Integratie van geautomatiseerde simulatieworkflows met 3D-visualisatie voor virtuele experimenten in de metaverse

Samenvatting

Een gegeneraliseerde, FAIR-conforme methode wordt gepresenteerd voor domeinexpertonderzoekers die simulatie- en dataverwerkingstools willen integreren in geautomatiseerde workflows voor 3D-virtuele experimenten. Een voorbeeld van Neutronics laat zien hoe je een lokale Galaxy-instantie opzet, OpenMC en bestandsconversietools ompakt, workflows vanuit Omniverse opstart en de geconverteerde 3D-uitvoeren visualiseert.

Samenvatting

In veel virtuele experimenten worden meerdere softwarepakketten gebruikt met verschillende simulatietypen, pre- en postprocessing-tools, en tools om de resultaten van de experimenten te visualiseren—vaak een combinatie van alle. De gebruikelijke methode om deze te integreren is een handmatige methode, met op maat gemaakte oplossingen voor elk toepassingsgebied, wat slecht schaalt en het delen en reproduceerbaarheid belemmert.

Dit protocol demonstreert de implementatie en het gebruik van een lokaal gecontainerd workflowsysteem. Daarna starten gebruikers een lokale Galaxy-instantie met Docker, maken en draaien een OpenMC neutronica-simulatieworkflow, laten de uitvoeren door een keten van formatconversietools en laden de resultaten in zowel ParaView als NVIDIA Omniverse voor visualisatie. De containerized deployment bevordert reproduceerbaarheid en draagbaarheid op elke machine die voldoet aan de hardware-eisen zoals beschreven in Sectie 1.

Zodra het systeem draait, kunnen workflows opnieuw worden uitgevoerd met nieuwe invoer zonder handmatige herconfiguratie, kunnen extra simulatiecodes met bescheiden inspanning als nieuwe tools worden verpakt, en kunnen tools in meerdere workflows en toepassingsgebieden worden gebruikt. De aanpak ondersteunt de principes van vindbare, toegankelijke, interoperabele, herbruikbare data (FAIR): run histories leggen volledige herkomstmetadata vast, workflows zijn exporteerbaar als draagbare bestanden en kunnen direct gedeeld worden tussen Galaxy-instanties, en tools worden verpakt in versiegestuurde containers die in een openbare repository kunnen worden gepubliceerd. Schaalbaarheid naar high-performance computing (HPC) of cloudbronnen via het Pulsar-systeem van Galaxy is een natuurlijke uitbreiding van de hier beschreven architectuur.

De methode wordt aangetoond aan de hand van een casestudy van fusieneutronica. OpenMC wordt gebruikt om neutronentransport te simuleren in een Direct Accelerated Geometry Monte Carlo (DAGMC) computerondersteund ontwerp (CAD) meetgebied, waarbij een tritium breeding ratio (TBR) resultaat en een neutronenspoordataset wordt geproduceerd. De simulatieworkflows worden vervolgens verbonden met de NVIDIA Omniverse als het metaverse-platform voor aanroepen en visualisering.

Inleiding

De industriële metaverse combineert digitale en fysieke werelden om ontwerp, simulatie en collaboratieve 3D-visualisatie van ontworpen systemen te ondersteunen. Het bestaat doorgaans uit vele onderling verbonden digitale tweelingen van componenten om een overkoepelend systeembeeld te geven. Grote organisaties zoals Boeing, BMW, Amazon en vele anderen hanteren meerdere benaderingen om metaverse^{te creëren 1}. Er zijn systemen ontwikkeld om meerdere ketens van simulatie- en verwerkingstools mogelijk te maken en worden gebruikt. Deze voorbeelden zijn echter doorgaans ofwel op maat gemaakt voor toepassingsgebied

Protocol

OPMERKING: Een overzicht van de lokale workflow-engine-setup, workflowconstructie, workflowstart en visualisatie-uitvoer wordt weergegeven in Figuur 1, Figuur 2, Figuur 3, Figuur 4, Figuur 5, Figuur 6, Figuur 7 en Figuur 8. De repositorybestanden die nodig zijn om het protocol uit te voeren, worden verstrekt in Supplemental File 1.

