Sistem düzeyinde simülasyon - System-level simulation

Sistem düzeyinde simülasyon (SLS) alanında kullanılan pratik yöntemlerin bir koleksiyonudur. sistem Mühendisi simüle etmek için bilgisayar, büyük siber-fiziksel sistemlerin küresel davranışı.

Siber-fiziksel sistemler (CPS), hesaplama unsurları (örneğin, elektronik kontrolörler) tarafından düzenlenen fiziksel varlıklardan oluşan sistemlerdir.

Sistem düzeyinde simülasyon temel olarak aşağıdakilerle karakterize edilir:

  • Büyük ve karmaşık siber-fiziksel sistemlerin (ör. bitkiler, uçaklar, endüstriyel tesisler) pratik simülasyonuna uyarlanmış bir ayrıntı düzeyi
  • Sistem tam olarak belirtilmemiş olsa bile simülasyonu kullanma imkanı, yani simülasyon, sistemin her bir parçası hakkında ayrıntılı bilgi gerektirmez. Bu, simülasyonun bu sürecin erken bir aşamasında bile anlayış veya çalışma aşamaları için kullanılmasını mümkün kılar.

Bu iki özelliğin, modelleme seçenekleri açısından çeşitli çıkarımları vardır (bkz. Daha ileri ).

Sistem düzeyinde simülasyon, genel olarak CPS simülasyonuyla paylaştığı bazı başka özelliklere sahiptir:

  • SLS, çoklu fizik modelleri (termo-akışkan, mekanik, elektrik vb.)
  • SLS sıklıkla disiplinler arasıdır,[1] yani genellikle farklı uzmanlıklara sahip kişiler arasındaki bir işbirliğinin sonucudur
  • SLS genellikle bir model hiyerarşisi üzerine inşa edilir; Tüm modeli tasavvur edilebilir kılmak için genellikle organize bir modelleme gereklidir; sistemin kavramsal olarak alt sistemlere ayrıştırılması, sistemler sistemi

SLS, esas olarak ilgilenilen sistemi karakterize eden fiziksel niceliklerin zaman içindeki gelişimini hesaplamakla ilgilidir, ancak diğer yönler eklenebilir. başarısızlık modellemesi veya gereksinim doğrulama.

Motivasyonlar ve fayda

SLS için ana motivasyon, bütünsel ilke sistemi bir bütün olarak simüle etmenin, sistemin parçalarını ayrı ayrı simüle etmekten daha fazlasını anlattığını ifade eden bilgisayar simülasyonu, aslında, karmaşık bir sistemin farklı parçalarını ayrı ayrı simüle etmek, karşılıklı etkileşimlerinin tüm olası etkilerini ihmal etmek anlamına gelir. Parçalar arasındaki güçlü bağımlılıklar nedeniyle bu etkileşimler göz ardı edilemez. Örneğin, birçok CPS'de geri bildirimler sistem davranışını değiştirmeden kırılamaz. Geri bildirimler, genellikle bir veya daha fazlasını içeren modern endüstriyel sistemlerin çoğunda bulunabilir. kontrol sistemleri. Sistem düzeyinde simülasyonlardan elde edilen faydaların bir başka örneği, bir güneş enerjisi sistemi söz konusu olduğunda bu tür simülasyonların yüksek derecede doğruluk derecesine (örneğin, 6 aylık çalışma boyunca% 1'den az kümülatif doğrulama hatası) yansır.[2].

Öte yandan, her biri sistem bölümlerinden birini simüle etmek için özel olarak oluşturulmuş mevcut simülasyon araçlarını basitçe bağlamak, kabul edilemez hesaplama sürelerine yol açacağından büyük sistemler için mümkün değildir. SLS, yeni araçlar geliştirmeyi ve ilgili basitleştirmeleri seçmeyi amaçlamaktadır. tüm siber-fiziksel sistemi simüle edebilir.

SLS, sistem alt parçalarının ayrıntılı birlikte simülasyonuna kıyasla birçok faydaya sahiptir.Sistem seviyesindeki bir simülasyonun sonuçları, daha ince bir ayrıntı seviyesindeki simülasyonların sonuçları kadar doğru değildir, ancak uyarlanmış basitleştirmelerle, sistem henüz tam olarak belirlenmemiş olsa bile erken bir aşamada simüle edin. Erken hatalar veya tasarım kusurları daha kolay tespit edilebilir.

