modeFRONTIER · 2019-12-10 · modefrontierのワークフロー作成 4....

～プロトタイプによる圧縮機モデルのパラメトリックスタディ～

DYNSIMとmodeFRONTIERとの連成

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株式会社IDAJ 桑原浩史

AVEVA 平田諭

2019 / 12 / 3


Agenda

1. IDAJ会社紹介

2. modeFRONTIERについて

3. 連成プログラム開発(プロトタイプ)の背景

4. DYNSIMとmodeFRONTIERとの連成方法(プロトタイプ)

5. 圧縮機モデルを用いたパラメトリックスタディ

6. パラメトリックスタディ計算結果

7. まとめ

8. 連成による可能性

9. 今後の展開

1. IDAJ会社紹介


IDAJは日本を起点とするグローバルCAE企業

社名株式会社IDAJ

代表者代表取締役社長徐錦冑

設立 1994年10月1日

資本金 1,000万円

従業員数約280名(2018.4現在) ※海外のグループ会社含む（日本約190名）

売上 82.5億（対前年度比113%up）

事業内容・CAE/CFDプロダクトの販売及び技術サポート・デジタルエンジニアリングに関する各種コンサルティング・CAD/CAEシステムインテグレーション

役員一覧代表取締役社長徐錦冑取締役副社長東村哲志取締役副社長石川正俊取締役小川修一

所在地本社〒220-8137 横浜市西区みなとみらい2-2-1-1 横浜ランドマークタワー37F TEL 045-683-1900 FAX 045-683-1999

中部支社〒450-0002 名古屋市中村区名駅4-24-8 EME名古屋ビル 5F

関西支社〒651-0088 神戸市中央区小野柄通7-1-1 日本生命三宮駅前ビル 3F

1. IDAJ会社紹介


プロダクトの販売および技術サポートトップシェアを誇る多分野・多次元のソフトウェアを販売問題解決するサポート力

エンジニアリングコンサルティング年間400～500件，累計5000件以上の実績委託解析，物理モデル開発，技術移管，オンサイトコンサルティングなど幅広い形態・形式でサービスをご提供

CAEを中心とするシステム構築と開発多くの企業様へ専用システムの納入実績様々なソフトウェアを統合化したシステム開発設計者展開・業務効率化

多分野をカバーできるCAEプロダクトおよび技術・知識を取捨選択/結合して設計プロセスにおけるお客様の問題解決のソリューションを提案し、ものつくりのお手伝いをしております

IDAJビジネスの3本柱


modeFRONTIERは開発者の意思決定を支援するツールです

多目的最適化

応答曲面

データマイニング

統計分析

ロバスト設計

様々な要求性能を同時に

満足する

よりコストの安い製品、仕様

製品や環境のばらつきまで

考慮した開発

・・・etc

TRY&ERROR

BreakThrough

様々な機能により、開発者が仕様決定するための根拠(武器)を導きます

<開発に求められること> <設計開発> <製品>



例えばこんな場面で・・・

<例) 目標開発仕様> 性能：Aはより小さいほうがいいコスト：コストはより安いほうがいいレイアウト：他部品と干渉しないこと設計パラメータ：B、L、T

BL

T

<設計空間>

<解空間>

■この仕様は本当にベストな仕様なのか？(もっと性能もコストも低い仕様はないのか？)

■設計パラメータと性能やコストの関係は？(評価を行った数点の設計間での関係しか確認できない)

X:コスト

Y：性能

A

設計を行った中で見つかった、良さそうな仕様




• “設計空間”，“解空間”を把握した設計開発が問題を解決します• modeFRONTIERは多数のアルゴリズムやポスト機能により、効率的な”解空間”の取得を支援します

BL

T

<設計空間>

X:コスト

Y：性能

A

<解空間>

コンター：T

<解空間がわかることで>■パレート解（解の限界）■出力同士の関係(トレードオフ)

