메타버스 가상 실험을 위한 자동화된 시뮬레이션 워크플로우와 3D 시각화 통합

메타버스 가상 실험을 위한 자동화된 시뮬레이션 워크플로우와 3D 시각화를 통합하는 것. 워크플로우는 데이터 흐름을 정의하는 도구들의 체인입니다. 많은 가상 실험에서 연구자들은 여러 시뮬레이션 및 처리 도구를 수동으로 연결하는데, 이는 확장성이 떨어지고 재현성을 방해합니다.

워크플로우는 추상적이고 자동화되며 확장 가능하고, 이동 가능하며, 공유 가능하고, 인용 가능하기 때문에 이 문제를 해결합니다. 기존 시뮬레이션 코드와 처리 단계를 사용하기 쉬운 인터페이스에서 제공하는 도구로 통합할 수 있게 합니다. 이 스크립트들은 맞춤 자동화 스크립트를 수동으로 만들지 않고도 서로 연결하고 재구성할 수 있습니다.

도구들은 공유할 수 있어 새로운 인터페이스를 배울 필요가 줄어들고, 연구자들이 대신 시뮬레이션 구성과 결과 해석에 집중할 수 있습니다. 이 프로토콜은 로컬 컨테이너화된 워크플로우 관리자의 배포를 보여줍니다. 이 구성에서 최종 사용자는 프론트엔드로서 3D 시각화 플랫폼과 상호작용합니다.

워크플로우와의 연결은 가벼운 Python 확장 기능의 형태로, 워크플로우 관리자에 API 호출을 통해 시뮬레이션을 실행하고 결과를 받으며, 이 모든 것을 시각화 플랫폼 내에서 확인할 수 있습니다. 여기서 제시된 시스템은 본질적으로 일반적이며 시뮬레이션 및 처리 단계가 수행되는 거의 모든 응용 분야에 적용할 수 있습니다. 이 사례 연구에서는 융합 에너지 발전소 맥락에서 간단한 중성자 시뮬레이션을 사용합니다.

핵융합로에서는 중수소와 삼중수소가 융합되어 에너지와 중성자를 생성합니다. 중수소는 수소의 자연 동위원소이지만, 삼중수소는 핵융합 과정에서 생성된 중성자를 이용해 원자로 자체에서 생성되어야 합니다. 생성된 중성자를 시뮬레이션하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션 코드를 사용하며, 이는 원자로 주변의 중성자를 따라가며 물질과 무작위 상호작용을 가합니다.

비교 지표로서, 중성자 상호작용으로 생성된 삼중수소와 반응 중 소비된 삼중수소 양의 비율을 제공하는 삼중수소 증식 비율을 계산합니다. 시뮬레이션은 구형 토카막 형태를 기반으로 한 간단한 CAD 기하학을 사용하여 플라즈마 용기를 감싸는 담요가 생성하는 삼중수소의 양을 모델링하고, 생성된 중성자 궤적의 dat 집합을 출력합니다. 프로토콜을 시작하려면, 컨테이너 엔진과 3D 시각화 플랫폼이 모두 설치되어 있다고 가정하고, 프로젝트 저장소를 따라 로컬 머신으로 이동합니다.

제공된 셸 스크립트를 사용하여 워크플로우 관리자 서버를 실행하며, 이 스크립트는 컨테이너 엔진을 사용하여 포터블 인스턴스를 배포합니다. 시스템이 실행되면 로컬 웹 인터페이스에 접속해 관리자 사용자 계정을 만들고 로그인하세요. 사용자 환경설정으로 이동해 고유한 API 키를 생성하세요.

이 키는 워크플로우 매니저를 호출할 때 3D 시각화 플랫폼을 인증합니다. 다음으로, 확장 프로그램 폴더에서 해당 파일을 찾아 3D 시각화 플랫폼을 설정하세요. 이 설정 파일에 API 키를 추가하세요.

이 개인 키가 안전하게 유지되고 공개 저장소에 할당되지 않도록 하세요. 다음으로, 확장 프로그램 메뉴로 이동해 설정 아이콘을 클릭한 뒤, 복제된 저장소에서 확장 폴더의 로컬 경로를 추가하여 3D 시각화 플랫폼을 설정하세요. 마지막으로, 확장 기능을 활성화하세요.

자동 로드 옵션을 선택하면 재출시 시 자동으로 활성화될 수 있습니다. 단일 도구를 실행하려면 입력 파일을 먼저 서비스에 업로드해야 합니다. 새로운 역사를 만들고 이름을 붙이세요.

히스토리는 각 도구 세트나 워크플로우가 실행되는 각 작업에 대해 별도의 작업 공간 역할을 합니다. 업로드 버튼을 클릭하세요. 저장소 내 예제 파일에서 필요한 CAD 지하학 및 구성 데이터셋을 선택한 후 시작을 클릭하세요.

입력은 화면 오른쪽의 히스토리 패널에 나타납니다. 왼쪽 패널에 있는 몬테카를로 시뮬레이션 도구로 이동해 클릭하세요. 현재 기록에서 관련 입력 데이터 세트를 선택하고 실행을 클릭하여 도구를 실행하세요.

출력은 주황색(처리 중임)에서 녹색(완료됨)으로 바뀝니다. 회색은 대기 중인 단계에 표시하고, 빨간색은 실패한 단계에 사용됩니다. 첫 번째 실행은 도구의 컨테이너 이미지를 다운로드하기 때문에 시간이 더 걸릴 수 있습니다.

이후 플레이는 더 빠를 것입니다. 도구가 실행을 마치면 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있습니다. 역사 패널에서 삼중수소 번식 비율 데이터셋을 클릭하여 확장하세요.

이는 중성자 시뮬레이션에 의해 계산된 비율과 관련 통계 오차를 보여줍니다. 도구는 워크플로우에서 사용될 때 더 유용한데, 워크플로우에서는 여러 도구를 한 번에 호출하고 도구 간 데이터 흐름을 자동으로 제어할 수 있습니다. 이전 분석 파이프라인을 재현하려면 워크플로우를 클릭한 후 새 워크플로우를 생성하고 이름을 지정하세요.

툴 패널의 도구를 클릭해서 가져오세요. 그리고 두 개의 데이터셋을 입력으로 추가하고 이름을 붙입니다. 모든 도구와 입력이 캔버스에 모이면, 클릭과 드래그로 연결하여 한 단계의 출력과 다음 단계의 입력을 연결하여 데이터 흐름을 정의합니다.

오른쪽 상단 아이콘을 사용해 워크플로우를 저장하세요. 워크플로우는 단일 도구와 거의 같은 방식으로 운영됩니다. 상단 바의 워크플로우 탭으로 이동해 새 워크플로우의 실행 아이콘을 클릭하세요.

해당 입력 데이터셋을 선택한 후 워크플로우 실행을 클릭하세요. 이 과정은 이전에 수동으로 실행된 모든 단계를 실행하며, 중간 출력을 히스토리에 저장합니다. 이 실행 결과는 출력 파일을 검사하거나 인터페이스에서 삼중수소 번식 비율을 표시함으로써 검증할 수 있습니다.

3D 시각화 플랫폼에서 워크플로우를 실행하려면 먼저 출력 파일을 호환 가능한 3D 형식으로 변환해야 합니다. 이전 워크플로우를 반영하되 추가 단계가 있는 워크플로우를 만드세요. 트랙 포맷을 USD로, CAD 포맷을 USD로 중간 단계를 거쳐 변환했습니다.

이 워크플로우를 저장하세요. 3D 메타버스 플랫폼을 열어보세요. 활성화된 확장 기능은 뷰포트에서 볼 수 있어야 합니다.

한쪽에 도킹하세요. 연결된 인스턴스에서 사용 가능한 워크플로우 목록을 가져오려면 작업 흐름 가져오기(Get Workflows)를 클릭하세요. USD로 변환하는 단계가 있는 새로 생성된 워크플로우를 선택한 후 입력 받기(Get Inputs)를 클릭하세요.

이 워크플로우에 정의된 입력값이 나타납니다. 각 각각의 표준 CAD 지하학 및 구성 파일을 선택하세요. 그다음 워크플로우 실행을 클릭하세요.

워크플로우가 완료되면 확장 프로그램의 정보 창에 알림이 나타납니다. 파일 관리자에서 '새로고침'을 클릭하면 완료된 워크플로우 인스턴스 목록을 볼 수 있습니다. 현재 인스턴스를 선택하세요.

다시 새로고침해서 파일 목록을 불러옵니다. 볼 파일을 선택한 후 파일 가져오기를 클릭하세요. 3D 파일이 메인 뷰포트로 로드되며, 텍스트 기반 파일은 정보 창에 나타납니다.

성공적인 시뮬레이션 실행은 삼중수소 양육 비율 출력을 생성합니다. 이는 속도를 위해 작은 표본 크기를 사용하는 확률적 과정이므로, 저장소에 제공된 표준 구성을 사용한 기대값은 약 0.76이며, 분산은 ± 0.01이어야 합니다. 구성 입력에서 배치 수와 입자 수를 늘리면 이 산란이 줄어들지만 실행 시간이 길어집니다.

성공적인 실행은 또한 변환된 시각화 파일, CAD 기하학, 중성자 트랙 세트를 생성하며, 각각 3D 시각화 플랫폼과 호환되는 형식으로 구현됩니다. 이 자료들은 외부 뷰어에서 다운로드하여 검사하거나 3D 시각화 플랫폼으로 직접 끌어올 수 있습니다. 이 방법은 도메인 전문가 연구자들이 3D 가상 실험의 자동화된 워크플로우에 시뮬레이션 도구를 통합할 수 있음을 보여줍니다.

이 접근법은 FAIR 데이터 원칙을 지원하며, 실행 기록이 전체 프로비던스 메타데이터를 캡처하고, 도구 패키지가 버전 관리 컨테이너에 포함되어 있어 분석 파이프라인이 재현 가능하고 공유가 가능합니다. 워크플로우 관리자 자체는 표준 하드웨어에서 로컬에서 실행할 수 있지만, 3D 가상화 플랫폼의 전체 레이 트레이싱 엔진을 사용하려면 호환되는 고성능 RTX 그래픽 카드가 필요합니다.