Integration automatisierter Simulations-Workflows mit 3D-Visualisierung für virtuelle Experimente im Metaverse

Integration automatisierter Simulationsworkflows mit 3D-Visualisierung für virtuelle Experimente im Metaverse. Ein Workflow ist eine Kette von Werkzeugen, die den Datenfluss zwischen ihnen definiert. In vielen virtuellen Experimenten verbinden Forscher manuell mehrere Simulations- und Verarbeitungswerkzeuge, was schlecht skaliert und die Reproduzierbarkeit behindert.

Workflows lösen das, weil sie abstrakt, automatisiert, skalierbar, portabel, teilbar und zitierbar sind. Sie ermöglichen es, bestehende Simulationscodes und Verarbeitungsschritte in Werkzeuge zu integrieren, die in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle verfügbar sind. Diese können dann miteinander verknüpft und neu konfiguriert werden, ohne manuell maßgeschneiderte Automatisierungsskripte erstellen zu müssen.

Die Werkzeuge können auch geteilt werden, wodurch der Bedarf an neuen Schnittstellen reduziert wird und Forscher sich stattdessen auf die Konfiguration von Simulationen und die Interpretation von Ergebnissen konzentrieren können. Dieses Protokoll demonstriert die Bereitstellung eines lokal containerisierten Workflow-Managers. In dieser Konfiguration interagiert der Endnutzer mit einer 3D-Visualisierungsplattform als Frontend.

Der Link zu den Workflows erfolgt in Form einer leichtgewichtigen Python-Erweiterung, die API-Aufrufe an den Workflow-Manager vornimmt, um Simulationen zu starten und die Ergebnisse direkt innerhalb der Visualisierungsplattform zu empfangen. Das hier dargestellte System ist von Natur aus allgemein und kann in fast jeder Anwendung angewendet werden, bei der Simulations- und Verarbeitungsschritte durchgeführt werden. Für diese Fallstudie wird eine einfache neutronische Simulation im Kontext eines Fusionsenergiekraftwerks verwendet.

In einem Fusionsreaktor werden Deuterium und Tritium miteinander verschmolzen, um Energie und Neutronen zu erzeugen. Deuterium ist ein natürliches Isotop von Wasserstoff, aber Tritium muss vom Reaktor selbst mit Neutronen produziert werden, die bei den Fusionsereignissen entstehen. Um die erzeugten Neutronen zu simulieren, wird ein Monte-Carlo-Simulationscode verwendet, der den Neutronen im Reaktor folgt und beim Durchgang zufällige Wechselwirkungen mit dem Material anwendet.

Als vergleichendes Maß wird ein wichtiger Leistungsindikator, das Tritium-Brutverhältnis, berechnet, der das Verhältnis des durch Neutronenwechselwirkungen erzeugten Tritiums zur in der Reaktion verbrauchten Tritiummenge angibt. Die Simulation verwendet eine einfache CAD-Geometrie, die auf der kugelförmigen Tokamak-Form basiert, um die Menge an Tritium zu modellieren, die durch die Decke um das Plasmabehälter gewickelt wird, und liefert eine Dat-Menge der erzeugten Neutronenspuren. Um das Protokoll zu starten, nehmen wir an, dass sowohl die Container-Engine als auch die 3D-Visualisierungsplattform installiert wurden, wobei das Projekt-Repository zur lokalen Maschine gefolgt wird.

Starten Sie den Workflow-Manager-Server mit dem bereitgestellten Shell-Skript, das die Container-Engine nutzt, um eine portable Instanz bereitzustellen. Sobald das System läuft, greifen Sie auf die lokale Weboberfläche zu, um ein Administratorkonto zu erstellen und sich anzumelden. Navigiere zu den Benutzereinstellungen, um einen eindeutigen API-Schlüssel zu generieren.

Dieser Schlüssel authentifiziert die 3D-Visualisierungsplattform, wenn sie den Workflow-Manager aufruft. Als Nächstes konfigurieren Sie die 3D-Visualisierungsplattform, indem Sie zur entsprechenden Datei im Ordner der Erweiterungen navigieren. Füge den API-Schlüssel zu dieser Konfigurationsdatei hinzu.

Stellen Sie sicher, dass dieser private Schlüssel sicher bleibt und nicht in öffentliche Repositorien festgelegt wird. Als Nächstes konfigurieren Sie die 3D-Visualisierungsplattform, indem Sie zum Menü der Erweiterungen navigieren, auf das Einstellungssymbol klicken und den lokalen Pfad des Erweiterungsordners aus dem geklonten Repository hinzufügen. Aktivieren Sie schließlich die Erweiterung.

Die Auto-Load-Option könnte so ausgewählt werden, dass sie beim Neustart automatisch aktiviert ist. Um ein einzelnes Tool auszuführen, müssen Eingabedateien zuerst in den Dienst hochgeladen werden. Erstellen Sie eine neue Geschichte und benennen Sie sie.

Historien fungieren als separate Arbeitsbereiche für jede Satzung von Werkzeugen oder Workflows. Klicken Sie auf den Upload-Button. Wählen Sie die erforderlichen CAD-Geometrie- und Konfigurationsdatensätze aus den Beispieldateien im Repository aus und klicken Sie auf Start.

Die Eingaben erscheinen im History-Panel auf der rechten Seite des Bildschirms. Navigieren Sie zum erforderlichen Monte-Carlo-Simulationstool im linken Panel und klicken Sie darauf. Wählen Sie die relevanten Eingabedatensätze aus dem aktuellen Verlauf aus und führen Sie das Tool aus, indem Sie auf Ausführen klicken.

