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Parallele Simulation interagierender Digitaler Zwillinge in Virtuellen Testbeds = Parallel simulation of interacting digital twins in virtual testbeds



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Arthur Wahl

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme


Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-07-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-07105
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/849906/files/849906.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl und Institut für Mensch-Maschine-Interaktion (615210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Digitale Zwillinge (frei) ; Scheduling (frei) ; Synchronisation (frei) ; Virtuelle Testbeds (frei) ; parallele Simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Digitale Zwillinge sind eine der Kerntechnologien der vierten industriellen Revolution („Industrie 4.0“). Als virtuelle digitale Repräsentanz eines physischen Assets ermöglichen sie die Realisierung von intelligenten Cyber-Physischen Systemen und deren umfassende Vernetzung im Internet der Dinge. Simulationstechnik erweckt die Digitalen Zwillinge zum Leben und macht diese für eine Vielzahl von Anwendungen experimentierbar. Hieraus resultierende „Experimentierbare Digitale Zwillinge“ (EDZ) können mit jeder neuen Anwendung weiterentwickelt und Lebenszyklus-übergreifenden eingesetzt werden. So entsteht sukzessive ein vollständiges virtuelles Abbild, welches das Verhalten des Assets erfasst und die Erstellung von Prognosen ermöglicht. Virtuelle Testbeds sind die Laufzeitumgebungen der EDZ. Sie bringen EDZ in unterschiedlichen Anwendungsszenarien zusammen und ermöglichen deren Gesamtsystemsimulation. Eine derart umfassende Abbildung führt zu komplexen Simulationsmodellen, deren Simulation die Kombination unterschiedlicher Simulationsverfahren erfordert. Dies ist jedoch mit einem entsprechend hohen Rechenaufwand verbunden. Dies gilt insbesondere für Anwendungsszenarien innerhalb derer mehrere EDZ in ihrer Einsatzumgebung miteinander interagieren, wie z.B. in dem Fall einer virtuellen Fabrik. Abhängig von der Anzahl der Verfahren und EDZ ist die Ausführung einer solchen Anwendung in Echtzeit damit oft ausgeschlossen oder nur unter einer Reduzierung des Detaillierungsgrades möglich. Genau diese Echtzeitfähigkeit ist jedoch zwingende Voraussetzung für zahlreiche Anwendungen des EDZ von der Virtuellen Inbetriebnahme über die prozessparallele Simulation bis hin zur Mensch-Maschine-Interaktion. Eine geeignete Möglichkeit zur Beschleunigung der Simulation und der Realisierung des geforderten Echtzeitverhaltens stellt die Parallelisierung dar. Um hierbei eine höchstmögliche Beschleunigung zu erreichen, muss das gewählte Verfahren die modellierten Anwendungsszenarien vollständig erfassen. Die Parallelisierung muss damit auf der Systemebene erfolgen und die inhärente Parallelität der Szenarien auf die parallele Simulation übertragen können. Die vorliegende Dissertation liefert den Entwurf und die Umsetzung einer anwendungsübergreifenden Methodik zur umfassenden und modular erweiterbaren Parallelisierung von Anwendungsszenarien mit einer Vielzahl an interagierenden EDZ in einem entsprechend geeigneten Virtuellen Testbed. Die Methodik umfasst sowohl die benötigten Parallelisierungs- und Synchronisationsverfahren zur Realisierung des geforderten Echtzeitverhaltens als auch eine neue leistungsfähige parallele Simulationsarchitektur, welche die einzelnen Verfahren umsetzt und die Erstellung von geeigneten Virtuellen Testbeds ermöglicht. Hierzu kombiniert die entwickelte Methodik die Fähigkeiten aktueller Mehrkernprozessoren mit einem neuartigen modularen Ansatz zur Modellpartitionierung und -replikation. Dies ermöglicht – für viele Anwendungen erstmalig – die Simulation komplexer EDZ-Verbundsysteme in Echtzeit und schafft hierdurch die Grundvoraussetzung für die angestrebte Konvergenz von Simulation und Realität. Die generischen Parallelisierungsverfahren der Methodik ermöglichen die automatische Durchführung der Parallelisierung auf Ebene der eingesetzten Simulationsverfahren und übertragen die inhärente Parallelität der Szenarien vollständig auf die parallele Gesamtsystemsimulation. Hierdurch kann die resultierende Beschleunigung sowohl mit der Anzahl der eingesetzten Verfahren als auch enthaltenen EDZ skalieren. Erreicht wird dies über eine Partitionierung der Gesamtsystemsimulation, welche in Kombination mit einer gleichzeitigen gezielten Replikation der Simulationsdatenbank zur Erstellung von eigenständig lauffähigen Teilsimulationen angewendet wird. Die Teilsimulationen führen dabei vollkommen threadsicher die einzelnen Partitionen auf ihrer eigenen Kopie der Datenbank aus. Aufgrund des modularen Aufbaus der Verfahren können die Parallelisierungen über alle fortlaufenden Weiterentwicklungen eines Szenarios bestehen bleiben und beliebig um zusätzliche Teilsimulationen erweitert werden. Die Synchronisationsverfahren der Methodik gewährleisten dabei die Korrektheit der parallelen Ausführung und ermöglichen über den effizienten Austausch von Zustandsänderungen eine hochgradig performante Synchronisation. Die Methodik ist unabhängig von dem abzubildenden Szenario, den jeweils darin enthalten EDZ-Ausprägungen sowie den zur simulationstechnischen Umsetzung eingesetzten Verfahren. Ebenso sind weder spezifische technische Fachkenntnisse noch domänenübergreifendes Expertenwissen erforderlich. Die im Rahmen der Methodik entwickelte Architektur liefert die erforderliche Simulationsinfrastruktur und ermöglicht hierüber sowohl die Modellierung und Konfiguration als auch die Durchführung der parallelen Gesamtsystemsimulation von EDZ in Virtuellen Testbeds. Die Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit wird anhand von drei unterschiedlichen Anwendungsszenarien aus den Bereichen der Raumfahrt, Forstwirtschaft sowie der Produktionstechnik demonstriert.

