Co-simulering, har det en verdi?

Bare en trend? Co-simulering er et begrep som kanskje assosieres med det «nyeste» innen numerisk tidsdomene-simuleringsteknologi og har etter hvert begynt å infiltrere arbeidsmetodikken og arbeidsflyten på ingeniørkontorene i den maritime industrien. Begrepet opptrer ofte sammen med virtuell prototyping og digitale tvillinger. Men hva er co-simulering, hva kan det brukes til, og er det virkelig en så stor «game-changer» som det gis uttrykk for?

Fragmentert. Prefiksen «co» i begrepet co-simulering er en forkortelse for «coupled» som peker på en av kjerneideene bak teknologien, nemlig et fragmentert simulatordesign, med desentraliserte numeriske løsere, hvor ulike delsystemer kan splittes ut i enkeltkomponenter. Disse komponentene kobles så løst sammen igjen på en generisk, standardisert måte og det totale sammenkoblede systemet, simulatoren, konfigureres og styres av en dedikert, generisk simuleringsalgoritme.

Når man har mulighet til å splitte ut deler av et system i enkeltkomponenter, som senere løselig kobles sammen, kan også arbeidet med å bygge en total-simulator av et system deles opp i mindre, separate oppgaver. Og ikke nok med det, når man først har delt opp systemet i enkeltkomponenter, løses disse hver for seg og kommuniserer sine resultater mellom seg ved gitte kommunikasjonspunkter. Dette gjør også at regneoppgavene kan distribueres for økt effektivitet. De ulike enkeltkomponentene som kobles sammen kan også bestå av kun binære koder, noe som gjør det mulig å samarbeide på tvers i industrien, også konkurrenter mellom, uten at åpen kildekode, som muligens avslører industrihemmeligheter, deles. Og med de sistnevnte egenskapene er vi inne på hvorfor co-simulering i seg selv har vist seg å være en viktig teknologi i den norske maritime industrien.

Gammelt, men nytt. Simuleringsteknologien er ikke en nyutviklet teknologi den maritime sektoren kan ta æren for. Selve simuleringsteknologien kommer fra bil- og flyindustrien. Her masseproduseres et spesifikt produkt. Masseproduksjon er ikke typisk i den maritime industrien, hvor skreddersøm og enkeltbygg er vanlig praksis. Dette er nok årsaken til at teknologien ikke har slått rot i den maritime industrien tidligere. I prosjektet Virtual prototyping of maritime systems and operations (ViProMa) 2013-2016, som jeg skrev min doktorgrad i, ble det tidlig i prosjektet poengtert av en erfaren person som kunne fortelle om flere lignende initiativ som strakte seg flere tiår tilbake i tid. Naturlig nok ble også spørsmålet om hvorfor akkurat dette prosjektet skulle lykkes løftet frem.

Et virkemiddel for samarbeid. Det som gjør co-simulering spennende i vår næring er synergiene til effektivt samarbeid. Co-simulering kan brukes som et bindeledd mellom ulike faglige grupperinger og disipliner hvor simulering er utbredt. Og det kan skaleres, fra grupperinger internt i en bedrift til en samarbeidende næring hvor ulike aktører er koblet sammen, og bidrar med sine spesifikke ekspertiser, for å løse større, mer komplekse utfordringer, på en effektiv, sikker, og konkurransedyktig måte. For det er ikke å stikke under en stol at om vi ikke er effektive så er vi heller ikke konkurransedyktige, uansett hvilken teknologi vi slår i bordet med. Og når vi først har nevnt effektivisering så bør vi kanskje også nevne digitalisering, et annet begrep som er i vinden. Nå skal ikke jeg prøve meg på enda en definisjon av begrepet digitalisering, men digitalisering og effektivisering går hånd i hånd og blir ofte brukt om hverandre som synonymer.

Effektivisering og digitalisering. Den norske maritime industrien opplever sterk internasjonal konkurranse. Vi er ofte en foretrukken leverandør og samarbeidspartner, også internasjonalt, til å løse komplekse utfordringer som krever ny, avansert teknologi. Tre komplekse utfordringer med økende omfang som er verdt å nevne er elektrifisering av den maritime transportflåten, autonome og smarte fartøy, og flytende havvind. Alle disse spinner mer eller mindre ut som viktige steg i å begrense den globale klimakrisen og er paraplyer for et hav av mindre utfordringer som krever varierte faglige disipliner satt i sammenheng. Det er ingen overdrivelse å si at den norske maritime næringen er, og muligens vil være, pionerer innen disse områdene og at vi har et internasjonalt søkelys på oss for å utvikle ny teknologi og metodikk for å løse disse utfordringene.

