Warum die modulare Simulationsarchitektur zum Standard in den technischen Arbeitsabläufen wird

Ingenieurteams sehen sich heute mit einer nie dagewesenen Systemkomplexität konfrontiert, und sie machen die modulare Simulationsarchitektur zum neuen Standard, weil nichts anderes mithalten kann. Ein modernes Fahrzeug kann beispielsweise über 150 mikroprozessorbasierte Steuergeräte mit mehr als 150 Millionen Codezeilen enthalten. Die Integration und Validierung solch komplexer Systeme ist zu einem enormen Aufwand geworden, da Analysen zeigen, dass 40 % oder mehr des Entwicklungsbudgets eines neuen Fahrzeugs in Systemintegration, Tests und Validierung fließen können. Angesichts dieser Herausforderungen können sich die Teams nicht länger auf starre, einmalige Simulationsmodelle oder isolierte Tools verlassen, die dazu führen, dass man bei jedem Projekt das Rad neu erfinden muss. Modulare, offene Simulationsplattformen sind nicht mehr nur optional, sondern unverzichtbar, wenn es darum geht, komplexe eingebettete Systeme mit Flexibilität und Echtzeitgenauigkeit zu verwalten. In Zeiten, in denen der Erfolg eines jeden Projekts von der schnellen Iteration von Entwürfen in den Bereichen Mechanik, Elektrik und software abhängt, verändert die Möglichkeit, Simulationskomponenten beliebig miteinander zu kombinieren, die Arbeitsabläufe in der Entwicklung zum Positiven.

Komplexe Projekte zeigen die Grenzen der monolithischen Simulation auf

Silo-Tools und isolierte Domänen

Engineering-Projekte umfassen oft mehrere Disziplinen - Elektronik, software, mechanische Systeme -, aber die traditionellen Arbeitsabläufe halten diese Bereiche in getrennten Silos. Jedes Team verwendet seine eigenen spezialisierten Modellierungstools, und die Zusammenführung ihrer Arbeit am Ende wird zu einem großen Problem. Wertvolle Arbeit wird dupliziert oder geht in der Übersetzung verloren, da eine monolithische Simulationsumgebung in der Regel nur bestimmte Bereiche gut unterstützt. Im schlimmsten Fall geben die Teams sogar ihre vertrauten Tools auf, um sich in ein starres Rahmenwerk einzufügen, wodurch bestehende Modellinvestitionen geopfert werden; im Gegensatz dazu ist ein Co-Simulationsansatz kann dagegen jeder Partner seine bewährten Werkzeuge weiter verwenden und diese Investitionen bewahren.

Starre Modelle, die sich dem Wandel widersetzen

Monolithische Simulationsmodelle sind von Natur aus unflexibel. Wenn sich Anforderungen ändern oder eine neue Komponente evaluiert werden soll, müssen Ingenieur:innen oft ein einziges gigantisches Modell überarbeiten. Das ist nicht nur arbeitsintensiv, sondern auch fehleranfällig. Bei eng gekoppelten Simulationen kann eine Änderung in einem Teilsystem unerwartete Auswirkungen auf andere haben. Die Skalierung solcher Modelle ist ebenso problematisch; der Versuch, einen monolithischen Simulator zu erweitern, um zusätzliche Systeme oder eine höhere Genauigkeit abzudecken, kann an die Grenzen der Rechenleistung stoßen oder schmerzhafte Vereinfachungen erfordern. Diese Einheitsmodelle lassen sich nur schwer an die iterative Natur des realen technischen Designs anpassen und können nicht ohne weiteres für neue Projekte wiederverwendet werden.

Späte Integration bedeutet höheres Risiko

Der größte Nachteil einer siloartigen, monolithischen Simulation ist, dass die Systemintegration erst spät im Entwicklungszyklus erfolgt. Software und hardware werden erst nach separaten Tests zusammengeführt, und erst dann treten versteckte Inkompatibilitäten oder Leistungsprobleme zutage. Die Entdeckung einer Instabilität des Regelkreises oder einer Schnittstelleninkongruenz kurz vor dem Abgabetermin kann teuer werden. Verspätete Korrekturen können hardware oder übereilte Code-Patches erfordern, weil die Simulation das Problem nicht früher aufdecken konnte. Das Fehlen einer integrierten, modularen Tests während der gesamten Entwicklung führt oft zu unangenehmen "Überraschungen" in Prototypen, was das Vertrauen in das Design untergräbt und das gesamte Projekt verlangsamt.

Modulare Simulationsarchitektur beschleunigt Entwicklung und Tests

Die Umstellung auf eine modulare Simulationsarchitektur wirkt den Engpässen monolithischer Arbeitsabläufe direkt entgegen. Durch den Aufbau komplexer Modelle als Sammlung austauschbarer Komponenten können die Teams schneller vorankommen und mit weniger Nacharbeit gründlicher testen. Ein modularer Ansatz beschleunigt beispielsweise die Entwicklung und Validierung in mehrfacher Hinsicht.

• Schnellere Entwurfsiterationen ermöglichen es Ingenieur:innen , aktualisierte Teilsysteme oder neue Entwurfsideen auszutauschen, ohne das gesamte Modell neu zu erstellen. Diese Flexibilität ermöglicht eine schnelle Umsetzung von Konstruktionsänderungen und schnelle "Was-wäre-wenn"-Experimente.
• Wiederverwendung von validierten Komponenten bedeutet, dass ein Modul (z. B. ein Motormodell oder ein Batteriesystem), das sich bewährt hat, mit minimalen Änderungen in zukünftige Projekte übernommen werden kann. Die Wiederverwendung bewährter Modelle spart nicht nur Zeit, sondern erhöht auch die Zuverlässigkeit, da bewährte Komponenten in neue Konstruktionen übernommen werden können.
• Parallele Entwicklung wird möglich, da verschiedene Spezialisten gleichzeitig an Teilmodellen arbeiten. Dank der modularen Architektur können Ingenieur:innen, software und Mechanikkonstrukteure parallel an ihren Teilen arbeiten und diese kontinuierlich integrieren, anstatt darauf zu warten, dass am Ende ein großes Modell zusammengeführt wird.
• Frühe Tests wird durch das modulare Design erleichtert, das es einfacher macht, reale hardware wie Steuerplatinen oder Sensor-und Datenfusion in die Simulation zu integrieren. Teams können mit den Tests einer realen Steuerung gegen eine virtuelle Anlage beginnen, lange bevor ein vollständiger Prototyp gebaut wird, und so Integrationsprobleme früher erkennen. Diese Praxis verhindert nachweislich potenzielle Schäden an der realen Anlage, senkt die Kosten für die Fehlersuche und reduziert den gesamten Tests .
• Geringere Kosten und Risiken ergeben sich aus virtuellen Tests , die viele Szenarien (einschließlich Vorteil ) abdecken, bevor physische hardware zum Einsatz kommt. Unternehmen geben weniger Geld für mehrere Prototypen und Last-Minute-Korrekturen aus, da Probleme, die in der Simulation aufgedeckt werden, weitaus kostengünstiger zu beheben sind als solche, die in Feldtests gefunden werden.

Auf diese Weise beschleunigt die modulare Simulation den gesamten Zyklus vom Konzept bis zur Validierung. Teams können schnell iterieren, reale Einschränkungen früher einbeziehen und zusammenarbeiten, ohne sich gegenseitig auf die Füße zu treten. Das Endergebnis ist ein Entwicklungsprozess, der in kürzerer Zeit besser getestete, robustere Designs liefert. Um diese Vorteile in großem Umfang nutzen zu können, müssen offene Standards eingeführt werden, damit Module aus verschiedenen Tools und Bereichen nahtlos zusammenpassen.

Offene Standards ermöglichen eine nahtlose Integration mehrerer Bereiche

Eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine modulare, domänenübergreifende Simulation ist die Verwendung offener Standards für Modellschnittstellen. Ingenieur:innen müssen Komponenten integrieren, die in verschiedenen Werkzeugen und von verschiedenen Teams entwickelt wurden, und proprietäre Formate oder geschlossene Ökosysteme machen diese Integration schwerfällig. Standards wie das Funktionale Mock-up-Schnittstelle (FMI) sind entstanden, um dieses Problem zu lösen. Die Vision hinter FMI ist, dass, wenn ein reales Produkt aus vielen Teilen zusammengesetzt ist, die unterschiedlichen physikalischen und Steuerungslogiken unterliegen, man in der Lage sein sollte, ein virtuelles Produkt auf die gleiche Weise zusammenzusetzen - aus einer Reihe von Modellen jedes Teils, von denen jedes seine eigene Physik und Steuerung kapselt. Ein Motormodell eines Anbieters und ein Steuerungsmodell eines anderen Anbieters können somit in einer gemeinsamen Simulationsumgebung koexistieren, solange sich beide an den FMI-Standard für den Datenaustausch halten. Durch die Verwendung solcher offener Schnittstellen vermeiden Unternehmen die Bindung an einen bestimmten Anbieter und stellen sicher, dass jedes Modul mit den anderen kommunizieren kann, unabhängig davon, welches Werkzeug für seine Erstellung verwendet wurde.

Offene Standards machen es praktisch, eine echte Multi-Domain Co-Simulation durchzuführen. EinIngenieur:innen Energiesysteme kann einen elektrischen Netzsimulator verwenden, während ein Ingenieur:innen für Mechanik ein Finite-Elemente-Modell einsetzt; über Standardschnittstellen können ihre Modelle zusammen als eines laufen. Das bedeutet, dass die Teams das optimale Werkzeug für jeden Bereich wählen können, ohne sich Gedanken über die Kompatibilität machen zu müssen. Es erleichtert auch die Zusammenarbeit mit externen Partnern oder Zulieferern - jeder kann seinen Beitrag als gekapseltes Modul beisteuern und darauf vertrauen, dass es sich in die Gesamtsimulation einfügt. Im Wesentlichen wird durch die Einführung offener Standards sichergestellt, dass alle spezialisierten Simulationen nahtlos ineinandergreifen, um das Verhalten des gesamten komplexen Systems darzustellen.

Engineering-Workflows verlagern sich auf modulare Simulation

Führungskräfte im Ingenieurwesen haben erkannt, dass die Simulation nicht mehr nur ein nachträglicher Gedanke ist, sondern vom ersten Tag an zum zentralen Bestandteil des Arbeitsablaufs geworden ist. In allen Branchen integrieren Unternehmen die Simulation in jede Phase des Entwurfs und der Entwicklung - eine Veränderung, die durch die oben beschriebenen modularen Echtzeitansätze ermöglicht wird. In einer kürzlich durchgeführten Branchenumfragewurde eine kürzere Markteinführungszeit als wichtigster erwarteter Nutzen der Simulation genannt, noch vor der Verbesserung der Produktleistung. Dies spiegelt einen Mentalitätswandel wider. Die Unternehmen betrachten die Simulation nicht mehr nur als Werkzeug zur Fehlersuche oder zur endgültigen Validierung, sondern als Motor für eine schnellere und flexiblere Entwicklung.

Bei herkömmlichen Methoden mussten die Teams früher auf einen physischen Prototyp warten, um zu sehen, wie alle Teile zusammen funktionieren. Mit modularen Modellen und fortschrittlichen Simulationstechniken (von software bis hin zu vollständigen Tests) können Teams nun kontinuierlich integrieren und iterieren. Eine Simulation eingebetteter Systeme kann parallel zur hardware laufen, um sicherzustellen, dass die software, die Elektronik und die mechanischen Komponenten sich alle synchron entwickeln. Wenn die physischen Prototypen eintreffen, sind die meisten Integrationsprobleme bereits virtuell geklärt. Der gesamte Engineering-Workflow hat sich gewandelt, wobei die simulationsgestützte Entwicklung als Standardverfahren im Vordergrund steht, um den Anforderungen der komplexen, software Produkte von heute gerecht zu werden.

OPAL-RTs Engagement für modulare Echtzeitsimulation

OPAL-RT hat sich zum Ziel gesetzt, die offenen Echtzeit-Simulationsplattformen bereitzustellen, die diesen Ansatz praktikabel machen, da modulare Simulationen in den Arbeitsabläufen der Ingenieure immer wichtiger werden. Die digitalen Echtzeitsimulatoren und software von OPAL-RT unterstützen offene Standards wie FMI und lassen sich in Werkzeuge wie Simulink integrieren, so dass Ingenieur:innen Modelle aus verschiedenen Quellen in einer einheitlichen Echtzeitplattform kombinieren können. Das bedeutet, dass ein Entwicklungsteam die Vorteile des modularen Designs (Wiederverwendung von Modellen und Durchführung von hardware) nutzen kann, ohne durch proprietäre Toolchains eingeschränkt zu sein. Die Fokussierung des Unternehmens auf hardware mit extrem niedriger Latenz und eine Skalierbar, modulare software ermöglicht es den Anwendern, komplexe eingebettete Systeme präzise zu simulieren und virtuelle Modelle nahtlos mit physischen Komponenten im Labor zu verbinden.

Diese Ausrichtung auf die modulare Simulation ist nicht neu; sie war von Anfang an die Grundlage unseres Ansatzes. In allen Branchen nutzen Ingenieurteams auf der ganzen Welt unsere Echtzeit-Simulationstechnologie, um die Produktentwicklung zu beschleunigen und das Vertrauen in ihre Entwürfe sicherzustellen. Sie können jedes Teilsystem iterativ modellieren, optimieren und validieren und dann alles bei Bedarf mit realen hardware integrieren - alles auf derselben einheitlichen Plattform. Das Endergebnis sind weniger Überraschungen und ein schnellerer Weg vom Konzept zur Realität.