарного моделирования расположены в следующих репозиториях:

• БХО (ustep-storage) - База хранения и обмена параметрами
• МИС (ustep-player) - Модуль исполнения сценария
• Оптимизатор (ustep-optim) (текущий репозиторий) - компонент, обеспечивающий проведение оптимизационных исследований

Для демонстрации возможностей открытой библиотеки, а также в качестве примеров ее использования, разработаны независимые програмные компоненты, расположенные в репозиториях:

• ГИ (ustep-ide) - Графический интерфейс , демонстрирующий использование библиотеки из приложения Electron;
• Сценарии (ustep-workers) - Консольные примеры, демонстрирующие использование библиотеки из интерфейса командной строки.

Для использования библиотеки следует загрузить на компьютер репозитории библиотеки (БХО, МИС, Оптимизатор), а также один или оба репозитория, демонстрирующих ее использование (ГИ, Сценарии). Подключение библиотеки к ГИ осуществляется в окне настроек ГИ, в котором указываются пути к БХО, МИС и оптимизатору. Для подключение библиотеки к Сценариям все загруженные репозитории (БХО, МИС, Оптимизатор, Сценарии) должны быть расположены в одной директории, после чего подключение осуществляется автоматически.

Платформа сквозного многодисциплинарного моделирования при использовании ГИ работает по следующему алгоритму:

• пользователь готовит в ГИ проект сквозного многодисциплинарного моделирования;
• ГИ сохраняет описание и начальные параметры сценария;
• ГИ запускает МИС;
• МИС считывает начальные параметры сценария, инициализирует и заполняет БХО с помощью помощника БХО;
• МИС выполняет запуск МШС в соответствии с полученным описанием сценария;
• API внешних модулей получает параметры для выполняемого МШС;
• МШС сценария выполняет свой скрипт/сценарий расчета задачи и обменивается расчетными данными с ядром платформы;
• API внешних модулей передает статус выполняющегося МШС в БХО;
• ГИ получает из БХО информацию о выполнении МШС, отображает ее и позволяет пользователю управлять выполнением сценария;
• ГИ отображает результаты выполнения сценария.

Платформа сквозного многодисциплинарного моделирования при использовании Сценариев работает по следующему алгоритму:

• пользователь запускает в командном интерпритаторе начальный скрипт (run.cmd для ОС Windows или run.sh для ОС Linux) и выбирает сценарий, который должен быть расчитан;
• скрипт запускает МИС, передавая ему параметры выбранного сценария;
• МИС считывает начальные параметры сценария, инициализирует и заполняет БХО с помощью помощника БХО;
• МИС выполняет запуск МШС в соответствии с полученным описанием сценария;
• API внешних модулей получает параметры для выполняемого МШС;
• МШС сценария выполняет свой скрипт/сценарий расчета задачи и обменивается расчетными данными с ядром платформы;
• API внешних модулей передает статус выполняющегося МШС в БХО;
• по окончании расчета управление возвращается в командный интерпритатор, после чего пользователь может проанализировать файлы с результатами выполнения сценария.

Взаимодействие представленных компонентов платформы друг с другом, обеспечивает полный цикл сквозного многодисциплинарного моделирования: подготовку, выполнени и отображение результатов расчета.

Описание инструментов для оптимизации и параметрических исследований

Репозиторий содержит набор инструментов для оптимизации и параметрических исследований открытой библиотеки проведения поэтапного математического моделирования и оптимизации параметров систем при создании цифровых двойников изделий

Минимальные технические требования для запуска и использования исполнителя сценария

• системные требования:
  • процессор с архитектурой x86-64 (Intel с поддержкой Intel 64, AMD с поддержкой AMD64). Желательно использование многопроцессорных или многоядерных машин
  • оперативная память не менее 2 Гбайт (рекомендуется 4 Гбайт и выше)
  • жесткий диск 40Гб и выше
• программные требования:
  • ОС Windows 10 x64 /Ubuntu 22.04
  • Python 3.11
  • дополнительные модули Python можно установить из файла requirements.txt командой pip install -r requirements.txt
  • Redis 7.2

Корневая директория содержит:

• базовые константы платформы определенные в файле UStepMultiParamIntegration.py;
• основную точку доступа к алгоритмам платформы в файле UStepMultiParam.py

Директория Base cодержит набор интерфейсов поддерживаемых библиотекой:

• Optimizer - интерфейс методов оптимизации;
• Sampler - интерфейс генератора очередных точек в пространстве варьируемых параметров (используется адаптивными суррогатными моделями и итеративными оптимизаторами);
• Surrogate - интерфейс суррогатных моделей поддерживающих вычисление значений в точках;
• SurrogateDispersion - интерфейс суррогатных моделей поддерживающих вычисление значений и дисперсии в точках

Директория Core cодержит реализации алгоритмов оптимизации и параметрических исследований такие как:

• алгоритм глобальной оптимизации Стронгина;
• алгоритм адаптивного построения суррогатных моделей на основе метода Кригинга.

Директория Test содержит средства тестирования алгоритмов репозитория:

• unit тесты алгоритмов Test/Core;
• интеграционные тесты Test/Integration, представленные задачей о движении велосипеда с велосипедистом с оптимизацией целевой функции усталости велосипедиста.