Die Ausgaben wechseln von orange, was anzeigt, dass sie verarbeitet werden, zu grün, was anzeigt, dass sie fertig sind. Grau wird verwendet, um ausstehende Schritte hervorzuheben, und rot für fehlgeschlagene Schritte. Der erste Durchlauf kann länger dauern, da das Container-Image des Tools heruntergeladen wird.

Folgende Läufe sollten schneller sein. Sobald das Tool ausgeführt ist, können die Ergebnisse der Simulation angesehen werden. Klicken Sie auf den Tritium-Brutverhältnis-Datensatz im Historie-Panel, um ihn zu erweitern.

Dies zeigt das durch die neutronische Simulation berechnete Verhältnis und den zugehörigen statistischen Fehler. Werkzeuge sind nützlicher, wenn sie in Workflows verwendet werden, da mehrere Werkzeuge in einem einzigen Aufruf aufgerufen werden können und der Datenfluss zwischen Werkzeugen automatisch gesteuert wird. Um die vorherige Analyse-Pipeline zu replizieren, klicken Sie auf Workflows und erstellen und benennen Sie einen neuen Workflow.

Importiere die Werkzeuge für das Werkzeugfeld, indem du darauf klickst. Und dann füge ich zwei Datensätze als Eingaben hinzu und benenne sie. Wenn alle Werkzeuge und Eingaben auf der Leinwand sind, verbinden Sie sie durch Klicken und Ziehen, um die Ausgabe eines Schrittes mit der Eingabe des nächsten zu verbinden und so den Datenfluss zu definieren.

Speichere den Workflow über das Symbol oben rechts. Der Workflow läuft ähnlich wie ein einzelnes Werkzeug. Navigiere zum Reiter Workflows in der oberen Leiste und klicke auf das Ausführen-Symbol im neuen Workflow.

Wählen Sie die entsprechenden Eingabedatensätze aus und klicken Sie dann auf Workflow ausführen. Dies führt alle zuvor manuell ausgeführten Schritte aus und speichert Zwischenausgaben in der Historie. Der Durchlauf kann durch Inspektion der Ausgabedateien oder durch Darstellung des Tritium-Brutverhältnisses in der Schnittstelle überprüft werden.

Um Workflows von der 3D-Visualisierungsplattform auszuführen, müssen die Ausgabedateien zunächst in ein kompatibles 3D-Format konvertiert werden. Erstelle einen Workflow, der dem vorherigen entspricht, aber zusätzliche Schritte bietet. Eine Umwandlung des Streckenformats in USD und eine CAD-Umwandlung in USD über Zwischenschritte.

Speichere diesen Workflow. Öffne die 3D-Metaverse-Plattform. Die aktivierte Erweiterung sollte im Viewport verfügbar sein.

Leg es an eine Seite an. Klicken Sie auf Workflows abrufen, um die Liste der verfügbaren Workflows aus der verbundenen Instanz abzurufen. Wählen Sie den neu erstellten Workflow mit Umrechnungsschritten in USD aus und klicken Sie auf Eingaben abrufen.

Die für diesen Workflow definierten Eingaben erscheinen. Wählen Sie die Standard-CAD-Geometrie- und Konfigurationsdateien für jede aus. Dann klicke auf Workflow ausführen.

Sobald der Workflow abgeschlossen ist, erscheint eine Benachrichtigung im Informationsfenster der Erweiterung. Klicken Sie unter dem Dateimanager auf Aktualisieren, um die Liste der abgeschlossenen Workflow-Instanzen anzuzeigen. Wählen Sie die aktuelle Instanz aus.

Aktualisieren Sie erneut, um die Dateiliste abzurufen. Wählen Sie die Dateien aus und klicken Sie auf Datei ziehen. 3D-Dateien werden in das Haupt-Viewport geladen und textbasierte Dateien erscheinen im Informationsfenster.

Ein erfolgreicher Simulationslauf erzeugt ein Tritium-Fortpflanzungsverhältnis. Da dies ein stochastischer Prozess mit einer kleinen Stichprobengröße zur Geschwindigkeit ist, sollte der erwartete Wert nach der im Repository bereitgestellten Standardkonfiguration etwa 0,76 betragen, mit einer Varianz von plus oder minus 0,01. Eine Erhöhung der Batch- und Partikelanzahl im Konfigurationseingang reduziert diese Streuung auf Kosten längerer Laufzeiten.

Ein erfolgreicher Durchlauf erzeugt außerdem eine Reihe konvertierter Visualisierungsdateien, die CAD-Geometrie und die Neutronenspuren, jeweils in einem Format, das mit der 3D-Visualisierungsplattform kompatibel ist. Diese können in einem externen Viewer heruntergeladen und inspiziert werden oder direkt in die 3D-Visualisierungsplattform übertragen werden. Diese Methode zeigt, wie Fachexperten Simulationswerkzeuge in automatisierte Arbeitsabläufe für 3D-virtuelle Experimente integrieren können.

Der Ansatz unterstützt die FAIR-Datenprinzipien, Laufgeschichten erfassen vollständige Providence-Metadaten, und Tools werden in versionskontrollierten Containern verpackt, wodurch die Analysepipeline sowohl reproduzierbar als auch teilbar ist. Während der Workflow-Manager selbst lokal auf Standardhardware ausgeführt werden kann, erfordert die Nutzung der vollständigen Raytracing-Engine der 3D-Virtualisierungsplattform eine kompatible Hochleistungs-RTX-Grafikkarte.