SLS ayrıca disiplinler arası uzmanlar, mühendisler ve yöneticiler için ortak bir araç olarak yararlıdır ve sonuç olarak işbirliği çabalarını ve iletişimi geliştirebilir. Değişimlerin kalitesinin iyileştirilmesi, mühendisler ve yöneticiler arasında büyük olduğu bilinen yanlış iletişim veya yanlış anlama riskini azaltır. karmaşık sistem mühendisliğinde tasarım hatalarının kaynakları.[3]

Daha genel olarak, hesaplama süreleri kısıtlıyken, yalnızca tüm sistemin simülasyonu anlamlı olduğunda tüm uygulamalar için SLS düşünülmelidir. operatör eğitimi Simüle edilen zaman gerçek zamandan daha hızlı çalışmalıdır ve tüm tesisin davranışını taklit etmelidir.

Modelleme seçenekleri

Siber-fiziksel sistemler hibrit sistemler, yani ayrık ve sürekli dinamiklerin bir karışımını sergilerler. Ayrık dinamikler çoğunlukla dijital algılama veya hesaplama alt sistemlerinden (örneğin kontrolörler, bilgisayarlar, sinyal dönüştürücüler Kabul edilen modeller sonuç olarak böyle bir hibrit davranışı modelleyebilmelidir.

SLS'de kullanımı yaygındır 0D —Bazen 1D— fiziksel olayları 2D veya 3D denklemler yerine uzay değişkenleriyle modellemek için denklemler. Böyle bir seçimin nedeni, simülasyonun hesaplanabilir olarak izlenebilmesi için genellikle çok büyük olan (yani çok fazla eleman ve / veya çok büyük alan uzantısı) simüle edilmiş sistemlerin boyutudur. Diğer bir neden, 3B modellerin her bir parçanın ayrıntılı geometrisinin modellenmesini gerektirmesidir. Bu ayrıntılı bilgi, özellikle geliştirme sürecinde erken bir adımda çalışıyorsa, modelci tarafından bilinmeyebilir.

Büyük CPS'lerin karmaşıklığı, onları tanımlamayı ve görselleştirmeyi zorlaştırır. Yapısı orijinal sistemin yapısına benzeyecek şekilde düzenlenebilen bir temsil, okunabilirlik ve anlaşılma kolaylığı açısından büyük bir yardımcıdır. Bu nedenle, nedensel blok diyagram modellemesine genellikle nedenli modelleme tercih edilir.[4] Nedeni olmayan modelleme, blok diyagramlar olarak geliştirilen modellerin aksine, bileşen modelleri yeniden kullanılabildiği için tercih edilir.[4]

Uygulama alanları

Sistem düzeyinde simülasyon, aşağıdakiler gibi çeşitli alanlarda kullanılır:

Kullanımlar

Geliştirme döngüsünün erken bir aşamasında, SLS, farklı tasarımların boyutlandırılması veya test edilmesi için kullanılabilir. Örneğin, otomotiv uygulamalarında, "mühendisler, fiziksel bir test aracı oluşturmadan önce özellikleri iyileştirmek için simülasyon kullanıyor".[16]Mühendisler, performansı gereksinimlere göre doğrulamak ve ayarlanabilir parametreleri optimize etmek için bu sistem düzeyindeki modelle simülasyonlar çalıştırır.

Sistem düzeyinde simülasyon, gerçek sistem yerine simüle edilmiş sisteme bağlı kontrolörleri test etmek için kullanılır. ECU yöntem denir döngü içi donanım. Kontrolör sıradan bir bilgisayarda bir bilgisayar programı olarak çalıştırılırsa, yönteme döngü içi yazılım adı verilir. Döngüdeki yazılımın dağıtımı daha hızlıdır ve bir donanım denetleyicisi kullanımının getirdiği gerçek zaman kısıtlamasını serbest bırakır.[17]

SLS, bir operatör eğitim simülatörüne veya bir operatör eğitim simülatörüne entegre edilebilecek kadar hızlı simüle edilebilen tesis modelleri oluşturmak için kullanılır. MPC denetleyici.[18] Sürüş simülatöründeki bir araç gibi, daha hızlı dinamiklere sahip sistemler de simüle edilebilir.[19]