Merverdi. I tillegg til å være et hjelpemiddel, sitter man faktisk igjen med en digital tvilling av systemet etter produksjon og leveranse. Det finnes flere bruksområder for slike digitale kopier av det fysiske systemet, alt fra å være en ekstra kilde til data for systemovervåking i ulike operasjoner til operasjonsplanlegging, trening og videre utvikling. Bruken av matematiske modeller er også et viktig steg innen autonomi hvor avanserte kontrollsystemer og algoritmer ofte tar beslutninger basert på systemforståelse inkorporert som matematiske representasjoner av systemene de kontrollerer.

En voksende suksess. ViProMa prosjektet var en suksess. Et senere initiativ som må nevnes i denne sammenhengen er Open Simulation Platform (OSP), et open-source industriinitiativ for co-simulering av maritimt utstyr, systemer og komplette skip. Basert på resultater fra blant annet ViProMa ble det utviklet et open-source rammeverk for co-simulering spisset mot den maritime næringen. En god del av suksessen bak OSP er valget av co-simuleringsstandard. I likhet med ViProMa baserer OSP seg på de-facto standarden Functional Mock-up Interface (FMI)(1). Denne standarden er utviklet og vedlikeholdt av the Modellica Association i regi av bilindustrien.

Hvorfor er dette en viktig bidragsyter til suksessen? Fordi standarden støttes av over 150 modellerings- og simuleringsverktøy, noe som gjør at den eksisterende arbeidsflyten innen utvikling av simuleringsmodeller i den maritime industrien påvirkes minimalt. Allerede eksisterende in-house simuleringsmodeller kan dermed eksporteres direkte som co-simuleringsmodeller så lenge de er modellert i et verktøy som støtter standarden, noe som ofte er tilfelle. Listen over verktøy som støtter standarden øker stadig, noe som også skal krediteres standarden i seg selv som har et enkelt og veletablert grensesnitt. Selv med bedriftsinterne simuleringsverktøy er det ofte en mindre implementasjonsjobb å støtte denne standarden. For eksempel har vi i SINTEF Ocean implementert eksportfunksjonalitet for co-simuleringsmodeller i henhold til FMI standarden for både SIMO(2), VeSim(3) og FhSim(4), i tillegg til å ha utviklet flere nye modelleringsrammeverk for co-simuleringsmodeller. Co-simulering har også vist seg å også være et svært nyttig verktøy i forbindelse med Hardware-in-the-loop- (HIL) og Software-in-the-loop (SIL) testing som er viktig i forbindelse med klassifisering av nye systemer og fartøy.

Ulemper. Tette koblede systemer en utfordring. Et eksempel på et slikt system et skipsskrog med en kran fastmontert på dekk i en tung løfteoperasjon. Skroget i seg selv regner bevegelsen relativt til miljøet som påvirker det, mens kranen som holder på en tung last har også sitt å si for bevegelsen til skroget. I en separert setting så kan dermed ikke skroget bestemme bevegelsene helt alene siden den i tillegg påvirkes av lastens dynamikk. For de mest interesserte så er dette problemet relatert til antall frihetsgrader i systemet og kausalitet. Andre spørsmål som har dukket opp i både ViProMa og OSP er nøyaktighet av simuleringsresultatene, sett i lys av antagelsen om separerbarhet av totalsystemet som studeres, og hvordan delte ressurser deles på tvers av delkomponenter. Et konkret eksempel på det sistnevnte er hvordan miljø i form av sjø, strøm, vær og vind deles på tvers av delkomponenter i en co-simulering, spesielt i tilfeller der delsystemer påvirker og endrer miljøet. Et eksempel på dette er at skroget påvirker innstrømningshastigheten til propulsorer, som i tillegg er påvirket av miljøet.

Fortsettelsen og dugnaden. Det er selvsagt ikke slik at co-simuleringsteknologien er det eneste virkemiddelet i jakten på de gode, fremtidige løsningene. Men det betyr heller ikke at vi ikke skal utnytte teknologiens fordeler og fulle potensial. Og for å øke dette potensialet kreves det mer forskning og utstrakt bruk. Like viktig er at co-simulering i seg selv blir et allment kjent verktøy i ingeniørdisiplinene, noe utdanningsinstitusjonene må bidra med, noe som igjen krever at det til enhver tid foregår forskning innen temaet, helst med tette bånd til industrien og næringen.

Nå er jeg noe farget av min maritime bakgrunn og mine interesser rundt maritime systemer og operasjoner, noe som kanskje har vært tydelig fra de ulike eksemplene og vinklingene som har blitt trukket frem. Dette betyr ikke at co-simuleringsteknologien ikke er anvendbar og nyttig innen andre industrier, næringer og segmenter. Kanskje sitter du på andre problemstillinger hvor co-simulering kunne vært et nyttig hjelpemiddel. Eller kanskje har du andre spørsmål og/eller utfordringer enn de som har blitt trukket frem og belyst her. Hvis det er tilfelle så vil jeg mer enn gjerne at du tar kontakt.

Klikk her for å lese mer om forskningsprosjektet SEACo

Anbefalt videre lesing:

Fotnoter: