Что такое цифровое моделирование
Цифровое моделирование.
Цифровое моделирование на современном этапе развивается наиболее динамично. Это связано с интенсивным развитием математического обеспечения, формирующегося в виде пакетов прикладных программ. Использование этих пакетов повышает производительность моделирования и одновременно упрощает его.
Достоинства метода цифрового моделирования:
1. Решается любой класс задач подлежащих математической интерпретации;
2. Высокая точность решения (ограничена только временем решения задачи);
3. Легкость перехода от одной задачи к другой (необходимо лишь перезапустить программу);
4. Возможность исследования объектов высокой размерности.
Недостаток метода цифрового моделирования – конечное время моделирования, которое может не совпадать с реальным временем.
Математическое описание объекта составляют различные математические формы выражения количественных соотношений между переменными и постоянными. Это различные функции, уравнения, системы уравнений, условия однозначности их решений, неравенства и другие математические представления.
Если известно математическое описание функционирования объекта-оригинала, согласно этому описанию определен процесс над числами, выражающими значения величин, характеризующих состояние объекта, и этот процесс отображен в ЦВМ, то процесс, реализуемый ЦВМ, является материальной функциональной формальной математической подобной цифровой моделью оригинала.
Дискретная природа функционирования ЦВМ требует, как правило, приведение исходного математического описания оригинала к виду, удобному для цифрового моделирования. Прежде всего необходима дискретизация непрерывных величин. При этом непрерывные функции подвергаются квантованию по уровню и аргументу. В результате непрерывная функция непрерывного аргумента y = f( t ) превращается в дискретную функцию дискретного аргумента
Алгоритм может быть представлен в трех основных формах: аналитической, словесной и структурной.
В целом процесс моделирования на ЦВМ состоит из следующих этапов:
1. Составление исходного алгоритма, т.е. алгоритмизация математического описания оригинала.
2. Составление промежуточного алгоритма на алгоритмическом языке.
3. Получение машинного алгоритма.
4. Отладка программы.
5. Машинная реализация решения задачи.
Первые четыре подготовительных этапа значительно упрощаются благодаря применению типовых алгоритмов и соответствующих им стандартных программ, заранее составленных и многократно используемых для решения таких задач, как вычисление элементарных функций, определение нулей полиномов, перевод чисел из одной системы счисления в другую и др.
Комплекс программных средств, предназначенных для снижения трудоемкости подготовительной работы, повышения эффективности использования машины и облегчения ее эксплуатации, называется математическим обеспечением ЦВМ.
Различным математическим формам и представлениям, характеризующим или определяющим непрерывную функцию f(t), можно поставить в соответствие аналоги, характеризующие или определяющие решетчатую функцию f(k). Аналогом первой производной функции f(t)
являются первое разностное уравнение функции f[k]
, т.е. совершается переход к численным методам решения.
* первым этапом является при проектировании является выбор наиболее подходящей математической модели. Этот этап должен обеспечить получение наиболее удачной математической модели и выработке требований к условиям модели;
* вторым этапом процесса проектирования является подготовка математической модели для моделирования. Задача решается приведением к структурной схеме дискретного процесса и приведением системы уравнений к дискретной форме. Этот этап завершается двумя результатами: математическим описанием и структурной схемой всей дискретной системы. Структурная схема полученной дискретной системы должна быть идентична структурной схеме непрерывной системы по потоку информации;
* третьим этапом является написание программы для осуществления математического моделирования. Это решающий этап, содержащий строгое соблюдение временных соотношений в синтезируемой математической модели, как правило наибольшее число проблем возникает при переходе от задач 2го этапа к задачам 3го этапа;
*четвертый этап испытание, проверка и отладка модели, после которого получается законченная модель.
Дата добавления: 2015-11-10 ; просмотров: 703 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Цифровое моделирование
Смотреть что такое «Цифровое моделирование» в других словарях:
цифровое моделирование — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN digital simulation … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование — 3.8 цифровое моделирование: Способ использования различных математических методов на электронно вычислительных машинах для достижения акустической симуляции (см. 3.1). Источник: ГОСТ Р 53737 2009: Нефтяная и газовая промышленность. Поршневые… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
цифровое моделирование — skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. digital simulation; numerical modelling vok. digitale Simulation, f; numerische Simulation, f rus. цифровое моделирование, n; численное моделирование, n pranc. simulation… … Automatikos terminų žodynas
цифровое моделирование в реальном масштабе времени — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN real time digital simulationRTDS … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование рельефа — Создание цифровой модели рельефа и ее использование. Примечания 1. Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции структурных линий и линий перегиба… … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование рельефа — 61 цифровое моделирование рельефа: Создание цифровой модели рельефа и ее использование. Примечания 1 Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
аналоговое [аналого-цифровое] моделирование — Моделирование процессов и объектов с помощью средств аналоговой [аналого цифровой] вычислительной техники. [ГОСТ 18421 93] Тематики аналоговая и аналого цифровая выч.техн … Справочник технического переводчика
аналого-цифровое моделирование — analoginis skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. analog digital simulation vok. analog digitale Simulation, f rus. аналого цифровое моделирование, n pranc. simulation analogique numérique, f … Automatikos terminų žodynas
аналого-цифровое моделирование — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия EN analog digital simulation … Справочник технического переводчика
Моделирование — Моделирование исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих… … Википедия
цифровое моделирование
3.8 цифровое моделирование: Способ использования различных математических методов на электронно-вычислительных машинах для достижения акустической симуляции (см. 3.1).
