Jak na simulace ve virtuální realitě? Matematika a fyzika v hlavní roli!

Při přípravě nových produktů a staveb je zapotřebí zvalidovat zamýšlené projekty po stránce konkurenceschopnosti, ekonomické návratnosti i samotné fukčnosti a praktičnosti. V mnoha ohledech si projektant vystačí s kvalifikovanými výpočty a postupy definovanými odbornou literaturou, avšak při potřebě hlubšího zkoumání a získání podrobnějších dat se lze bez počítačové modelace jen málokdy obejít.

Virtuální realita, to nejsou jen VR brýle zprostředkující uživateli možnost virtuálně navštívit libovolnou destinaci, školení, nebo událost, ale obecný digitální prostor, jenž umožňuje rychle a efektivně replikovat, testovat a validovat procesy skutečného světa.

Efektivita vyčíslená penězi

Efektivita je v korporátní i osobní rovině klíčovým artiklem na cestě k dosahování spokojenosti a prosperity. Efektivní podnik zvládá nejen meziročně růst, ale hlavně v tomto růstu překonávat trh a s ním konkurenci. Naproti tomu efektivní člověk zvládá dosahovat cílů bez zbytečných vícenákladů a ztrátového času. V obou případech za onou úspěšností stojí správná rozhodnutí - přesněji - správná rozhodnutí podložená daty.

Rozhodnutí založená na datech mají jasně vyčíslitelný a predikovatelný výsledek. Přesně víte, jak velký smysl konkrétní investice dává. Nakonec, pro dlouhodobě udržitelné podnikání je zásadní nepřetržitě automatizovat a ladit výrobní procesy. Pro zaměstnance naopak vydělané peníze utratit hodnotným způsobem. S tím v obou případech pomůžou simulace ve virtuální realitě.

Studenti středních a vysokých škol se učí používat řadu specializovaných nástrojů pro analytiku, výpočty a simulace. Znamením těchto softwarů je, že jestliže vyslovíte potřebu ověření něčeho konkrétního, některý ze studentů či později odborníků Vám odvětí s pro to vhodným softwarem. V případě výroby, logistiky, skladování či health-care může jít například o FlexSim. Jenže, co když si nikdo neví rady, a ani Google nepomáhá?

Se specializovanými softwary to je jako s fyzikálními a matematickými vzorečky na základce. Jsou super, dokud si je všechny pamatujete a umíte je používat. Druhou variantou je ovládat integrace a díky nim si jakýkoli vzoreček jednoduše odvodit na základě matematických vlastností. Stejně je tomu i u oněch softwarů ze střední a vysoké. Svět je čistá fyzika a matematika. Máte li nástroj, který umí s oběma dokonale pracovat, zvládnete provést jakoukoli obecnou či úzce zaměřenou simulaci či výpočet sami. I o těchto simulacích je tento článek.

Matematika a fyzika v hlavní roli

Klíčovým požadavkem pro prováděni simulací a výpočtů obecného typu je dostupnost softwaru pracující s realistickou fyzikou a vysokou matematickou přesností. Takovým softwarem jsou obecně herní enginy, které lze využít jako 3D simulační platformy. Simulace fyziky je zakomponována přímo v jejich jádru, výpočetní přesnost lze určovat vhodnou volbou číselných formátů proměnných.

Řídící systém - 3D model - vyhodnocovací algoritmus

... aneb svatá trojice simulací ve virtuální realitě.

• Řídícím prvkem se rozumí soubor pravidel, jimiž se daná simulace řídí. Zpravidla se využívá skutečných řídících operačních systémů nebo dat z provozu, jen s tím rozdílem, že namísto skutečného stroje se jimi řídí jeho identický digitální model.
• 3D model je digitální kopie skutečného stroje nebo souboru strojů zasazených v digitální kopii skutečného prostředí.
• Vyhodnocovací algoritmus je následně program, jež vyhodnocuje požadovaná data předem definovaným způsobem.

Příklady obecných simulací ve virtuální realitě

Jedny z nejjednodušších obecných simulací jsou simulace prováděné s využitím nativních či volně dostupných komponent v herních enginech. Tento typ simulací je velmi levný a jednoduchý. K jejich provedení často postačí znalost herního enginu, správná komponenta a elementární znalost se selským rozumem k zběžnému zanalyzování výsledků dodávaných onou komponentou.