....

Resultaten

Als de simulaties worden uitgevoerd met de verstrekte invoer in de git-repository, zouden de volgende resultaten moeten worden verkregen:

Na succesvolle voltooiing van Stap 2.1.3 verschijnen zowel de TBR - als de Tracks-uitvoerdatasets in het Geschiedenispaneel groen, wat een geslaagde run aangeeft. Een representatieve TBR-waarde met het meegeleverde configuratiebestand (5 batches van 1.000 deeltjes) is ongeve.......

Discussie

Er zijn een paar cruciale stappen binnen het protocol. De meeste betreffen de initiële opstelling van de workflow-engine, zoals: het toevoegen van het admin-e-mailadres (protocol stap 1.2.2), aangezien dit vereist is voor admin-toegang tot de tools- en jobspanelen; het correct genereren van de API-sleutel voor de metaverse platformextensie (protocolstap 1.5.3) en het correct plakken in het standaardwaardebestand; En bij het toevoegen van tools, zorg ervoor dat deze aan het tool config-be.......

Materialen

```html

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Bioblend	Galaxy Project	v1.2+	Python-bibliotheek die een high-level wrapper biedt rond de Galaxy REST API. Dit wordt gebruikt in de Omniverse-extensie helper scripts om workflows te lijstten, invoerdefinities op te halen en taken te starten. Automatisch geïnstalleerd binnen de relevante Docker-images; geen installatie op de host vereist.
Docker Containers	Docker	v24.0.5	Containerisatie-runtime die wordt gebruikt om elke simulatie en post-processing tool samen met al zijn afhankelijkheden te bundelen, wat zorgt voor portabiliteit en reproduceerbaarheid.
Galaxy	Galaxy Project	v22.05	Open-source workflow engine die wordt gebruikt om de gekoppelde simulatie- en verwerkingstools te orkestreren en deze via een REST API beschikbaar te maken.
Git	Git SCM	v2+	Vereist om het repository te klonen om het protocol te volgen
NVIDIA RTX GPU	NVIDIA	-	Vereist voor real-time ray-traced rendering in Omniverse (Sectie 3). Gebruikers zonder RTX-hardware kunnen alle stappen tot en met Sectie 2 voltooien en ParaView gebruiken voor visualisatie (zie Discussie).
Omniverse	NVIDIA	Code 2022.3.3	NVIDIA's collaboratieve 3D-platform. Dit wordt gebruikt als de visualisatie- en interactie-front-end voor workflow-uitvoer via een aangepaste Kit-extensie.
ParaView	Kitware	v5.11	Open-source wetenschappelijke visualisatie-applicatie die wordt gebruikt als een non-RTX-fallback voor het inspecteren van tussenliggende .vtk/.vtp-uitvoer.
Protocol Repository	Custom	v1.0	Bevat Galaxy-configuratie samen met alle tool XML-wrappers, uitvoerscripts, Dockerfiles, testgegevens en de Omniverse-extensie. Gekloond in Stap 1.2.1. Sleutelbestanden worden ook direct als aanvullende uploads verstrekt (zie I.2).
Python	Python	v3.10+	Runtime vereist voor het OpenMC-uitvoerscript en de Omniverse-extensie helper scripts. Opgenomen in de relevante Docker-images of met Omniverse download; geen aparte hostinstallatie is vereist.
The OpenMC Monte Carlo Code	OpenMC	v0.13.3	Open-source Monte Carlo deeltjestransportcode die hier wordt gebruikt voor fusie-neutronica-simulatie. Dit levert de tritiumfokkerijratio (TBR) en neutronenspooruitvoer.
Windows Subsystem for Linux (WSL)	Microsoft	v2	Vereist om Docker uit te voeren op Windows-hosts (installeer via `wsl --install` in powershell). Linux- en Mac-gebruikers hebben dit niet nodig.

```