Смотри также родственные термины:
61 цифровое моделирование рельефа: Создание цифровой модели рельефа и ее использование.
1 Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции структурных линий и линий перегиба склонов; оконтурирования водосборных бассейнов; интерполяции высот; построения горизонталей и иных изолиний по множеству значений отметок высот (глубин); анализа видимости/невидимости; построения вертикальных профилей сечения рельефа, трехмерных изображений, в том числе блок-диаграмм; автоматизации отмывки рельефа; цифрового ортотрансформирования снимков и других вычислительных операций и графоаналитических построений.
2 Методы и алгоритмы создания и обработки цифровой модели рельефа применимы к иным физическим или статистическим рельефам и полям.
Полезное
Смотреть что такое «цифровое моделирование» в других словарях:
цифровое моделирование — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN digital simulation … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование — skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. digital simulation; numerical modelling vok. digitale Simulation, f; numerische Simulation, f rus. цифровое моделирование, n; численное моделирование, n pranc. simulation… … Automatikos terminų žodynas
Цифровое моделирование — способ исследования реальных явлений, процессов, устройств, систем и др., основанный на изучении их математических моделей (См. Математическая модель) (математических описаний) с помощью ЦВМ. Программа, выполняемая ЦВМ, также является… … Большая советская энциклопедия
цифровое моделирование в реальном масштабе времени — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN real time digital simulationRTDS … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование рельефа — Создание цифровой модели рельефа и ее использование. Примечания 1. Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции структурных линий и линий перегиба… … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование рельефа — 61 цифровое моделирование рельефа: Создание цифровой модели рельефа и ее использование. Примечания 1 Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
аналоговое [аналого-цифровое] моделирование — Моделирование процессов и объектов с помощью средств аналоговой [аналого цифровой] вычислительной техники. [ГОСТ 18421 93] Тематики аналоговая и аналого цифровая выч.техн … Справочник технического переводчика
аналого-цифровое моделирование — analoginis skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. analog digital simulation vok. analog digitale Simulation, f rus. аналого цифровое моделирование, n pranc. simulation analogique numérique, f … Automatikos terminų žodynas
аналого-цифровое моделирование — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия EN analog digital simulation … Справочник технического переводчика
Моделирование — Моделирование исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих… … Википедия
Как решать бизнес-задачи предприятия с помощью цифровых моделей и двойников. Кейс Университета 2035
Начнем с терминологии и разберемся, что такое цифровые двойники и цифровое моделирование. Цифровой двойник – это не цифровая копия человека, не аватар, как могут подумать обыватели. Речь идет о производстве. Это копия, виртуальный клон физических объектов и процессов, обычно наукоемких и высокотехнологичных. Например, есть цифровые двойники фабрик и самолетов.
Цифровое моделирование используется не только в промышленности, его цель – создание цифровых копий производственных, лабораторных, приборных и различных бизнес-процессов, который позволяют значительно сократить время и расходы предприятия. Допустим, ваше предприятие производит велосипеды и вам необходимо оптимизировать процесс сборки рам. Есть два варианта решения задачи:
Второй вариант дешевле и безопаснее. Это и есть цифровое моделирование. В цифровом моделировании все чаще используют технологии VR/AR/MR, а также элементы искусственного интеллекта, например, компьютерное зрение.
Цифровой двойник (digital twin) — программный аналог физического устройства, моделирующий внутренние процессы, технические характеристики и поведение реального объекта. Важная особенность – при работе цифрового двойники используется информация с датчиков реального устройства, работающего параллельно. Данные виртуальных датчиков цифрового двойника и датчиков реального устройства постоянно сравниваются.
Отдельной образовательной программы, на которой готовили бы специалистов по цифровому моделированию и цифровым двойникам, до настоящего времени не было. В июне Университет 2035 совместно с Новгородским государственным университетом имени Ярослава Мудрого решили такую программу запустить и проверить следующую гипотезу:
Чтобы выпускать студентов, которые могут сразу эффективно работать на производстве, они уже на первых курсах обучения должны работать над конкретными прикладными задачами будущих работодателей. Безопасно и эффективно это можно делать в цифровой среде, то есть с помощью разных видов цифрового моделирования. В результате компании получают готовые решения, студенты – компетенции, опыт и доступ к работодателям.