●:計算点◆:レイアウトNG

レイアウトNGエリア

先の検討解

パレートフロント

プラントモデル評価の場合、小さな改善でも大きな効果が見込まれる！

2. modeFRONTIERについて• 取得した“解空間”から，様々な分析手法・チャートを使って出力の傾向把握，入出力パラメータ間の相関や寄与などを分析します

<散布図マトリクス>

<多次元解析チャート>

入出力パラメータ間の相関を確認

入出力パラメータ間の傾向を確認

<自己組織化マップ(SOM)>

入出力パラメータ間の相関を視覚的に確認

<クラスタリング多次元解析チャート> データを分類することで，より明確に傾向を確認

クラスタリング


• modeFRONTIERに実装されている分析手法には以下のような機械学習に関連したものも搭載されています

2. modeFRONTIERについて• 様々なシーンに応じて解空間の取得が可能です

【評価点生成】

<解析担当者>

<実験担当者>

最適化計算のための初期DOE

直行表などを用いた実験計画

【評価実行】

DYNSIM

【解空間】

実験

■応答曲面(回帰モデル)も作成可能■作成した応答曲面はExcelなどの外部ファイルへエクスポート可能なため，modeFRONTIERが無くても利用可能

2. modeFRONTIERについて• まず人間が「何を評価したいか」で，取るべき手法が変わる

<例) なるべく性能を最大化し，コストを最小化する組み合わせを把握したい→「最適化アルゴリズム」による解探査(限界探査)

<例) ある範囲で設計変数を変動させた場合の，出力への影響量を把握したい→「実験計画法」による効率的な設計空間全域の情報取得

• 目的に応じてデータの取り方(戦略)を切り替え，精査されたデータ群をもたらす

全組み合わせ計算をすることなく，精度の高い意思決定をできるようにする

設計空間全パターン解空間全パターン

3. 連成プログラム開発（プロトタイプ）の背景


1. 「働き方改革」に伴い、業務自動化による生産性向上が求められている。


2. 複雑な問題に対する解決

3. ツールの連成でのみ実現し得る新たな課題の解決

• 生産性向上のための手段として、RPA(ロボティックプロセスオートメーション)が急速に普及しつつある(RPAの普及率：32%)

• ホワイトカラーだけでなく、エンジニアに対しても開発効率向上の必要性が求められている。→自動化・最適化の必要性

出典元：RPA国内利用動向調査(2019年1月調査)株式会社MMI総研• 人手頼りでは解決できない課題の解決→パラメトリックスタディ

• 例) DYNSIM + Electrical Solverによるプロセス系モデルと電気系モデルとの統合シミュレーション

3. 連成プログラム開発（プロトタイプ）の背景1. 「働き方改革」に伴い、業務自動化による生産性向上が求められている。


2. 複雑な問題に対する解決、3.ツールの連成でのみ実現し得る新たな課題の解決

• 業務改善、生産性向上のためのAVEVAの提案：ユニファイド・エンジニアリング

• プロジェクトライフサイクルにおける統合ワークフロー環境の提供

→ 統合シミュレーション環境＋統合エンジニアリング環境

1) PRO/II → modeFRONTIERとの連成：実現済(Excelを介して実現)

• 共沸蒸留による高純度エタノール精製プロセスの最適化

3. 連成プログラム開発（プロトタイプ）の背景


2. 「複雑な問題に対する解決、3.「ツールの連成でのみ実現し得る新たな課題の解決2) DYNSIM → ??

• 定常シミュレータとmodeFRONTIERに代表される、最適設計支援ツールとの連成は以前より適用されているが、非定常シミュレータとの連成は例を見ない。

• 非定常シミュレータを用いた、一計算あたり数十分の解析対象では、「条件入力→解析実施→結果分析→次計算条件決定→再解析」のサイクルが自動化できれば効率化に繋がる。

• 多目的非定常シミュレータであるDYNSIMとmodeFRONTIERとの連成により、装置やプロセスレベルでの設計効率の飛躍的な向上のみならず、低コストで安定運転を実現する最適設計条件を求めることが期待できる。