SLS kullanımına bir başka örnek, sistem düzeyinde simülasyonu bir CFD Simülasyon: Sistem düzeyindeki model, CFD modelindeki akışkan alanının sınır koşullarını sağlar.[20]

Yöntemler ve araçlar

Spesifik diller, spesifikasyon ve gereksinim modellemesini modellemek için kullanılır. SysML veya FORM-L.[21] Sistem fiziğini modelleme amacı taşımazlar, ancak Modelica gibi hibrit sistem modelleme dillerinde yazılan özellik modellerini ve çoklu fizik modellerini birleştirebilen araçlar mevcuttur.[22]

Bir model makul bir sürede simüle edilemeyecek kadar karmaşık veya çok büyükse, modeli basitleştirmek için matematiksel teknikler kullanılabilir. Örneğin, model sipariş indirimi doğruluğu daha düşük olan ancak daha kısa sürede hesaplanabilen yaklaşık bir model verir. İndirgenmiş sıralı modeller sonlu eleman modellerinden elde edilebilir,[23] ve sistem düzeyinde simülasyonu için başarıyla kullanılmıştır. MEMS.[24]

SLS şunlardan yararlanabilir: paralel hesaplama Mimariler.Örneğin, yüksek seviyeli modelleme dillerinden kod üretmek için mevcut algoritmalar, aşağıdaki gibi çok çekirdekli işlemcilere uyarlanabilir. GPU'lar.[25] Paralel birlikte simülasyon, sayısal entegrasyon hızlarını mümkün kılan başka bir yaklaşımdır.[26] Bu yaklaşımda, küresel sistem alt sistemlere bölünmüştür. Alt sistemler, birbirinden bağımsız olarak entegre edilir ve farklı senkronizasyon noktalarında senkronize edilir. Alt sistemler arasında veri alışverişi yalnızca senkronizasyon noktalarında gerçekleşir. Bu, alt sistemler arasında gevşek bir bağlantıya neden olur.

Optimizasyon, bilinmeyen sistem parametrelerini tanımlamak, yani kalibre etmek için kullanılabilir. CPS modeli, performansı gerçek sistem işlemiyle eşleştirme[27]. Süreçleri yöneten kesin fiziksel denklemlerin bilinmediği durumlarda, yaklaşık ampirik denklemler türetilebilir, örn. çoklu doğrusal regresyon kullanarak[28].

Gelecekteki olası gelişmeler

Simülasyon bir süper hesaplama mimarisine yerleştirilebilirse, günümüzde yaygın olarak benimsenen modelleme seçeneklerinin çoğu (bkz. yukarıda ) modası geçmiş olabilir. Örneğin, gelecek süper bilgisayarlar yapabilir "gevşek bağlı, ileri simülasyon paradigmasının ötesine geçin".[29] Özellikle, "Üst düzey bilgi işlem, karmaşık sorunların daha bütünsel bir şekilde ele alınmasını sağlayacaktır".[29] Yüksek ölçekli bilgisayarlardan yararlanmak için günümüz simülasyon algoritmalarının tasarımını yeniden düşünmek gerekecek.

İçin yerleşik sistem uygulamalar, güvenlik hususları muhtemelen SLS'nin gelişimine öncülük edecektir. Örneğin, aksine eşzamanlı diller SLS için şu anda kullanılan modelleme dilleri (bkz. yukarıda ) tahmin edilemez ve beklenmedik davranışlar sergileyebilir. Bu durumda, bunları güvenlik açısından kritik bir bağlamda kullanmak mümkün değildir. Önce diller titizlikle resmileştirilmelidir.[30] Bazı yeni diller, ayrı bileşenleri programlamak için zaman uyumlu dillerin sözdizimini yazmak için denklem tabanlı dillerin sözdizimi ile birleştirir. ODE'ler.[31]