На площадке НовГУ стартовал пилотный курс “Введение в цифровые модели и двойники. Технологии цифрового моделирования”. Студенты учились принципам цифрового моделирования и решали задачи новгородских компаний агропромышленного сектора. На цифровых платформах IT-партнеров студенческие команды занимались решениями для предприятий-заказчиков, а также интегрировали свои проекты в VR- и AR-среды. Участники разработали VR-тренажеры, которые в перспективе могут быть использованы для подготовки не только студентов, но и сотрудников компаний, моделирования логистики движения сырья и продуктов, оптимизации технологий.
Спустя два месяца команды представили рабочие MVP (прототипы). Эксперимент был признан успешным и с октября любой российский вуз может запустить у себя курс “Цифровые модели и двойники. Навыки цифрового моделирования производственных процессов”. Компании могут выступить заказчиками решений и стать индустриальными партнерами проекта. Для этого необходимо подать заявку на сайте.
В этой части мы расскажем и покажем реальные проекты участников курса.
Эпоха цифровых моделей: что сменило циркуль и бумагу в XXI веке
Промышленное оборудование, здания, дорожная инфраструктура, автомобили и самолеты — все эти объекты состоят из тысяч деталей, каждая из которых начинается с создания модели. Примерно до конца восьмидесятых это делалось на бумаге, с помощью кульманов, логарифмических линеек, станков без числового программного управления (ЧПУ). Закономерно, что ресурсные и временные затраты были колоссальными: чтобы выпустить 20 паровых турбин, турбинному заводу требовались силы 10 тысяч человек. Для сравнения: сейчас с этой задачей справляются менее тысячи специалистов. Изменилась сама философия проектирования.
Полностью отказаться от кульмана и прочих сопутствующих атрибутов удалось в девяностые: с этого времени чертежи создаются в системах автоматизированного проектирования (САПР или CAD, computer-aided design). Поначалу эти системы не отличались сложным функционалом и поддерживали исключительно 2D-формат — но это уже стало важным шагом для оптимизации производства. Постепенно технологии усложнялись: в 2010-е архивы чертежей «переехали» в цифровую среду и с локальных компьютеров на файл-серверы и облачные ресурсы, чертежи стали трехмерными, в работу вошли расчетные станции (суперкомпьютеры) и обрабатывающие центры.
Конструирование виртуального прототипа становится все сложнее: мы пока не дошли до массового применения голограмм и дополненной реальности, чтобы модель будущего изделия можно было буквально обойти со всех сторон и изучить «вживую» — однако новые технологии уже дали проектированию многие другие интересные возможности.
Виртуальный циркуль
Сегодня цифровое проектирование — база для создания самых разных объектов: от жилых зданий до турбин и космических кораблей. Термин «цифровое» означает не просто перенос чертежа с бумаги на экран компьютера: создание моделей сегодня строится на абсолютно новых принципах. Во-первых, к виртуальному макету привязывается вся документация, которая появляется в процессе подготовки производства. Это дает возможность видеть всю хронологию проектирования, включая этапы согласования, любые изменения, заключения и оценки.
Во-вторых, цифровой прототип обычно собирается в 3D-формате, что позволяет сделать расчеты максимально точными. В-третьих, «сборка» модели происходит в режиме реального времени, по технологии нисходящего одновременного проектирования. Это значит, что каждый, кто занимается разработкой макета, видит результаты работы других участников проекта. Это помогает минимизировать риск несостыковок, когда, например, конструктор планирует установку сенсоров на определенном участке оборудования, в то время как его коллега уже отвел этот участок под другой механизм.
И, разумеется, перевод проектирования на цифровые рельсы существенно снизил временные затраты. Так, рабочий проект одной из турбин Уральского турбинного завода, состоящей из 24 тысяч деталей, благодаря внедрению технологии «цифрового макета изделия» сегодня выполняется за 8 месяцев — раньше на эту задачу уходило больше года. А сокращение сроков — это уменьшение издержек и увеличение объема производства. Если ранее на заводе выпускалось от 200 до 300 трехмерных моделей в год — сейчас же это число превратилось в несколько тысяч.
Близнец в цифре
Но хотя цифровая модель решает многие проблемы проектирования, ее жизненный цикл заканчивается с момента появления объекта на свет. Что происходит потом, в период его работы — мы отследить не можем. Иначе говоря, если в процессе создания модели мы еще имеем возможность просчитать, как конечный продукт проявит себя в тех или иных условиях — то все, что будет влиять на его работу после выхода в эксплуатацию, остается темной зоной. А значит, невозможно вовремя выявить нарушения в его работе и предсказать их выход из строя. Во всяком случае, невозможно с помощью «классического» цифрового моделирования: для решения этой задачи необходим полноценный цифровой двойник.