DYNSIM

今回はその試みとして、連成のためのプロトタイプを構築し、圧縮機モデルを用いたパラメトリックスタディを実施。


modeFRONTIERのワークフロー作成


• STEP1：DYNSIMノードをワークフローに設置し、使用するDYNSIMモデルファイルを設定

• STEP2：パラメータチューザから、扱う入出力パラメータをmodeFRONTIERにて取得

• STEP3：目的関数、制約条件を設定

DYNSIMノード

<modeFRONTIERワークフロー画面>

<パラメータチューザ画面>

<目的関数>アクチュエータコスト最小化

<目的関数>アンチサージバルブコスト最小化

<制約条件>サージOUT＝0

<目的関数>パイプHoldup最小化

STEP1

STEP3

ドラッグ

&ドロップSTEP2


• プロトタイプでは、DYNSIM 6.0を使用。 JSON形式のデータベースに記載された

パラメータを、modeFRONTIERで取り出し可能。

• Edit画面におけるパラメータは、DYNAMICクラスにしておくことで、modeFRONTIER

側の「入力変数」として利用可能


DYNSIM側から取り出せるパラメータ

DYNSIM



1. 検証用DYNSIMモデル：汎用的な多段の圧縮機モデル（サンプル提供：川崎重工業株式会社殿）

2. 連成の目的：

• 圧縮機解析バルブサイズ、配管径、配管長さ、等を操作因子、ユーザー定義のコスト算出式等を評価関数、サージに入らないこと等を制約条件として、低コストで安定した運転が可能な設計条件等を求めたい。



サージング発生→圧縮機故障

アンチサージライン

圧縮機

• サージング回避策の一つに、アンチサージライン（Cold Bypass）の設置

アンチサージバルブ

サージングの考え方


アンチサージバルブ（ASV）

…サイズ（CV値）が大きい、開速度が速いほうがサージング回避に有効

…しかし、共に設置コスト増加に繋がる

サイズに関しては、前後配管のサイズ→ プロットにも影響する

…配管体積も、内部のプロセスガス量削減のため、小さいほうが良いケースも多い

トレードオフの関係

入力変数（ASVのCV値など）や目的・結果の項目が一つだけなら、ケーススタディー

も楽だが、複数ある場合は最適な組合せを探すのも大変（パラメトリックスタディ）

自動化のため、modeFRONTIERとの連成を実施

圧縮機設計の考え方、制約


1. 入力変数(4変数)

• アンチサージバルブCv値

• アクチュエータの開速度

• IN/OUTパイプサイズ

2. 制約条件：コンプレッサーがサージ領域に入らないこと

3. 目的関数：

• コスト最小化(アンチサージバルブ、アクチュエータ)

• IN/OUTパイプHoldups最小化

4. コスト算出式：コスト＝アンチサージバルブコスト＋アクチュエーターコスト※それぞれのコストは、所定の簡易式を用意して算出


パラメトリックスタディ：設定項目

5. 圧縮機モデルを用いたパラメトリックスタディ上限下限刻み水準数

Cv値 3000 500 100 26

開速度（Sec） 20 1 1 20

IN/OUTパイプサイズ（アンチサージバルブ

Cv値に応じて変更）26


最適化計算の条件

• 最適化アルゴリズム：pilOPT

• 計算回数：100回

• 計算時間：50(s)/case ×100 ≒1.4(h)

<pilOPT> ESTECO社独自のアルゴリズム一般的なアルゴリズムと比較し、高い探索性能を有しますオートノマス機能を使って詳細設定を自動的に行うことで、最適化アルゴリズムの予備知識なしでも運用可能です


• 2D散布図で解空間の視覚化．だいたいのSurge境界ラインをとらえている


6. パラメトリックスタディ計算結果 (1)

ActuatorCostActuatorCost

An

ti_s

urg

eCo

st

Pip

e_h

old

up

Surge領域

Surge領域

• (ほぼ)全点計算パターンで結果分析の紹介


ActuatorCostActuatorCost

An

ti_s

urg

eCo

st

Pip

e_h

old

up

Surge領域

Surge領域


6. パラメトリックスタディ計算結果 (3)• バブルチャートで入力変数の分布を解空間にプロット


ActuatorCostActuatorCostP

ipe_

ho

ldu

p

Pip

e_h

old

up

色：アンチサージバルブCv値（赤いほうが大きい）

色：アクチュエータの開速度（赤いほうが遅い）

トレードオフトレードオフ

6. パラメトリックスタディ計算結果 (4)• 3D散布図で解空間を視覚化

• Pipe_holdupを大きく変動させるのはAnti_surgeCost.