Příklad 1: Simulace prosvětlenosti nemovitosti

Ať už stavíte dům, hotel, či jen kupujete prostý byt, jistě se budete zajímat o orientaci oken a s tím spojený světelný a tepelný komfort. Ona stavba je zpravidla obklopena další zástavbou a zelení. Jak tato okolní zástavba, zeleň, zvolená velikost a orientace oken + délka přesahů střechy bude ovlivňovat prosluněnost Vaší nemovitosti?

Právě tato data (mimo jiné) jsou součástí produktu konfigurátoru nemovitsoti. Samotná simulace je velmi jednoduchá - vychází z chování slunce v určité geografiké lokalitě. Unreal engine nabízí komponentu Sun Position Calculator. Skrze tu jednoduše nastavíte polohu slunce pro přesný čas (měsíc / den / hodina - včetně několika desetinných míst) a geo lokaci (včetně správné orientace světové strany) nemovitosti. Okolní zástavbu a zeleň jednoduše znázorníte s využitím výškových map bloky a generickými stromy z knihovny.

Uživatel si v tomto případě může data zhodnotit subjektivně vizuální metodou (prostřednictvím VR brýlí se nachází v daném objektu a překlikává si časy), případně lze napsat jednoduchý algoritmus, jež postupně projde všechny časy v průběhu roku a autmaticky zanalyzuje světelnost uvnitř objektu.

V případě odvětví s vyšším množstvím kapitálu často nalezneme specializované nástavby nad obecnými herními enginy. Tyto komponenty přináší především zjednodušení práce - přináší předprogramované komponenty pro snadné používání v rámci určité oblasti.

Příklad 2: Simulace logistiky skladu

Software FlexSim disponuje komponentou zvanou "Warehousing". Pro herní engine Unity existuje rozšíření Prespective určené zejména pro tvorbu průmyslových simulací.

Prespective software je řešením zaměřeným na tvorbu digitálních dvojčat (z angl. digital twins) a nad nimi založenými simulacemi. Na video ukázce výše, použité dopravníky a autonomní mobilní přepravní jednotky jsou digitální kopií budoucích skutečných zařízení skladu. K jejich řízení slouží opět řídící software tvořený pro skutečná zařízení - jeho výstupy a vstupy jsou skrze Prespective komunikovány do digitálních dvojčat ve virtuálním prostředí namísto skutečných zařízeních ve fyzickém skladu. Tímto způsobem lze nejen zjednodušovat návrh a vývoj budoucích strojů, ale i zvyšování efektivnosti stávajících procesů.

Dalším typem simulací prováděných v obecných herních enginech jsou simulace pracující se strojovým učením a umělou inteligencí. Právě prostředí a možnosti herních enginů jsou velmi výživným polem pro jejich trénink a testování.

Příklad 3: Vývoj autonomního řízení automobilů

Německá automobilka BMW využívá simulací ve virtuální realitě k vývoji svého autonomního řízení 3. stupně. Ve virtuální realitě přitom probíhá hned 95% testovacích jízd. Testují se jak situace vygenerované z dat z běžného provozu, tak i uměle vytvořené události. Virtuální testování je v tomto ohledu naprosto nezbytné - mimo možnosti otestovat systém autonomního řízení při jeho aktualizacích, virtuální simulace umožňuje současné testování při různých světelných a povětrnostních podmínkách a nepřetržitého učení se z nekonečného přílivu nových dat. Jestliže Vás tato problematika vývoje autonomního řízení v BMW zajímá více, doporučuji samostatný článek Vývoj autonomního řzení v BMW.

Příklad 4: Ruční montáž výrobků

Montážní dělníky vykonávající manuální práci při sestavování výrobků na výrobní lince nalezneme v řadě oborů, včetně výroby automobilů. Tyto montáže často spočívají v provádění mnoha různých akcí a potenciálních scénářů, které mohou nastat. Při tom se hodí možnost simulace pracovních úkonů montážních dělníků.

Příklad 5: Ověření kapacity výtahů

Švýcarská univerzitní nemocnice v Lausanne využila počítačové simulace k ověření vertikální průtočnosti osob budovou nově připravované budovy dětské péče. Výsledky simulace jsou shrnuty v tomto článku.

Tohle bylo pár ukázek zajímavějších simulací. V případě mnohých dokonce s aplikací téměř bez potřeb znalosti programování. Pokud však programovat umíte, možnosti, jež lze v herních enginech dosahovat, jsou nelimitované.

_______
Rádi by jste využili virtuální simulace v rámci Vašeho podnikání?
Průmyslové simulace | Profesní simulace