В отличие от цифровой модели, цифровой двойник сохраняет связь со своим реальным воплощением на протяжении всей его жизни — иначе говоря, цифровая модель продолжает существовать и после появления реального объекта, отражая все изменения в его состоянии. Это происходит с помощью технологии промышленного интернета вещей (Industrial Internet Of Things — IIoT): на машинах устанавливаются датчики, которые собирают данные о параметрах их работы и любых изменениях. Например, если датчик «замечает», что в двигателе повысилась температура, давление, уровень вибрации или другой параметр, он передает эти данные в виртуальную модель. На этой модели операторы видят неисправность и могут просчитать, как она повлияет на работу системы, если ее вовремя не исправить.
Это одно из важнейших свойств цифровых двойников: с их помощью можно моделировать различные производственные ситуации и проверять гипотезы — вместо того, чтобы сразу проводить «натурный» эксперимент и рисковать, если что-то пойдет не так. Именно поэтому цифровые двойники имеют столь большой потенциал и в медицине: когда мы научимся воспроизводить работу человеческих органов, мы сможем проверять, как повлияет на них конкретный препарат или хирургическая операция — и уже по результатам экспериментов подбирать подходящее лечение.
Цена ошибки
Это приводит к необходимости разработки предиктивных систем на основе технологии цифровых двойников, которые помогают вовремя фиксировать нарушения в работе оборудования. Одно из таких решений, индустриальная IIoT-система «Прана», разработанная РОТЕК, позволяет снизить расходы на ремонт до 60% и, в некоторых случаях, рыночные штрафы. Система состоит из нескольких уровней: нижний передает сигналы с датчиков, далее анализируется информация о режиме работы агрегата. На следующей ступени эти данные передаются в аналитический центр, где математический аппарат системы анализирует их и помогает экспертам обработать данные об отклонениях и сформировать рекомендации для персонала электростанции или другого промышленного предприятия, подключенного к системе.
Заводы без людей
Обобщая, можно сказать, что в промышленности цифровые двойники задействованы во многих сферах. В России эти решения активно развивают такие компании, как СИБУР, Норникель и Газпром нефть. Так, «Газпромнефть-Хантос» запустила в 2014 году проект цифрового месторождения, в состав которого вошел полноценный цифровой прототип процесса подъема жидкости из скважин. Следующий шаг в развитии этой технологии — появление полностью автоматизированных производств: заводов, рудников и фабрик, работой которых можно будет руководить дистанционно.
Цифровые двойники нашли свое применение в машино- и самолетостроении: например, их используют для проектирования самолетов «Сухой» и автомобилей КамАЗ. А недавно Евросоюз запустил инициативу Destination Earth, которая предполагает создание цифровой модели Земли — эта модель позволит точнее отражать климатические процессы и прогнозировать будущие изменения с учетом вмешательства человека.
С точки зрения визионера
Драйвером для дальнейшего развития цифровых двойников может стать распространение 5G: высокоскоростные сети с минимальными значениями задержки — основной фактор для развертывания систем IIoT. А IIoT, как мы помним, лежит в основе разработки цифровых прототипов.
Использование Больших данных (Big Data) также неминуемо окажет влияние на технологические процессы и цифровое проектирование в частности. Мы с каждым годом аккумулируем все больше информации как на этапе конструирования, монтажа, так и в ходе всего жизненного цикла турбин и агрегатов с помощью систем удаленного мониторинга и прогностики.
Весь этот массив информации позволит шире применять машинное обучение (machine learning, ML), которое, в свою очередь, даст возможность уже на этапе аналитики предсказать спрос и наиболее перспективные направления. На этапе конструирования можно будет определить риски, выбрать оптимальную конструкцию машины. На этапе производства: оптимизировать издержки (за счет автоматического управления производством). И на этапе эксплуатации: минимизировать простои, аварии, прогнозировать оптимальное время и объем для сервисных работ (это то, что уже сейчас делает система «Прана», способная алгоритмами самообучения заменять аналитика).
Новые возможности проектированию способны дать и решения на базе дополненной реальности (augmented reality, AR), которые позволят сделать виртуальный макет максимально близким к своему «живому» воплощению. Если и дальше уходить в визионерство, то на роль следующего этапа в проектировании претендует эпоха 3D-печати. В идеальной версии развития событий виртуальные модели будут сразу превращаться в свои реальные трехмерные воплощения с помощью 3D-принтеров — но это пока перспективы следующих десятилетий.
Материал подготовлен совместно с АО РОТЕК