Referanslar

  1. ^ "NASA - Sistem Düzeyinde Simülasyon". www.nasa.gov. Alındı 2015-11-17.
  2. ^ Fontanella, Giuliano; Basciotti, Daniele; Dubisch, Florian; Judex, Florian; Preisler, Anita; Hettfleisch, Christian; Vukovic, Vladimir; Selke, Tim (2012). "Modelica'da bir güneş enerjisi sistemi modelinin kalibrasyonu ve doğrulanması". Bina Simülasyonu. 5 (3): 293–300. doi:10.1007 / s12273-012-0070-y.
  3. ^ Thuy, Nguyen (Ekim 2015). "Karmaşık ve Kritik Siber-Fiziksel ve İnsan Sistemlerinin Mühendisliğinde Büyük Davranışsal Simülasyonun Yararları ve Zorlukları". 3. Uluslararası Sistem Düzeyinde Simülasyon Çalıştayı (Sim @ SL). Alındı 17 Kasım 2015.
  4. ^ a b Tiller, Michael (2001-01-01). "Blok Diyagramlar ve Nedensel Modelleme". Modelica ile Fiziksel Modellemeye Giriş. Springer International Series in Engineering and Computer Science. Springer ABD. s. 255–264. doi:10.1007/978-1-4615-1561-6_11. ISBN  978-1-4613-5615-8.
  5. ^ "Bina HVAC Sisteminin Sistem Seviyesinde İzlenmesi ve Teşhisi". eScholarship. Alındı 2015-11-17.
  6. ^ Bouvy, Claude; Baltzer, Sidney; Jeck, Peter; Gissing, Jörg; Lichius, Thomas; Eckstein, Lutz (2012). Modelica kullanarak bütünsel araç simülasyonu - Elektrikli araçlar için termal yönetim ve operasyon stratejisi üzerine bir uygulama. 9. Uluslararası MODELICA Konferansı Bildirileri, 3-5 Eylül 2012, Münih, Almanya. 9. Uluslararası MODELICA Konferansı Bildirileri, 3-5 Eylül 2012, Münih, Almanya. 76. s. 264–270. doi:10.3384 / ecp12076263. ISBN  978-91-7519-826-2.
  7. ^ Butler, K.L .; Ehsani, M .; Kamath, P. (1999-11-01). "Elektrikli ve hibrit elektrikli araç tasarımı için Matlab tabanlı bir modelleme ve simülasyon paketi". Araç Teknolojisinde IEEE İşlemleri. 48 (6): 1770–1778. CiteSeerX  10.1.1.476.2182. doi:10.1109/25.806769. ISSN  0018-9545.
  8. ^ Braig, Thomas; Ungethüm, Jörg (2009). Termoelektrik Atık Isı Kullanımı ile ICE ile Çalışan Bir Aracın Sistem Düzeyinde Modellemesi. 7. Uluslararası Modelica Konferansının Bildirileri, Como, İtalya. 43. s. 708–715. doi:10.3384 / ecp09430044. ISBN  9789173935135.
  9. ^ Flueckiger, Scott M .; Iverson, Brian D .; Garimella, Suresh V .; Pacheco, James E. (2014/01/01). "Termoklin termal enerji depolamalı bir güneş enerjisi kulesi tesisinin sistem düzeyinde simülasyonu". Uygulamalı Enerji. 113: 86–96. doi:10.1016 / j.apenergy.2013.07.004.
  10. ^ Casella, Francesco; Pretolani, Francesco (Eylül 2006). "Kombine Çevrim Elektrik Santralinin Hızlı Devreye Alınması: Modelica ile Simülasyon Çalışması" (PDF). Bildiriler Modelica 2006. Alındı 17 Kasım 2015.
  11. ^ Şarkı, Zhaohui; Sun, Teng; Wu, Jian; Che, Lufeng (2014-09-16). "PD geri besleme telafisine sahip yüksek Q kapasitif ivmeölçer için sistem düzeyinde simülasyon ve uygulama". Microsystem Teknolojileri. 21 (10): 2233–2240. doi:10.1007 / s00542-014-2315-4. ISSN  0946-7076.
  12. ^ Fang, Ruixian; Jiang, Wei; Khan, J .; Dougal, R. (2009-04-01). Gelecekteki tüm elektrikli gemiler için hibrit güç sistemi ile sistem düzeyinde termal modelleme ve ortak simülasyon. IEEE Elektrikli Gemi Teknolojileri Sempozyumu, 2009. ESTS 2009. s. 547–553. doi:10.1109 / ESTS.2009.4906565. ISBN  978-1-4244-3438-1.