Pip

e_h

old

up

6. パラメトリックスタディ計算結果 (5)• TotalCostとPipe_holdupの関係性を確認

• 左下の緑色のプロットがより良い条件だが，surgeしやすいので注意を要する領域で

もある


TotalCost

Pip

e_h

old

up

• 多次元解析チャートで解の傾向を把握


TotalCost

Pip

e_h

old

up

TotalCost

Pip

e_h

old

up

トータルコストが安くPipe_holdupも小さいがサージしやすいパターン

トータルコストがさほど高くなく、サージしにくいパターン

一般的にはこのあたりに最適解がありそう


7. まとめ• 自動化

• DYNSIMとmodeFRONTIERを連成するにあたり、modeFRONTIERではDYNSIM専用のダイレクトインターフェース

を開発することで，連成が容易に出来るようになった

• 効果

• modeFRONTIERでのワークフロー作成0.5h、計算時間1.4hの合計2h弱で100ケースの計算が可能となった

• 解空間の視覚化

• サージに入らないこと等の制約を満たすうえで、低コストで安定した運転が可能な設計条件等を求めたいと

いう問題に対し、DYNSIMとmodeFRONTIERを連成し最適化計算を行うことで、意思決定に必要な解空間を取得

することができた

• 付加価値

• modeFRONTIERのポスト処理にて、解空間やトレードオフの様子、各種パラメータの傾向を把握することがで

き，性能優先パターンやサージ安定パターンなどの比較分析ができた


8. 連成による可能性

1. 時系列データに対するパラメーターフィッティング

• プラントの実際の時系列データに対し、触媒劣化パラメーターや反応速度パラメーターに対する補正係数等を振り、データと一致するようなパラメーターを探索する。

2. modeFRONTIERがDYNSIMと他のCFDや熱交換器設計ソフトなどを統合化して評価

• 例：CFDソフトの解析結果を，DYNSIMの入力値として自動で受け渡す

3. modeFRONTIERの応答曲面機能を用いて、DYNSIMの解析結果群から予測モデルを作成し、これを1D CAE(流体解析、構造解析等)などに組み込み活用する．

• 例：物理モデルでは表現が難しい特殊な反応器を、modeFRONTIERの応答曲面機能を用いて実験データから複数の成分濃度と収率の関係を定義(Excel形式)し、反応器モデルとしてDYNSIMと連携する。

その他、可能性はアイディア次第。是非「こんなことできないの？」というご相談を

お待ちしております。


DYNSIMとmodeFRONTIERとの連成により、様々な応用が展開できる。

9. 今後の展開1. 川崎重工業株式会社殿と実モデルを用いて検証を実施

2. プロトタイプをベースとしたバージョンアップ

• お客様のご要望に応じた改善検討

• 例：XY表形式データの取り扱いや履歴データの取得など

3. SimCentralとmodeFRONTIERとの連成

• SimCentralと他ソフトウェアとの連成はこれから(連成部分の仕様は非公開)

• 現段階ではJava script経由で連携可能


さいごに


• modeFRONTIERについてご不明な点がございましたら、以下までお気軽にご連絡ください。

株式会社IDAJ 解析技術3部

Tel：045-683-1947

E-mail：[email protected]

web: https://www.idaj.co.jp/

• モデルをご提供いただきました川崎重工業株式会社様、

またこのような機会をいただきましたAVEVA様、

ありがとうございました

mailto:[email protected]

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AVEVA is a global leader in engineering and industrial software driving digital transformation across the entire asset and operational life cycle of capital-intensive industries.

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