Digital twins are one of the core technologies of the fourth industrial revolution ("Industry 4.0"). As a virtual digital representation of a physical asset, they enable the realization of intelligent cyber-physical systems and their comprehensive networking in the Internet of Things. Simulation technology brings the Digital Twins to life and makes them experimentable for a variety of applications. The resulting "experimentable digital twins" (EDT) can be further developed with each new application and used across the life cycle. This successively creates a complete virtual image that captures the asset's behavior and enables the generation of predictions. Virtual testbeds are the runtime environments of EDT. They bring together EDT in different application scenarios and enable their overall system simulation. Such a comprehensive representation leads to complex simulation models, whose simulation requires the combination of different simulation methods. However, this is associated with a correspondingly high computational effort. This applies in particular to application scenarios in which several EDT interact with each other in their operational environment, such as in the case of a virtual factory. Depending on the number of methods and EDT, the execution of such an application in real-time is often impossible or only possible by reducing the level of detail. However, it is precisely this real-time capability that is a mandatory prerequisite for numerous applications of the EDT, from virtual commissioning and process-parallel simulation to human-machine interaction. A suitable approach to accelerate the simulation and to realize the required real-time behavior is parallelization. In order to achieve the highest possible acceleration, the selected method must completely cover the modeled application scenarios. Parallelization must thus take place at the system level and be able to transfer the inherent parallelism of the scenarios to the parallel simulation. This thesis provides the design and realization of a cross-application methodology for the comprehensive and modularly extensible parallelization of application scenarios with a large number of interacting EDT in a correspondingly suitable virtual testbed. The methodology comprises both the required parallelization and synchronization methods for realizing the required real-time behavior and a new powerful parallel simulation architecture that implements the individual methods and enables the creation of suitable virtual testbeds. For this purpose, the developed methodology combines the capabilities of current multi-core processors with a novel modular approach to model partitioning and replication. This enables - for the first time in many applications - the simulation of complex interconnected EDT systems in real time and thus creates the basic prerequisite for the desired convergence of simulation and reality. The generic parallelization methods of the methodology enable the automatic execution of parallelization on the level of the applied simulation methods and transfer the inherent parallelism of the scenarios completely to the parallel overall system simulation. This allows the resulting speedup to scale with both the number of methods applied and EDT contained. This is achieved by partitioning the overall system simulation, which is used in combination with a simultaneous targeted replication of the simulation database to create independently executable partial simulations. The partial simulations execute the individual partitions completely thread-safe on their own copy of the database. Due to the modular structure of the methods, the parallelizations can remain in place over all ongoing further developments of a scenario and can be arbitrarily extended by additional partial simulations. The synchronization methods of the methodology guarantee the correctness of the parallel execution and enable a high-performance synchronization through the efficient exchange of state changes. The methodology is independent of the scenario to be replicated, the EDT variants contained therein, and the methods used for the technical realization of the simulation. Likewise, neither specific technical expertise nor cross-domain expert knowledge is required. The architecture developed within the framework of the methodology provides the required simulation infrastructure and enables both the modeling and configuration as well as the execution of the parallel overall system simulation of EDT in virtual testbeds. The performance and scalability are demonstrated using three different application scenarios from the fields of aerospace, forestry and industrial engineering.

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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT021461895

Interne Identnummern
RWTH-2022-07105
Datensatz-ID: 849906

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
615210

 Record created 2022-07-18, last modified 2023-03-28


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