النموذج البديل يبسط مهام الفيزياء المعقدة

تواجه عمليات المحاكاة الفيزيائية مشكلة، فالمهندسون الذين يحتاجون إلى نتائج عمليات المحاكاة هذه غالبًا لا يكون لديهم الوقت للانتظار. أضف إعدادات العالم الحقيقي التي تتطلب حسابات مستقلة متعددة (على سبيل المثال، عناصر حرارية وميكانيكية وكهرومغناطيسية منفصلة في النظام)، وقد تبدو حسابات “الفيزياء المتعددة” الواقعية وفي الوقت الفعلي بمثابة اقتراح إما أو.

سوف يستكشف المبرمجون ومصممو النماذج المجتمعون في برلينجتون بولاية ماساتشوستس هذا الأسبوع طرقًا جديدة للفيزياء المتعددة أثناء التنقل في بيئة برامج المحاكاة COMSOL. على مدار ثلاثة أيام من الكلمات الأساسية وورش العمل والعروض التوضيحية، سيقوم مستخدمو COMSOL بتقييم أساليب جديدة لحل أزمة وقت المحاكاة.

يقول بيورن سجودين، نائب الرئيس الأول لإدارة المنتجات في الشركة الأم التي يقع مقرها في ستوكهولم، والتي تسمى أيضًا COMSOL: “إن النماذج البديلة هي تقنية جديدة مثيرة للاهتمام، حيث يمكنك أخذ نموذج الفيزياء المتعددة الكامل الخاص بك وضغطه في تنسيق مضغوط يسهل تقييمه باستخدام التعلم الآلي”.

والتحدي أكثر انتشارا من COMSOL وحده أيضا. وفقا لمراجعة نشرت في وقت سابق من هذا العام في المجلة بروسيديا علوم الكمبيوتر، تواجه مجموعة من الصناعات اختناقات في المحاكاة، حيث يقول المؤلفون: “قد يستغرق تنفيذ محاكاة عالية الدقة أسابيع حتى لكل تصميم”.

النماذج البديلة، بروسيديا لاحظ المؤلفون، أنها تنطوي على تقليص المعادلات وصولاً إلى إصدارات مبسطة من بيئات المحاكاة الأكبر حجمًا. بمعنى آخر، تلتقط البدائل السلوكيات الأساسية لأنظمة محددة يتم تصميمها ولكن دون الكثير من النفقات الحسابية. في كثير من الأحيان، يمكن أن تتضمن عملية التقليص هذه أخذ عينات استراتيجية من النموذج المعقد الأصلي في النقاط الرئيسية، ثم التدريب على تقريب أسرع يمكنه التنبؤ بالنتائج لسيناريوهات جديدة.

يقول سجودين عن نظام النمذجة البديل الخاص بـ COMSOL: “يمكنك تقييم هذه النماذج بشكل فوري”. “بينما إذا قمت بحل النموذج الكامل بمدخلات غير معروفة، فقد يستغرق الأمر 15 دقيقة. والناس غير صبورين للغاية.”

وفقًا لسجودين، يستخدم مصنعو السيارات الأوروبيون الآن نماذج COMSOL البديلة لمحاكاة مجموعات بطاريات السيارات الكهربائية بالكامل بسرعة، مما يتيح اتخاذ قرارات في الوقت الفعلي كان المديرون والمهندسون يحتاجون إليها في السابق لانتظار استراحة القهوة أو لفترة أطول. وفي الوقت نفسه، يضيف سجودين، قام معهد سويسري بنشر نظام COMSOL البديل كتطبيق للمزارعين الهنود للتنبؤ بفساد الأغذية في أماكن التخزين الباردة. ووجد المعهد أن المحاكاة البديلة مكنت المزارعين من تقليل تلف الأغذية بنسبة 20 في المائة.

تتنبأ عمليات المحاكاة العددية الكاملة لـ COMSOL بأداء سطح الهوائي (المجال الأيمن)، بينما يصل نموذجها البديل المبسط (المجال الأيسر) إلى نفس النتائج تقريبًا في وقت تشغيل أقل بكثير.كومسول

تحويل الفيزياء المتعددة إلى تطبيق

يقول سجودين إن COMSOL تعتزم تحويل مستخدمي نظام المحاكاة إلى شيء أقرب إلى مطوري البرامج في حد ذاتها.

يقول سجودين: “يمكنك تجميع هذه التطبيقات في ملفات تنفيذية مستقلة يمكنك توزيعها حول العالم دون أي نوع من دفع الترخيص”.

ويقول إن النماذج البديلة للشركة قادرة على العمل كتطبيقات مستقلة، يمكنها العمل على أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الهواتف الذكية.

يقول سجودين: “إذا كنت تريد إعطاء هذا لشخص ما في المصنع، فإن هذه النماذج البديلة مفيدة حقًا لأنها تسمح لك بالتقييم والحصول على النتائج على الفور”. تعمل النماذج بسرعة مقارنة بمحاكاة الفيزياء المتعددة الكاملة لأن إصدار التطبيق، على سبيل المثال، للأداء الحراري والتركيب الكيميائي لحزمة بطارية معينة يأتي محملاً مسبقًا. تتم المحاكاة بسرعة، لأنها تحتوي بالفعل على معلمات محسوبة مسبقًا خاصة بالبيئة المادية المراد محاكاتها – والبيئة التي سيتم محاكاتها فقط.

بالإضافة إلى الذكاء الاصطناعي الذي يعمل على تسريع وقت الحوسبة لكل عملية تشغيل، يعتمد COMSOL على حيل أخرى أيضًا. ما يسميه المصممون نماذج “النظام المنخفض” (ROMs) يتضمن تحسينات مثل التعرف على الأنماط الرياضية وتقليص بعض المعادلات الأكثر تعقيدًا في العملية الحسابية. “تلعب الشبكات العصبية دورًا هنا، ولكن هناك أيضًا تقنيات أخرى، مثل تقنيات نمذجة الترتيب المنخفض الأكثر تقليدية.

على سبيل المثال، في مراجعة أجريت على مستوى الصناعة لأقراص القراءة فقط (ROM) عام 2024، وصف باحثون من المدرسة الدولية للدراسات المتقدمة في تريستا بإيطاليا مجموعة من تقنيات ذاكرة القراءة فقط (ROM) التي تعتمد على أكثر من مجرد الذكاء الاصطناعي أو الشبكات العصبية.

وكتب الباحثون: “تنقسم ROM إلى عائلتين كبيرتين: الأساليب التدخلية، حيث يتم التعامل مباشرة مع المعادلات الحاكمة، والطرق غير التدخلية، التي يتم فيها أخذ بيانات المحاكاة فقط في الاعتبار”. يوضح البحث أن مزيجًا من الشبكات العصبية وأدوات ROM الرياضية التقليدية يمكن أن يحقق تسريعًا حسابيًا يصل إلى 100000 مرة أسرع من النماذج التي لا تحتوي على ROM الذكية.