  13. ^ Thomas, Eric; Ravachol, Michel; Quincy, Jean Baptiste; Malmheden, Martin (2012). Bir uçak sistemine uygulanan işbirlikçi karmaşık sistem tasarımı. 9. Uluslararası MODELICA Konferansı Bildirileri, 3-5 Eylül 2012, Münih, Almanya. 9. Uluslararası MODELICA Konferansı Bildirileri, 3-5 Eylül 2012, Münih, Almanya. 76. s. 855–866. doi:10.3384 / ecp12076855. ISBN  978-91-7519-826-2.
  14. ^ Kittilsen, Pål; Hauger, Svein Olav; Wasbø, Stein O. (2012). Modelica ve FMI ile çevrimiçi kullanım için modeller tasarlama. 9. Uluslararası MODELICA Konferansı Bildirileri, 3-5 Eylül 2012, Münih, Almanya. 9. Uluslararası MODELICA Konferansı Bildirileri, 3-5 Eylül 2012, Münih, Almanya. 76. s. 197–204. doi:10.3384 / ecp12076197. ISBN  978-91-7519-826-2.
  15. ^ Maliyetler, Joris; Ghidaglia, Jean-Michel; Muguerra, Philippe; Nielsen, Keld Lund; Riou, Xavier; Saut, Jean-Philippe; Vayatis Nicolas (2014). Açık Deniz Petrol Tesislerinin Sistem Düzeyinde Simülasyonu Üzerine. 10. Uluslararası Modelica Konferansı Bildirileri, 10–12 Mart 2014, Lund, İsveç. 10. Uluslararası Modelica Konferansı Bildirileri, 10-12 Mart 2014, Lund, İsveç. 96. s. 799–808. doi:10.3384 / ecp14096799. ISBN  978-91-7519-380-9.
  16. ^ "Sistem Düzeyinde Simülasyon Yoluyla Araç Süspansiyon Tasarımını Optimize Etme". www.mathworks.com. Alındı 2015-11-17.
  17. ^ "Döngü Simülasyonunda Yazılım". QTronic.
  18. ^ Larsson, P.-O .; Casella, F .; Magnusson, F .; Andersson, J .; Diehl, M .; Akesson, J. (2013-08-01). Enerji santrali başlangıcında bir vaka çalışması ile nesne yönelimli modellemeyi kullanan doğrusal olmayan model-öngörücü kontrol için bir çerçeve (PDF). 2013 IEEE Bilgisayar Destekli Kontrol Sistemi Tasarımı Konferansı (CACSD). sayfa 346–351. doi:10.1109 / CACSD.2013.6663487. ISBN  978-1-4799-1565-1.
  19. ^ "Çığır açan araç sürüş simülatörü teknolojisinin oluşturulmasında kullanılan MapleSim - Kullanıcı Örnek Olay İncelemeleri - Maplesoft". www.maplesoft.com. Alındı 2015-11-17.
  20. ^ Viel, Antoine (Mart 2011). "Hidrolik Bileşenlerin Geçici Simülasyonu için Ayrıntılı CFD Modelleri ile Modelica Sistem Düzeyindeki Modellerin Güçlü Bağlantısı" (PDF). Bildiriler 8. Modelica Konferansı. doi:10.3384 / ecp11063256. Alındı 17 Kasım 2015.
  21. ^ Otter, Martin; Thuy, Nguyen; Bouskela, Daniel; Buffoni, Lena; Elmqvist, Hilding; Fritzson, Peter; Garro, Alfredo; Jardin, Audrey; Olsson, Hans; Tundis Andrea (2015). Simülasyon Tabanlı Doğrulama için Resmi Gereksinim Modellemesi. 11. Uluslararası Modelica Konferansı Bildirileri, Versailles, Fransa, 21–23 Eylül 2015. 11. Uluslararası Modelica Konferansı Bildirileri, Versailles, Fransa, 21-23 Eylül 2015. 118. sayfa 625–635. doi:10.3384 / ecp15118625. ISBN  978-91-7685-955-1.
