Métodos de aceleración de simulaciones de sistemas mixtos sobre arquitecturas de computación paralelas
El Gemelo Digital es una de las tecnologías habilitantes más prometedoras para desarrollar la fabricación inteligente y la Industria 4.0. La importancia de los Gemelos Digitales está cada vez más reconocida tanto en el ámbito académico como empresarial. De acuerdo con la consultora Gartner, el concepto de Gemelo Digital se encuentra dentro de los diez restos tecnológicos estratégicos para 2019 y prevé que para 2021, más de la mitad de las compañías industriales que los usen ganarán más de un 10% de eficiencia a lo largo del ciclo de vida del producto. Los Gemelos Digitales se caracterizan por la integración completa entre los espacios físico y cibernético. Se trata de una réplica virtual construida a partir de diferentes modelos y datos de un sistema físico.
En el caso de sistemas complejos, un gemelo digital abarca diferentes dominios físicos como sistemas mecánicos, de fluidos, térmicos, eléctricos o electrónicos, por citar algunos. Las disciplinas que sustentan el concepto de gemelo digital incluyen el modelado y la simulación de sistemas, que son la esencia de la implementación del concepto de gemelo digital en la práctica, la verificación y validación de los mismos y la fusión de datos. Se trata, en resumen, de un concepto que abarca múltiples campos de estudio.
De todos ellos, este proyecto se centra en el desarrollo de métodos de simulación más eficientes que permitan acelerar las simulaciones de sistemas eléctricos, y electrónicos en particular, pero que son directamente trasladables a otros tipos de sistemas físicos que puedan ser modelados de forma similar a los sistemas eléctricos, tales como sistemas de transmisión de calor, mecánicos, etc, individuales o combinados.
Aunque en el campo de la electrónica los simuladores se utilizan desde hace bastante tiempo, la integración de diferentes sistemas en el concepto de gemelo digital ha incrementado la complejidad de los modelos y multiplicado el número de variables a simular. Las herramientas de simulación habitualmente empleadas en sistemas electrónicos están basadas en métodos de integración implícitos que, debido a sus características, ofrecen simulaciones para sistemas complejos que se pueden prolongar durante horas e incluso días. Esto repercute en un incremento del tiempo necesario para diseñar y fabricar un producto, con el consiguiente impacto en su competitividad.
El proyecto a realizar durante esta estancia propone desarrollar una herramienta de simulación de sistemas analógicos basado en un método explícito y de paso variable, que pueda además ser paralelizado sobre una computadora con múltiples procesadores. La implementación de esta técnica implica un análisis previo de la estabilidad del método numérico que no es trivial. Hasta donde sabemos, no existe en el estado del arte una técnica similar a la planteada en esta estancia que haya superado a los simuladores convencionales como SPICE. Los resultados obtenidos serán útiles no solo en el campo de la electrónica, sino que serán trasladables a todo tipo de sistemas continuos de tipo mecánico, térmico, o de fluidos, por citar algunos, que puedan ser modelados mediante leyes de continuidad como las de Kirchhoff. Esta reducción de los tiempos de simulación permitirá realizar simulaciones más intensivas que incrementen las garantías de éxito y la fiabilidad de los productos de las empresas industriales en un entorno cada vez más competitivo.
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