メタバースにおける仮想実験のための自動シミュレーションワークフローと3D可視化の統合

メタバースにおける仮想実験のための自動シミュレーションワークフローと3D可視化の統合。ワークフローとは、ツール間のデータの流れを定義する一連のツールのことです。多くの仮想実験では、研究者が複数のシミュレーションや処理ツールを手動で接続し、これはスケールが悪く再現性を妨げています。

ワークフローは抽象的で自動化され、スケーラブルで、ポータブルで共有可能で引用可能であるため、これを解決します。既存のシミュレーションコードや処理ステップを使いやすいインターフェースで利用可能なツールにまとめることを可能にします。これらは手動で自動化スクリプトを作成することなく、連携して再構成できます。

ツールは共有可能で、新しいインターフェースの学習を減らし、研究者はシミュレーションの設定や結果の解釈に専念できるようになります。このプロトコルは、ローカルコンテナ化されたワークフローマネージャーの展開を示しています。この構成では、エンドユーザーはフロントエンドとして3Dビジュアライゼーションプラットフォームとやり取りします。

ワークフローへのリンクは、ワークフローマネージャーにAPI呼び出してシミュレーションを起動し結果を受け取る軽量なPython拡張機能の形で、すべて可視化プラットフォーム内から行われます。ここで紹介するシステムは本質的に一般的であり、シミュレーションや処理ステップが行われるほぼすべての応用に適用可能です。このケーススタディでは、核融合エネルギー発電所の文脈で単純な中性子シミュレーションが用いられています。

核融合炉では、重水素とトリチウムが融合してエネルギーと中性子を生成します。重水素は水素の天然同位体ですが、トリチウムは核融合イベントで生成された中性子を用いて原子炉自体で生成されなければなりません。生成される中性子をシミュレートするために、モンテカルロシミュレーションコードが用いられ、原子炉内の中性子を追いかけながら、通過する中性子とのランダムな相互作用を適用します。

比較指標として、トリチウム増殖比と呼ばれる主要性能指標が計算され、中性子相互作用によって生成されるトリチウムと反応で消費されたトリチウム量の比率を示します。シミュレーションは球状トカマク形状に基づく単純なCADジオメトリを用いて、プラズマ容器を包むブランケットによって生成されるトリチウムの量をモデル化し、生成された中性子トラックのDATセットを出力します。プロトコルを開始するには、コンテナエンジンと3D可視化プラットフォームの両方がインストール済みと仮定し、プロジェクトリポジトリに従ってローカルマシンへ移行します。

提供されたシェルスクリプトを使ってワークフローマネージャーサーバーを起動し、コンテナエンジンを使ってポータブルインスタンスを展開します。システムが稼働したら、ローカルのウェブインターフェースにアクセスして管理者アカウントを作成しログインします。ユーザー設定に移動して、ユニークなAPIキーを生成します。

このキーはワークフローマネージャーを呼び出す際に3D可視化プラットフォームの認証を行います。次に、拡張子フォルダ内の該当ファイルに移動して3Dビジュアライゼーションプラットフォームを設定します。この設定ファイルにAPIキーを追加します。

この秘密鍵が安全であり、公開リポジトリにコミットされていないことを確認してください。次に、拡張機能メニューに開いて設定アイコンをクリックし、クローンリポジトリから拡張フォルダのローカルパスを追加して3Dビジュアライゼーションプラットフォームを設定します。最後に、拡張機能を有効にします。

自動読み込みオプションを選択して、再起動時に自動的に有効にすることができます。単一のツールを実行するには、まず入力ファイルをサービスにアップロードしなければなりません。新しい歴史を作り、それに名前をつけてください。

履歴は、実行される各ツールやワークフローごとに別々のワークスペースとして機能します。アップロードボタンをクリックしてください。リポジトリ内のサンプルファイルから必要なCADジオメトリおよび設定データセットを選択し、「スタート」をクリックします。

入力は画面右側の履歴パネルに表示されます。左側のパネルにある必要なモンテカルロシミュレーションツールにアクセスし、それをクリックしてください。現在の履歴から関連する入力データセットを選択し、実行をクリックしてツールを実行します。

出力はオレンジ(処理中)から緑(完了)に変わります。灰色は保留中のステップをハイライトし、赤は失敗したステップを示します。ツールのコンテナイメージがダウンロードされるため、最初の実行は時間がかかることがあります。

その後のランはもっと速くなるはずです。ツールの実行が終わると、シミュレーションの結果を確認できます。履歴パネルのトリチウム繁殖比率データセットをクリックすると展開できます。

これは中性子シミュレーションで計算された比率と関連する統計誤差を示します。ツールはワークフローで使われる場合により有用で、複数のツールを一度に呼び出し、ツール間のデータの流れを自動的に制御できます。前の分析パイプラインを再現するには、ワークフローをクリックし、新しいワークフローを作成して名前を付けてください。

右上のアイコンを使ってワークフローを保存してください。ワークフローは単一のツールと同じように運用されます。上部バーのワークフロータブに移動し、新しいワークフローの実行アイコンをクリックしてください。

対応する入力データセットを選択し、「ワークフローを実行する」をクリックします。これにより、以前手動で実行されたすべてのステップが実行され、中間出力は履歴に保存されます。出力ファイルの検査や、インターフェースでトリチウムの繁殖比率を表示することで実行の検証が可能です。

3Dビジュアライゼーションプラットフォームからワークフローを実行するには、まず出力ファイルを互換性のある3D形式に変換する必要があります。前回のワークフローをミラーリングしつつ、追加のステップを設けて作成しましょう。トラックフォーマットをUSDに変換し、CADフォーマットを中間ステップでUSDに変換します。

このワークフローを保存してください。3Dメタバースプラットフォームを開きます。有効になっている拡張機能はビューポートで利用可能になるはずです。

片側にドッキングして。「ワークフロー取得」をクリックすると、接続されたインスタンスから利用可能なワークフローのリストを取得します。新しく作成されたワークフローを選択し、USDへの換算ステップを選び、「入力取得」をクリックします。

このワークフローに定義された入力が表示されます。それぞれの標準CADジオメトリと設定ファイルを選択します。次に「ワークフローを実行する」をクリックします。

ワークフローが完了すると、拡張機能の情報ウィンドウに通知が表示されます。ファイルマネージャーの「リフレッシュ」をクリックすると、完了したワークフローインスタンスのリストが表示されます。現在のインスタンスを選択します。

再度リフレッシュしてファイルリストを取得してください。閲覧するファイルを選択し、「ファイルを引き出します」をクリックします。3Dファイルがメインビューポートに読み込まれ、テキストベースのファイルが情報ウィンドウに表示されます。

成功したシミュレーション実行では、トリチウム増殖比の出力が得られます。これは速度のためにサンプルサイズが小さい確率的プロセスであるため、リポジトリで提供されている標準構成での期待値は約0.76、分散はプラスマイナス0.01であるべきです。構成入力のバッチ数とパーティクル数を増やすことで、この散乱は減少しますが、実行時間は長くなります。

成功した実行では、変換済みの可視化ファイル、CADジオメトリ、中性子トラックのセットも生成され、それぞれ3D可視化プラットフォームに対応した形式で提供されます。これらは外部ビューアでダウンロードして検査したり、直接3Dビジュアライゼーションプラットフォームに引き込むことができます。この手法は、分野の専門家研究者がシミュレーションツールを3D仮想実験の自動化ワークフローに統合する方法を示しています。

このアプローチはFAIRのデータ原則をサポートし、ラン履歴はプロビデンスのメタデータを完全に取得し、ツールはバージョン管理されたコンテナにパッケージされているため、分析パイプラインは再現可能かつ共有可能です。ワークフローマネージャー自体は標準ハードウェア上でローカルで動作可能ですが、3D仮想化プラットフォームのフルレイトレーシングエンジンを利用するには、互換性のある高性能RTXグラフィックスカードが必要です。