  22. ^ Schamai, Wladimir; Fritzson, Peter; Paredis, Chris; Pop, Adrian (2009). ModelicaML ile Birleşik Sistem Modellemesi ve Simülasyonuna Doğru: Grafik Gösterimler Kullanarak Yürütülebilir Davranışın Modellenmesi. 7. Uluslararası Modelica Konferansı Bildirileri, Como, İtalya. 43. sayfa 612–621. CiteSeerX  10.1.1.364.1268. doi:10.3384 / ecp09430081. ISBN  9789173935135.
  23. ^ Rudnyi, Evgenii B. (Haziran 2009). "Model İndirgeme Yoluyla Sonlu Elemanlardan Sistem Seviyesi Simülasyonuna" (PDF). Otomasyon 2009, 6. Und 17. Haziran 2009, Kongresshaus Baden-Baden, VDI Bericht. Alındı 17 Kasım 2015.
  24. ^ "Wiley: Sistem Düzeyinde MEMS Modellemesi, Cilt 10 - Gabriele Schrag, Oliver Brand, Gary K. Fedder ve diğerleri". eu.wiley.com. Alındı 2015-11-17.
  25. ^ Stavåker, Kristian (2011). "Grafik İşleme Birimlerinde Denklem Tabanlı Modellerin Paralel Simülasyonuna Katkılar" (PDF). Lisans Tezi No 1507, Bilgisayar ve Bilişim Bilimleri Bölümü, Linköping Üniversitesi. Alındı 17 Kasım 2015.
  26. ^ Ben Halid, Abir; Ben Gaid, Mongi; Pernet, Nicolas; Simon, Daniel (2014/09/01). "Siber-Fiziksel Sistemlerin hızlı çok çekirdekli birlikte simülasyonu: İçten yanmalı motorlara uygulama". Simülasyon Modelleme Uygulaması ve Teorisi. 47: 79–91. CiteSeerX  10.1.1.635.1427. doi:10.1016 / j.simpat.2014.05.002.
  27. ^ Ali, Muzaffer; Vukovic, Vladimir; Sahir, Muhtar Hüseyin; Basciotti Daniele (2013). "Geçici çalışma koşulları altında kalibre edilmiş bir kurutucu tekerlek modelinin geliştirilmesi ve doğrulanması". Uygulamalı Termal Mühendislik. 61 (2): 469–480. doi:10.1016 / j.applthermaleng.2013.08.010.
  28. ^ Ali, Muzaffer; Vukovic, Vladimir; Şeyh, Nadeem Ahmed; Ali, Hafız M .; Sahir, Muhtar Hüseyin (2015). "Kurutucu buharlaştırmalı soğutma sistemi modelinin geliştirilmesi ve entegrasyonu, geçici çalışma koşulları altında kalibre edilmiş ve doğrulanmıştır". Uygulamalı Termal Mühendislik. 75: 1093–1105. doi:10.1016 / j.applthermaleng.2014.10.064.
  29. ^ a b Dongarra, J .; Hittinger, J .; Bell, J .; Chacon, L .; Falgout, R .; Heroux, M .; Hovland, P .; Ng, E .; Webster, C. (2014-02-07). "Exascale Computing için Uygulamalı Matematik Araştırması". Livermore, CA. doi:10.2172/1149042. OSTI  1149042. Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
  30. ^ Satabin, Lucas; Colaço, Jean-Louis; Andrieu, Olivier; Pagano, Bruno (2015). Biçimlendirilmiş bir Modelica Alt Kümesine Doğru. 11. Uluslararası Modelica Konferansı Bildirileri, Versailles, Fransa, 21–23 Eylül 2015. 11. Uluslararası Modelica Konferansı Bildirileri, Versailles, Fransa, 21-23 Eylül 2015. 118. s. 637–646. doi:10.3384 / ecp15118637. ISBN  978-91-7685-955-1.
  31. ^ Bourke, Timothy; Pouzet, Marc (Nisan 2013). "Zélus: ODE'lerle Eş Zamanlı Bir Dil". 16. Uluslararası Hibrit Sistemler Konferansı Bildirileri: Hesaplama ve Kontrol: 113–118. Alındı 17 Kasım 2015.

Dış bağlantılar

  • Uluslararası Sistem Düzeyinde Simülasyon Çalıştayı: Sim @ SL
  • Denklem Tabanlı Nesne Tabanlı Modelleme Dilleri ve Araçları Uluslararası Çalıştayı: EOOLT
  • ACM / IEEE Uluslararası Modele Dayalı Mühendislik Dilleri ve Sistemleri Konferansı: MODELLER